机器人作业关于并联机构发展及应用

并联机构发展及应用小组成员：何斌2011330300409机电1班胡幸超20113303004010机电1班董徐锋2011330300407机电1班陈国民2011330300406机电1班摘要：自人类文明以来，人类不断地发明了各种机构(机械)，机构早己同人类生活息息相关。科学技术的不断创新，机器人、宇航工程、海洋工程等高新技术领域的开发，及工业自动化、交通、邮电、医疗等事业的发展，研制能够满足高精度、重负载、高效率要求的新机构已迫在眉睫。与串联机构相比，并联机构具有运动惯量低、刚度大、灵巧度高、体积小和功率重量比高等许多优点。因此，并联机构较适合用于大载荷或者高速、高精确的机构运动场合。1并联机构的发展并联机构（ParallelMechanism，简称PM），可以定义为动平台和定平台通过至少两个独立的运动链相连接，机构具有两个或两个以上自由度，且以并联方式驱动的一种闭环机构。自人类文明以来，人类不断地发明了各种机构(机械)，机构早己同人类生活息息相关。科学技术的不断创新，机器人、宇航工程、海洋工程等高新技术领域的开发，及工业自动化、交通、邮电、医疗等事业的发展，研制能够满足高精度、重负载、高效率要求的新机构已迫在眉睫。机构的发展大致经历了从一杆到多杆、从平面到空间、从串联到并联的过程。空间多环机构学，是当今随机器人发展而兴起的一个机构学分支。这种机构在结构上由多个相同类型的运动链，在运动平台与固定机架之间并联形成。与串联机构相比，并联机构具有运动惯量低、刚度大、灵巧度高、体积小和功率重量比高等许多优点。因此，并联机构较适合用于大载荷或者高速、高精确的机构运动场合。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，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。早期的并联构型装备及特点结构中包含一个或多个并联机构的机器称为并联构型装备。只要是多自由度,驱动器分配在不同环路上的闭式多环机构均可称为并联机构。20世纪中叶,罗马尼亚人Gough采用并联机构设计了一种六自由度的轮胎测试机(见图1),这种结构被称为六足结构(Hexapod)。1965年,Stewart将一种并联机构用于飞行模拟器,它包含三个支链,每个支链上分别通过一个固定平台上的旋转关节和一个可伸缩连杆来控制。这种机构具有六自由度,被称为Stewart平台。1978年,澳大利亚机构学家Hunt提出并联机构可以应用于机器人操作。此后若干年,并联构型装备的研究进展缓慢,主要是受到计算机和伺服控制技术的限制,计算6个支链运动的时间和物质花费太大。但一些经济实力雄厚的部门已开始使用并联机构,主要应用于航空、航天等领域。随着计算机技术的发展,尤其是计算快速、功能强大的工业PC出现之后,促进了并联机构的应用和发展。80年代后期,几种基于并联结构的机器人相继出现,它们普遍具有较高的速度和加速度,动态特性好,在装配行业得到很好的应用。但真正引起轰动是在1994年的芝加哥机床展览会上,Giddings&Lewis和Ingersoll分别推出了基于并联机构的六足机床,被媒体誉为“机床结构的重大革命”、“二十一世纪的数控加工装备”。从此并联构型装备一直是制造业的研究热点之一。这种结构的主要特点是:1)杆件只受拉压,不受弯曲应力;2)刚度高,承载能力与整机质量比大;3)移动部件质量小,可获得很高的动态特性;4)零件标准化程度高,易于实现模块化设计;5)作业空间与机器尺寸比小;6)灵活性较差,运动平台倾斜角度较小;7)作业空间存在杆件干涉和奇异位变形危险Stewart平台并联机构最先用于飞行模拟器，即在地面训练飞行驾驶员。飞行模拟器可以承担90％的飞行训练任务，而每小时的训练费用仅是实际空中飞行的1／40～1／10，效益显著，很快获得推广。