并联机器人机构研究概述

专题报道

ＳＰＥＣＩＡＬ

ＲＥＰＯＲＴ

工业机器人技术

并联机器人机构研究概述

张跃敏，

谢刚

（河南理工大学机械与动力工程学院，河南焦作４５４００３）

摘要：介绍了并联机器人机构的研究现状和应用，概述了少自由度并联机构的研究，针对国内外对并联机器人的研

究，提出了研究中存在的问题和方向。

关键词：并联机器人；机构中图分类号：ＴＰ２４２

文献标识码：Ａ

文章编号：１００２－２３３３（２００８）０７－０００８－０２

ＴｈｅＳｔｕｄｙｏｆＰａｒａｌｌｅｌＲｏｂｏｔＭａｎｉｐｕｌａｔｏｒ

ＺＨＡＮＧＹｕｅ－ｍｉｎ，ＸＩＥＧａｎｇ

（Ｄｅｐｔ．ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｏｆＨｅｎａｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉａｏｚｕｏ４５４００３，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｓｉｔｕａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｐａｒａｌｌｅｌｒｏｂｏｔｈａｓｂｅｅｎｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｓｔｕｄｙｏｆｌｏｗｅｒ－ｍｏｂｉｌｉｔｙｐａｒａｌｌｅｌｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｈａｓｂｅｅｎｒｅｖｉｅｗｅｄ．Ｓｏｍｅｐｒｏｂｌｅｍｓａｎｄｇｏａｌｓｆｏｒｓｔｕｄｙｉｎｇｐａｒａｌｌｅｌｒｏｂｏｔｈｏｍｅａｎｄａｂｒｏａｄｗｅｒｅｐｏｉｎｔｅｄｏｕｔ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐａｒａｌｌｅｌｒｏｂｏｔ；ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ

工业机器人自１９６０年代初问世以来，得到十分迅速的发展，已广泛应用于各个工业领域以及服务行业、医疗（串联）机器人方兴未艾时，又出现了卫生等方面。在工业

一种全新的并联机器人种类。并联机器人与串联机器人相比具有结构刚度大、承载能力强、运动精度高以及位置反解简单和力反馈控制方便等诸多优点［１，２］，近年来，被广泛应用到航天器对接装置、雷达定向装置以及虚拟轴高速并联机床。由于其卓越的运动学和动力学性能以及潜在的工业应用前景，吸引了世界范围内的众多学者对它的研究与开发。本文对其中并联机器人机构的研究现状与成果进行概述。

律性，导致了机构综合困难很大且成果不多。因此，许多学者在致力于寻找一种具有普遍意义的机构综合方法。这种方法应该由科学的机构综合步骤，准确的数学表达方式和标准的机构表达概念构成一种完整的系统理论方法。目前，这一领域已经成了并联机器人机构研究的热点。在这些各具特点的方法中，主要包括基于李群理论的机构综合方法、基于螺旋理论的机构综合方法，基于机械系统整体功能的机构综合方法等。它们各具特色，而且学者们利用这些不同的方法都综合出了许多重要的机构系列。

最早应用并联机器人的领域是机械制造业，如美国

Ｇｉｄｄｉｎｇｓ＆Ｌｅｗｉｓ公司于１９９４年９月在芝加哥ＩＭＴＳ国

际博览会上首次展出了ＶＡＲＩＡＸ型并联运动机床，引起轰动。它是一台以Ｓｔｅｗａｒｔ平台为基础的５坐标立式加工中心，标志着机床设计开始采用并联机构，是机床结构重大改革的里程碑。此后，美国Ｉｎｇｅｒｓｏｌｌ公司和Ｈｅｘｅｌ公司，德国Ｍｉｋｒｏｍａｔ公司、Ｉｎｄｅｘ机床公司、ＤＳＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅ机床公司、Ｒｅｉｃｈｅｎｂａｃｈｅｒ公司及Ｈｅｒｋｅｒｔ机床公司，俄罗法国ＲｅｎａｕｌｔＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ公司、中国的众斯Ｌａｐｉｃ公司、

多科研院所等先后研制出各种并联机床。在并联机器人机构的应用中，研究的深度和实用化或者说商品化进程较高的有３种机型：一是前述提到的六足结构的Ｓｔｅｗａｒｔ平台，其被广泛应用于并联机床、机器人装置；二是可实现３维纯平动的ＤＥＬＴＡ并联机器人；还有一种是带有导向装置的三自由度并联（混联）机构［３］，用于航空航天铝结构件、复合材料的高速铣削、汽车大型模具制作、激光切割、空间多位姿安装等。

