[gbk] 文献综述

1、燕 山 大 学本科毕业设计（论文）文献综述 课题名称：4驱动3sps+sp型 并联机器人的设计与模拟学院（系）：机械工程学院年级专业：05机电 学生姓名：姚学峰 指导教师：路懿 完成日期：2009-3-18 一、课题国内外现状二、研究主要成果 三、发展趋势： 四、存在问题五、主要参考文献 摘要：概述了并联机器人的研究现状和主要研究成果。通过对并联机床和传统机床的比较，详细介绍了并联机构的优点。结合国内外并联机床的发展现状提出了并联机构发展中存在问题。通过对现阶段并联机构应用情况的分析，提出了并联机构的发展趋势。关键词：并联机器人；并联机床；综述一、 课题国内外研究现状并联机构的构想最早可追溯到

2、1895 年，数学家cauchy 就开始研究一种“用关节连接的八面体”，这是至今为止知道的最早的并联机构。并联机构的研究开始于1938 年pollard 提出采用并联机构来给汽车喷漆。1949 年gough1提出用一种并联机构的机器(即stewart 平台机构)检测轮胎，这是真正得到运用的并联机构。1965 年英国高级工程师stewart2在“a platform with sixdegrees of freedom”论文中提出了用于飞行模拟器的6 自由度的并联机构stewan 平台。自从1978 年，澳大利亚著名机构学教授hunt3提出把6 自由度的stewart 平台机构作为机器人机构以来

3、，并联机器人技术得到了广泛推广。并联机器人机构可以定义为：上下平台用2 个或2 个以上分支运动链相连，机构具有2 个或2 个以上自由度，且以并联方式驱动的机构称为并联机器人机构。但是从机构学的角度出发，只要是多自由度的，驱动器分配在不同环路上的并联多环机构都可以称为并联机构。必备的要素有以下几点：末端执行器必须具有运动自由度；这种末端执行器通过几个相互关联的运动链或分支与机架相联接；每个分支或运动链由唯一的移动副或转动副驱动。并联机构的出现扩大了机器人的应用范围。目前研究的重点应用领域有：1. 运动模拟器，如驾驶模拟器、娱乐运动平台；2. 并联运动机床，如应用于各类铣床、磨床或机床的运动平台；

4、3. 可用于传感器或其他机构的误差补偿器；4. 用于高精度的微动机器人。近年来，并联机构在手术辅助治疗等医学方面的应用受到很大重视。例如，由美国研制开发的“rutgers ankle”远程脚踝康复可视化触觉界面系统。该触觉装置采用了6自由度的stewart并联机构，可完全适应脚踝的三个方向转动的康复治疗，并且有力反馈装置。在并联机床的研究方面，6自由度并联机构在大刚度、高精度、高速切削加工和多轴通用性的新型并联运动机床方面得到了广泛而深入的研究。在国际博览会上美国ingersoll铣床公司、gidding&lewis公司和hexal公司展出的数控机床和加工中心，引起轰动，被誉为机床结构的重大变

5、革和21世纪的新一带数控加工设备。此后国际各大公司和机构也研制出不同机构形式的数控铣床、坐标测量机和加工中心。国内也很重视并联机器人机构的研究和开发。中国科学院沈阳自动化所、清华大学、江苏大学、天津大学、哈尔滨工业大学、燕山大学等也在积极从事并联机床的研究工作，不仅有很多学术成果，而且还与有关企业合作研制了多台样机。大连机床厂和清华大学共同研制开发的dcb510五轴联动并联机床采用传统龙门结构和并联机构结合的设计思想，克服了stewart机构作业空间小、工件装卸不方便等缺点，增大了作业空间，方便了工件的装卸降低了并联机构的复杂程度，易于演化满足不同加工要求的结构形式。该样机的直线移动定位精度为

6、0.012mm，最大速度为80m/min，最大加速度为2g。因采用了串并联机构，两个方向的转角分别可达140和450，这是普通机床不能达到的。此外哈尔滨工业大学和哈尔滨量具刃具长研制的并联机床采用了典型的stewart平台，通过由伺服电机驱动滚珠丝杠的六个伸缩杆，带动固定在动平台上的主轴部件，可以实现主轴在工作空间的6个自由度的运动。本课题为4驱动spssp型并联机器人，它属于少自由度的并联机器人。在许多场合应用的机器人只需有部分自由度，如二、三、四或五自由度就可以满足使用要求，这类自由度少于六的机器人被称为“少自由度机器人”。六自由度并联机器人具有完全自由的工作空间，适用于很多应用场合，所以