飞行模拟器在培训驾驶员方面的成功应用，使它很快被推广到高速列车、船舶、坦克和汽车的动态性能试验、驾驶员培训以及公众娱乐设施项目。此外，运动模拟器还可以用于各种设施的振动试验台、地震模拟器和防震装置。其次Stewart平台并联机构多用于并联机床。所谓并联机床是指并联机构作为进给传动机构的数控机床，其原型机是并联机器人操作机。这种新型制造装备在构思上体现了现代系统集成的思想，在功能上是加工、测量、装配与物料搬运等多种工艺过程的集成，在性能上是高刚度、高精度、高速度、高柔性、轻重量、低成本的集成，是知识经济初见端倪的高科技机电一体化产品。并联构型装备已成为制造业目前的研究热点之一。与串联构型相比,并联构型具有刚度好、精度高、高速和高加速度等特点,众多研究机构和制造企业都看好其在制造领域的应用前景。目前多种并联构型装备已经被设计和开发出来,应用的领域涉及机床、机器人、定位装置、娱乐、医疗卫生等。研究人员正试图开发出在速度、刚度、精度和费用等方面更优的并联构型装备,以便在与传统制造装备的竞争中占据更有利的地位。目前，并联机床的研究与开发已经得到国内外学术界和工程界的广泛重视，并纷纷投入大量人力和物力竞相开发，于九十年代初以来相继推出多种结构的产品化样机。特别是在1994年芝加哥国际机床博览会上（IMTS’94）,美国Giddings&Lewis和Ingersoll公司首次展出了称为“变异型”（VARIAX）和“六足虫”（Hexapods）的数控机床后，并联机床的研发在世界范围内更是方兴未艾。英国Geodetic公司，俄罗斯Lapik公司，挪威Multicraft公司，日本丰田、日立、三菱等公司，瑞士ETZH和IFW研究所，瑞士NeosRobotic公司，丹麦Braunschweig公司，汉诺威大学和斯图加特大学等单位在短短的三、四年内也已先后研制出不同结构形式的数控铣床、激光加工和水射流机床、坐标测量机和镗铣类加工中心。与之相呼应，由美国Sandia国家实验室和美国国家标准局（NIST）倡议，已于1996年专门成立了Hexapod用户协会（HexapodUser’sGroup），并在国际互联网上设立站点。2并联机构国内研究现状在国内，少自由度并联机构研究已有20年历史，但是进展却是甚慢，曾今也有专家小组对其进行了研究，取得了可喜的成绩，他们建立了对型综合有关键意义的全面适用的自由度修正的Grübler-Kutzbach公式；首创了简捷、实用、全面适用的“约束螺旋综合理论”。在国际上首次形成系统、完整、适用的机构综合理论。从机型综合上说，第一，在国际上领先综合出第一个对称的四自由度和第一个五自由度的并联机构；第二，3转2移这类最难的5自由度对称并联机构也是唯一地由课题组系统地综合出来；第三，在约束螺旋理论指导下，形成了目前唯一地能全面综合出所有各种类型的少自由度并联机构的方法，并综合出百余种新的机型。这项研究的主要内容已在国际上的著名的学术期刊上发表，发表论文16篇，申请了6项专利其中两项已获授权，在国际学术界有了较大的影响。本项研究成果将为机器人学术界和产业界提供适用的新机型和普遍适用的理论，众多机型又为应用提供广泛选择的机会，都具有中国的知识产权。近年来，与并联机床/并联机器人操作机有关的学术会议也层出不穷。我国已在国家“九五”科技攻关计划和“863”高技术发展计划中对并联机构的研究与开发予以支持，中国科学院沈阳自动化研究所、清华大学、天滓大学、哈尔滨工业大学、东北大学、河北工业大学等单位的研究人员也在积极从事并联机床领域的研究工作，并与相关企业合作研制了数台结构形式各异的样机。国内清华大学与其他三家骨干机床厂家联合研制了三台结构各异的虚拟轴机床，与南昌江东机床厂联合开发的龙门式虚拟轴机床XNZ2010、与昆明机床股份有限公司联合研制的虚拟轴机床XNZ63、与大连机床厂联合研制的五轴联动串并联机床DcB一510。这三台虚拟轴机床均已进入了实用化样机的水平，有望在近期实现商品化。