国内１９８０年代初燕山大学的黄真教授就开始对并联机构的基础理论进行系统地研究［５］。从１９９８年开始，我国对并联机床的研究取得了一系列标志性成果。清华大学和天津大学合作于１９９８年研制成功我国第一台基

１并联机器人机构的研究现状

并联机器人的研究大致分为两类：一类是并联机器

人机构分析，包括对已经存在的并联机器人进行机构学、运动学、动力学、运动控制、路径规划，智能设计等的研究。其应用领域主要有：并连机床、飞行模拟器、空间飞行对接机构、装配生产线、卫星天线换向装置、海军舰艇观测台、天文望远镜跟踪定位系统、动感娱乐平台以及医疗设备。并联机构学与运动学分析主要研究并联机器人的运动学、奇异位形、工作空间等方面，是并联机器人控制和应用研究的基础。并联机器人动力学分析的方法很多，主要有：拉格朗日法、牛顿－欧拉法、高斯法、凯恩法等。由于并联机构的复杂性，目前有关对并联机器人的研究大都集中在机构学方面，而对于动力学的研究相对较少。另一类即是并联机器人机构综合，也就是寻找作为机械承载本体的新机构类型。本质上，机构综合是最具原始创新的工作［２］。最初，这一研究课题严重依赖设计者的经验，直觉和灵感。因此，在研究的过程中没有可靠的方法和科学

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基金项目：河南理工大学青年基金资助项目（１３３１１１）

的步骤来遵循。综合出的机构不具备完整的系统性和规

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机械工程师２００８年第７期

于Ｓｔｅｗａｒｔ平台机构的大型镗铣类虚拟轴机床原型样机，东北大学、哈尔滨工业大学等高校和科研院所也先后研制出此类并联机床样机，而中科院沈阳自动化研究所的

ＳＩＡ／ＣＡＳ并联机床是目前在国际网站上查到的唯一的中

国的并联机床。除了并联机床、装配生产线上的机器人以外，并联机器人机构的应用领域还有医疗机器人、飞行模拟器、空间飞行器对接机构、航海上的潜艇救援对接器及其地面试验设备、卫星天线换向装置、天文望远镜跟踪定位系统、精密操作的微动器以及动感娱乐平台等。近年来还研究将它用作虚拟６轴加工中心、钢丝绳索并联机器人、压力传感器以及毫米级的微型机器人等。再有就是一些潜在的应用领域，如在微电子机械应用中的多维鼠标、农业机械中的果实采摘操作手、家用电器中的洗衣机、洗碗机等。此外，多机器人协调、多足步行机、多指多关节高灵活手爪等也属于并联机器人机构的研究范畴。可以预见并联机器人在本世纪将有广阔的发展前景。

２少自由度并联机器人机构的研究

以Ｓｔｅｗａｒｔ平台为代表的六自由度的并联机器人已

得到了广泛的研究，但在某些场合，少自由度并联机器人由于其驱动元件少、造价低、结构紧凑而有较高的实用价值，更具有较好的应用前景，因此少自由度的并联机器人的设计理论的研究和应用领域的拓展成为并联机器人的研究热点之一。

研究少自由度并联机构最早的学者应属澳大利亚著名机构学教授Ｈｕｎｔ，在１９８３年，他就列举了平面并联机构、空间三自由度３－ＲＰＳ并联机构，但对四，五自由度并联机构未作详细阐述。在Ｈｕｎｔ之后，不断有学者提出新的少自由度并联机构机型。在少自由度并联机构机型的研究中，三维平移并联机构得到广泛的重视。Ｃｌａｖｅｌ提出了一种可实现纯平运动三自由度Ｄｅｌｔａ并联机器人，在

Ｄｅｌｔａ机构的支链中采用平行四边形机构约束动平台的３

个转动自由度。Ｔｓａｉ提出的Ｄｅｌｔａ机构完全采用回转副，并通过转轴的偏移扩大了Ｄｅｌｔａ机构的工作空间。在

Ｔｒｉｃｅｐｔ并联机床上采用的构型是由Ｎｅｕｍａｎｎ发明的一

种具有３个可控位置自由度的并联机构，该机构的突出特点是带有导向装置，采用３个内副驱动支链并由导向装置约束动平台。Ｔｓａｉ通过自由度分析提取支链的运动学特征，系统研究了并联机构的综合问题，特别研究了一类实现三自由度平动的并联机构。ＲａｓｉｍＡｌｉｚａｄｅ于２００４年提出基于平台类型和联接平台的形式和类型进行分类的一种并联机构的结构综合和分类的新方法和公式，并综合出具有单平台和多平台的纯并联和串并联复联机构。