7、目前有关六自由度并联机构位置分析、运动学分析、动力学分析、以及它的特殊位形分析等方面都有了广泛的研究。随着六自由度并联机器人研究的深入，少自由度并联机构相对于六自由度并联机构结构简单且在一定程度上能满足许多具体的要求，在工业生产及其它领域有着广阔的应用前景，因而开始受到国内外学者的广泛关注，成为机器人领域的又一新的研究热点，其中对于机构运动学的研究不仅有利于认识已有少自由度机构的特性，而且对开发和研制新的并联机构有着特殊的重要意义。二、研究主要成果与传统的串联机器人相比，并联机器人具有刚度大、承载能力强、误差小、精度高、自重负荷小、动力性能好、控制容易等一系列优点。串、并联机构的优缺点恰好相反

8、，称为串并联的“对偶关系”，由于对偶关系的存在，并联机器人的出现，更加丰富了机器人的家族成员，弥补了串联机器人的不足，扩大了整个机器人的应用领域。并联机器人机构主要有如下几个方面的应用：运动模拟器 训练用飞行模拟器具有节能、经济、安全、不受场地和气候条件限制等优点。目前已成为各类飞行员训练必备工具。六维力和力矩传感器 国内外有许多学者把并联机构的思想引用到了六维力传感器的力敏感元件结构设计上来，如kerr，nguyen 和feraresi 以及国内北京大学的陈滨、华中科技大学的熊有伦、燕山大学的高峰等。微动机构与微型机构 这种微动机构6利用了并联机构的工作空间不大但精度和分辨率都非常高的特点。

9、例如，瑞士epfl 研制了用于在集成光纤底片上定位一单模光纤的微动机器人；哈工大的压电陶瓷式六自由度微动机器人；燕山大学7的六自由度机器人误差补偿器等。步行器的腿 由于少自由度的并联机器人机构高刚度和动态性能好等特性，可以用做步行器或爬壁机器人的腿。如日本hirose&yoneda实验室研制的pv-ii 和titan 系列四足步行器以及ninja-i、ninja-ii系列爬壁机器人等。对接机构 作为操作器并联机构可用作飞船和空间站对接器的对接机构。此类对接机构也可用在汽车装配线上的车轮安装和医院中的假肢接骨等。工业机器人 并联机构在这方面应用最多的是delta 并联机构tricept 并联机构

10、，主要用于食品与药品的包装与机械自动生产线上。虚拟轴机床 虚拟轴车床8,9是并联机构在工程应用领域最成功的范例，与传统数控机床相比较，它具有传动链短、结构简单、制造方便、刚性好、重量轻、速度快、切削效率高、精度高、成本低等优点，容易实现六轴联动，因而能加工复杂的三维曲面。如美国giddings&lewis 公司和ingersoll 公司各自研制的variax 型和hexapods 加工中心、德国mikromat 公司hexa 6x 加工中心、瑞典neos robotics 公司的tricept机器人等。医用机器人 德国柏林洪堡大学医学院手术机器人实验室采用delta 机器人成功进行了脑部手术。

11、天文望远镜 如德国波鸿鲁尔大学(ruhr uni-versitaet bochum)的天文研究所与卡尔蔡司光学公司(carl ziess gmbh)合作，于1999 年建造了一台反射镜直径为1.5m 和质量达5t 的大型天文望远镜 。总之，并联机器人机构越来越受到人们的青睐，在那些需要结构刚度好、高动态性能、高精度或者需要电机靠近机架的场合有广阔的应用前景三、发展趋势近年来，并联机器人技术和机床技术结合的越来越紧密，这种相结合的产物具有许多传统机床无法替代的优点，它具有如下明显的发展趋势：小型化、简单化:由于三轴并联机床的技术与理论问题基本都已经解决,这种较为简单的并联机床已成为并联机床发展最