中科院沈阳自动化研究所研制出一台五坐标并联机床，该机床正在中科院沈阳自动化研究所进行切削实验以对其性能做进一步的评价。哈尔滨工业大学成立了金时科技有限公司，专门承揽并联机构的设计制造业务，已成功完成了多项大型并联机构的项目，开发的并联机构主要应用于大型机械装配、深海动力学模拟等。3并联机构的特点及应用并联机构的性能分析：并联机构设计是一个复杂而困难的问题，因此在设计过程中不可避免要以一定的性能指针为基础，这包括机器人的结构对称性、Jacobian矩阵的各向同性、速度及承载能力、刚度、精度、特殊位形、冗长自由度以及工作空间的大小等只要是多自由度,驱动器分配在不同环路上的闭式多环机构均可称为并联机构。这种结构的主要特点是：1）杆件只受拉压,不受弯曲应力；2）刚度高,承载能力与整机质量比大；3）移动部件质量小,可获得很高的动态特性；4）零件标准化程度高,易于实现模块化设计；5）作业空间与机器尺寸比小；6）灵活性较差,运动平台倾斜角度较小；7）作业空间存在杆件干涉和奇异位变形危险。结构中包含一个或多个并联机构的机器称为并联构型装备。并联机构主要应用领域可分为两大类，即运载机械的运动模拟器和操作机。运载机械包括所有载人和载货的运输工具以及其他机械，如飞机、列车、船舶、坦克、汽车以及动态游乐设施等。并联机构的另外一个主要的应用是作为操作机。例如，并联机构可以在汽车总装线上自动安装车轮部件。它从侧面抓住由传送链送来的车轮部件，然后转过180。以与总装线同步的速度，将车轮装到车体上，并将所有螺栓一次拧紧。又如，并联机构也可用于航天飞船对接器的对按机构，上下平台作为对接器的对接环，平台中间有通孔，作为对接后的通道。对接器可以完成主动抓取、对正拉紧、柔性联结以及锁住卡紧等一系列工作。并联机构作为操作机的一个典型应用是并联机床。1994年在芝加哥国际机床博览会(LMTS94)上首次展出了称为“六足虫”(Hexpod)和“变异型”(VARIX)的数控机床与加工中心并引起了轰动，被媒体誉为“机床结构的重大革命”、“二十一世纪的数控加工装备”。从此并联构型装备一直是制造业的研究热点之一。此后，各主要工业国家都投入了大量的人力和物力进行并联机床的研究与开发。此外，并联机构可广泛用于医学、天文学、微动机构等各方面。从机床运动学的观点看，并联机床与传统机床的本质区别在于动平台在操作空间的运动是关节空间伺服运动的非线性映射（又称虚实映射）。因此，在进行运动控制时，必须通过逆解模型，将事先给定的刀具位置姿态及速度信息变换为伺服系统的控制指令，并驱动并联机构实现刀具的期望运动。由于构型和尺度参数不同，导致不同并联机床虚实映射数学模型和参数不尽相同，因此必须采用开放式体系结构建造数控系统。因此，深入开展并联机床开放式数控系统体系结构的研究，切实解决其中的关键技术难题，对推动这类新兴数控装备的产业化进程有着极其重要的意义。并联机构同时也可用于坐标测量机。由于并联运动机构具有结构刚性大、运动速度高、误差不叠加等特点，因而若将其应用于坐标测量机中，将有可能使坐标测量机的测量精度及测量效率等性能得到很大程度的改善。与常用的串联运动机构的坐标测量机相比，并联机构的坐标测量机具有以下特点：①并联坐标测量机中的可动平台同时经由３根(或６根)可沿各自轴向伸缩的上连杆支撑，从而使整个系统的刚度较串联机构坐标测量机有较大程度的提高；②各并联杆件只承受沿轴向的线性调节力的作用，因而其运动误差小，且杆件不易变形；③并联机构中，各杆件间不存在误差累积和放大关系，因而容易实现高精度。4.总结并联机构的应用可以提高机器定位精准度以及节省机构空间，同时具备刚性高、承载能力高与速度快等优点，确实值得长期投入研究开发，然而研究并联机构所面临的挑战包括：

1.工作空间的解析：并联机器人工作空间的解析是一个非常复杂的问题，它在很大的程度上依赖于机构位置解的研究结果，至今仍没有完善的方法，因此如何利用关节角度的约束、各连杆长度的约束和机构各构件的干涉来确定并联机器人操