我国燕山大学的黄真教授及其团队除了研制出解耦微型６维力传感器和微动机械，设计出一种新的高精度的机构方案外，还率先对少自由度并联机器人的基础理论作了研究，并开发了多个少自由度并联机器人机构新机型［５］。天津大学的黄田教授于１９９９年在Ｄｅｌｔａ机构的基础上提出一种实现三自由度平动的３－ＨＳＳ并联机床，通过在支链中引入过约束支链有效地提高了并联机床的

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静刚度和精度。上海交大的高峰教授于２００２年运用复合副的概念来组合已知自由度数和自由度类型的支链，通过支链输出杆特殊的Ｐｌüｃｋｅｒ坐标来综合２～５自由度的机器人。近几年，东南大学的杨廷力教授、金琼等以单开链（ＳＯＣ）单元和并联机器人机构结构组成的某些规律性，以机构具有各支路结构相同且简单、不存在虚约束、工作空间较大等特点，尤其是其运动分析正、逆解数目小，且运动输入输出具有一定解耦性为目标，综合出了一类新型三平移并联机器人机构。其中的３－ＲＲＣ型机型，江苏大学的马履中教授、尹小琴等对其运动学、动力学等特性上进行了深入的研究，并将其应用在多维减振平台主体机构中。马履中等还研制一种五自由度并联机构作为中医推拿机器人。沈惠平等研制一种新型三维平移并联机构作为虚拟轴机床、坐标测量机及机器人等的新型实用机型。

３并联机构研究中存在的问题

目前，国内外关于并联机构的研究主要集中于机构

学、运动学、动力学和控制策略等方面。其中并联机构的机构学与运动学主要集中在机构的运动学问题、奇异位形、工作空间和灵巧度分析等方面。并联机构机构学与运动学的研究在并联机构的研究中占有重要的基础地位，是实现并联机器人、并联机床等控制和应用的基础。动力学分析及控制策略的研究主要是对并联机构进行动力学分析和建模，并且研究利用各种可能的控制算法，对并联机器人、并联机床等实施控制，从而达到期望的控制效果。从大量的关于并联机构的研究文献可以看出，近十余年来，关于并联机器人各方面的研究工作都取得了很大的进展。但是，还有大量的工作需要进一步研究和开展，主要有以下几个方面：（１）进一步研究并联机器人机构的型数综合，寻求结构更加合理、适合不同用途的并联机构，使并联机构的运动学和动力学模型变得简单，同时考虑深入研究多种约束条件的并联机构优化设计方法。（２）加强位置正解的研究，使位置正解更加简单。寻找简化精度补偿、工作空间和奇异位形的方法。（３）加强并联机构的动力学研究。（４）进一步加强串并联机器人的研究，充分利用串联和并联机构的优点，实现功能强、特性好、类型广的新型机器人。

（５）加强少自由度并联机构的研究，特别是动力学、精度标定、系统控制、机构结构的优化设计等问题，是目前和今后少自由度并联机器人机构研究和发展的方向。

［参考文献］

１］曲云霞，李为民，等．并联机构构型概述［Ｊ］．机械加工工艺与装备，２００７（２）：４８－５１．

２］马晓丽，陈艾华，等．并联机器人机构的创新与应用研究进展［Ｊ］．机床与液压，２００７（２）：２３５－２３７．

３］

ＴｓａｉＬＷ，ＷａｌｓｈＧＣ，ＳｔａｍｐｅｒＲＥ．Ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓｏｆａｎｏｖｅｌ

ｔｈｒｅｅＤＯＦｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎａｌｐｌａｔｆｏｒｍ

［Ｊ］．ＩＥＥＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＲｏｂｏｔｉｃｓａｎｄＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，１９９６．

（编辑启迪）!!!!!!!!!!

作者简介：张跃敏（１９７７－），女，在读硕士，讲师，主要从事机械设计理

论教学和科研工作。

收稿日期：２００８－０４－０４

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