12、快的一个分支,并率先走向商品化,例如瑞典neo 公司的三轴tricept 系列三轴并联已经是成熟的商品。另外,并联定位、定向可调式工作台与传统小型机床的结合是目前实用化的一个简捷路径。混联化:并联机床与传统机床各有优缺点,将二者结合起来,克服缺点,发挥优点,这种新型混联机床的优点已经引起许多研究机构的注意,将为并联机床最有潜力的发展分之之一。群组化:并联机床具有柔性化非常好的特点,将多台并联机床组成大型柔性设备去完成加工、装备和测量等工作。四、存在的问题并联机床是世界伤近年来逐渐兴起的一种新型制造设备，它与传统机床相比具有不可比拟的优势，当然并联机床也有弱点，比如：其工作空间相对狭小,动平台的

13、偏转角度不能太大. 另外虽然并联机构各个支链可以有效地抑制执行构件的误差,但开发精度高、持久耐用的铰链是一大难题。振动问题:并联机床随着动平台位姿的不同其振动频率响应函数不同,也就是说并联机床的振动响应频率远宽于传统机床的振动响应频带,如何用有效的方法找到并联机床的振动响应频谱是并联机床实现高速切削进而走向实用化必须解决的问题之一。缺乏高效运动学正解:并联机床逆解简单,正解困难。raghavan 将正解问题归结为求解多元多项式方程组,利用多项式延拓法证明一般stewart 机构理论上在附属域有40 组解析解 ,是对于实际的构型由初始杆长到给定杆长,只能到达一个正解,其他的正解需要把机构拆开再重

14、新装配才能到达,s. egner 称之为“装配模式”正解 。现在并联机床的正解有多种方法可以求出,但如何找一种快速、高效的正解算法仍是目前的难点。控制软件的易操作性:并联机床有“硬件”简单、“软件”复杂的特点。但这不意味着控制软件的操作也要复杂,这种复杂应当隐藏在操作界面的后面。由于传统的机床的操作的风格已被广大的相关的人员所熟悉和接受,所以并联机床要走向实用化,首先要做的基础工作是开发出面向最普通的用户的非常友好的操作界面(应该类似常规数控机床的g代码等的语言,以及和常用的cad camcae软件的接口)。因此，对并联机构的研究还存在很多的问题需要解决，这也是本课题研究的意义所在。通过对新型

15、并联机构的研究，不仅可以丰富并联机构的研究理论，而且能够研究出新型并联机构用于并联机床的开发，所以它在理论和实际应用方面都具有巨大的意义。五、主要参考文献1yi lu,bo hu,“analyzing kinematics and solving active/constrained forces of a 4-dof 3sps+sp parallel manipulator” robotica,2008, 1-8(2008).2. z. huang and li qinchuan,“type synthesis principle of minor-mobility parallel man

16、ipulators,” sci. china (series e), 45(3),241248 (2002).3. yi lu, “using virtual work theory and cad functionalities for solving active force and passive force of spatial parallel mani-pulators,” mech. mach. theory 42, 8398584. 石岩，路懿.运动副布置对3-spr并联机构工作空间的影响分析.燕山大学学报，2008,32（4）.5. 刘溯，秦伟，高广娣.1-ps-3-sps并

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18、伺服电机驱动的并联机器人动态滑模控制.机械设计,24(5),2007.11. 路懿，黄真.正交式虚拟六轴机床刀架位姿的计算机模拟.系统仿真学报,14(1),2002.12. j. p. merlet, “jacobian, manipulability, condition number, andaccuracy of parallel robots,” j . mech. des. trans. asme 128(1), 199206 (2006).13. z. huang and li qinchuan, “type synthesis principle of minor-mobilit

19、yparallel manipulators,” sci. china (series e), 45(3),241248 (2002).14. 马履中，高建忠.机器人与柔性制造系统，化学工业出版社,2007.15. 杨延力.机器人机构拓扑结构学，机械工业出版社，2004.16. 程仙国,赵恒华,高兴军.并联机床的研究现状与展望. 综述与展望,2007.17. 刘广超. 几种含spr 和rps 分支三自由度并联机构性质的研究. 工学硕士学位论文,2008. 指导教师审阅签字： 年 月 日 莀蚇袀芃薂蒀袆节节螅螁节莄薈肀芁蒇螄羆芀蕿薇袂荿芈螂螈羆莁薅蚄羅蒃螀羃羄膃薃罿羃莅衿袅羂蒇蚁螁羁薀蒄聿羀艿蚀

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