并联机器人发展现状与展望
〔作者:夏广岚等人转贴自:《中国科技信息》2005年第 22期
1,并联机构的提出、特点及应用
1965年,德国 Stewart发明了六自由度并联机构,并作为飞行模拟器用于训练飞行
员。1978 年澳大利亚著名机构学教授 Hunt 提出将并联机构用于机器人手臂。并联机构
的特点:(1)与串联机构相比刚度大,结构稳定;(2)承载能力大;(3)微动精度高;
(4)运动负荷小;(5)在位置求解上,串联机构正解容易,但反解十分困难,而并联机
构正解困难反解却非常容易。由于机器人在线实时计算是要计算反解的,这对串联式十分
不利,而并联式容易实现。
2,并联机构的分类
从运动形式来看,并联机构可分为平面机构和空间机构;细分可分为平面移动机构、
平面移动转动机构、空间纯移动机构、空间纯转动机构和空间混合运动机构, 另可按并联
机构的自由度数分类:
(1)2自由度并联机构。2自由度并联机构,如 5-R、3-R-2-P(R表示转动副,
P
表示移动副)平面 5 杆机构是最典型的 2 自由度并联机构,这类机构一般具有 2个移动运
动。
(2)3自由度并联机构。3自由度并联机构各类较多,形式较复杂,一般有以下
形式:平面 3 自由度并联机构,如 3-RRR机构、3-RPR机构,它们具有 2 个移动和一个
转动;球面 3 自由度并联机构,如 3-RRR球面机构、3-UPS-1-S 球面机构,3-RRR球
面机构所有运动副的轴线汇交空间一点,这点称为机构的中心,而 3-UPS-1-S球面机构
则以 S 的中心点为机构的中心,机构上的所有点的运动都是绕该点的转动运动;3维纯移
动机构,如 StarLike
并联机构、Tsai并联机构和 DELTA机构,该类机构的运动学正反解都很简单,是一种应
用很广泛的 3 维移动空间机构;空间 3 自由度并联机构,如典型的 3-RPS机构,这类机构
属于欠秩机构[1],在工作空间内不同的点其运动形式不同是其最显著的特点,由于这种特
殊的运动特性,阻碍了该类机构在实际中的广泛应用;还有一类是增加辅助杆件和运动副
的空间机构,如德国汉诺威大学研制的并联机床采用的 3-UPS-1-PU 球坐标式 3自由度
并联机构,由于辅助杆件和运动副的制约,使得该机构的运动平台具有 1个移动和 2个转
动的运动(也可以说是 3个移动运动)。
(3)4自由度并联机构。4自由度并联机构大多不是完全并联机构,如 2-UPS-1-
RRRR机构,运动平台通过 3 个支链与定平台相连,有 2 个运动链是相同的,各具有 1
个虎克铰 U,1个移动副 P,其中 P和 1个 R 是驱动副,因此这种机构不是完全并联机
构。
(4)5自由度并联机构。现有的 5自由度并联机构结构复杂,如韩国 Lee 的 5 自由
度并联机构具有双层结构(2个并联机构的结合)。
(5)6自由度并联机构。
6自由度并联机构是并联机器人机构中的一大类,是国内外学者研究得最多的并联机构,
广泛应用在飞行模拟器、6 维力与力矩传感器和并联机床等领域。但这类机构有很多关键
性技术没有或没有完全得到解决,比如其运动学正解、动力学模型的建立以及并联机床的
精度标定等。从完全并联的角度出发,这类机构必须具有 6 个运动链。但现有的并联机构
中,也有拥有 3 个运动链的 6自由度并联机构,如 3-PRPS和 3-URS等机构,还有在
3个分支的每个分支上附加 1 个 5 杆机构作这驱动机构的 6 自由度并联机构等。
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