少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)探析

于振文，張亞杰

YU Zhen-wen，ZHANG Ya-jie

（吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，吉林 132101）

0 引言

機(jī)器人是一種具有人體上肢的部分功能，工作程序固定的自動(dòng)化裝置。基于并聯(lián)機(jī)器人的多坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床研究已成為機(jī)器人研究領(lǐng)域以及機(jī)床制造領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)外所推出的各種并聯(lián)機(jī)床大多數(shù)都是單純利用并聯(lián)機(jī)構(gòu)原理來(lái)構(gòu)造機(jī)床。

1 并聯(lián)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)和應(yīng)用

并聯(lián)機(jī)構(gòu)，可以定義為動(dòng)平臺(tái)和定平臺(tái)通過(guò)至少兩個(gè)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)鏈相連接，機(jī)構(gòu)具有兩個(gè)或兩個(gè)以上自由度，且以并聯(lián)方式聯(lián)系在一起來(lái)驅(qū)動(dòng)的一種閉環(huán)機(jī)構(gòu)。1962年，羅馬尼亞人Gough[1]采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種六自由度的汽車輪胎測(cè)試機(jī)。1965年，德國(guó)Stewart[2]發(fā)明了六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，并作為飛行模擬器用于對(duì)飛行員的模擬訓(xùn)練。澳大利亞著名機(jī)構(gòu)學(xué)教授Hunt[3]在1978年提出將六自由度的Stewart平臺(tái)機(jī)構(gòu)作為機(jī)器人機(jī)構(gòu)（如圖1所示）。從此推動(dòng)了并聯(lián)機(jī)器人發(fā)展的步伐，從此并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)被廣為關(guān)注，20世紀(jì)90年代后期成為機(jī)器人方面新的研究熱點(diǎn)。雖然并聯(lián)機(jī)構(gòu)組成的形式各不相同，但它們卻具有相同的特點(diǎn)。

圖1 Stewart并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)

相對(duì)于串聯(lián)機(jī)構(gòu)，并聯(lián)機(jī)構(gòu)特點(diǎn)如下：

1）并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有桁架結(jié)構(gòu)形式，每根桿件所受工作載荷時(shí)變形小，結(jié)構(gòu)緊湊，機(jī)構(gòu)整體剛度大；

2）并聯(lián)機(jī)器人不需要中間傳動(dòng)系統(tǒng)，因此作為操作終端的動(dòng)平臺(tái)質(zhì)量小，運(yùn)動(dòng)起來(lái)自然靈活，且運(yùn)動(dòng)速度快；

3）不論桿件尺寸大小，均具有較好的動(dòng)態(tài)性能；

4）并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)正解復(fù)雜，反解卻很容易；而串聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)正解容易，反解復(fù)雜；

5）并聯(lián)機(jī)器人的各個(gè)分支機(jī)構(gòu)采用直接驅(qū)動(dòng)，無(wú)中間環(huán)節(jié)的誤差累積與及其放大，因而動(dòng)平臺(tái)的定位精度高。

目前，并聯(lián)機(jī)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于航空工程、機(jī)械制造、醫(yī)療器械、食品包裝、電子等多個(gè)領(lǐng)域，典型的應(yīng)用實(shí)例是飛行模擬器和并聯(lián)結(jié)構(gòu)數(shù)控機(jī)床。例如：軍事領(lǐng)域中的潛艇、坦克駕駛運(yùn)動(dòng)模擬器，新一代戰(zhàn)斗機(jī)的矢量噴管、潛艇以及空間飛行器的對(duì)接裝置、姿態(tài)控制器等；生物醫(yī)學(xué)工程中的細(xì)胞操作機(jī)器人、可實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的注射和分割；微外科手術(shù)機(jī)器人；大型射電天文望遠(yuǎn)鏡的姿態(tài)調(diào)整裝置；混聯(lián)裝備等。

20世紀(jì)90年代以來(lái)，并聯(lián)機(jī)構(gòu)又用于轉(zhuǎn)位裝置，并開始用于數(shù)控機(jī)床，被認(rèn)為是“徹底改變了100多年來(lái)機(jī)床的結(jié)構(gòu)配置和運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，并將成為21世紀(jì)新一代機(jī)床的范例”[4]。

2 并聯(lián)機(jī)器人研究現(xiàn)狀

1994年，Giddings ＆Lewis公司在美國(guó)芝加哥IMTS’94博覽會(huì)上首次展出了Variax型并聯(lián)機(jī)床，這是機(jī)床結(jié)構(gòu)重大改革的里程碑，引起了世界各國(guó)機(jī)床研究單位和生產(chǎn)廠家的高度重視[5]。目前，國(guó)內(nèi)、外有許多公司和研究單位在研究并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)床。如美國(guó)的Hexel公司研制的Tornado并聯(lián)機(jī)床，Ingersoll公司研制的HOH-600型臥式布局的六桿并聯(lián)機(jī)床。

我國(guó)的并聯(lián)機(jī)床研究起步雖然較晚，但成效卻很顯著。關(guān)于并聯(lián)機(jī)器人的研究開發(fā)和應(yīng)用正日益廣泛，其中燕山大學(xué)是國(guó)內(nèi)最早研究并聯(lián)機(jī)器人的單位之一，1991年，燕山大學(xué)黃真教授研制出我國(guó)第一臺(tái)并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)器人樣機(jī)，并在此基礎(chǔ)上作了很多并聯(lián)機(jī)器人的理論研究；1994年研制出柔性鉸鏈并聯(lián)式六自由度機(jī)器人誤差補(bǔ)償器。清華大學(xué)也是國(guó)內(nèi)最早開始進(jìn)行并聯(lián)機(jī)床研究的單位之一，從1995年開始進(jìn)行并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)器人的研究，并于1997年12月25日與天津大學(xué)合作，共同開發(fā)出我國(guó)第一臺(tái)基于Stewart平臺(tái)機(jī)構(gòu)的大型鏜銑類并聯(lián)機(jī)床原型樣機(jī)VAMT1Y，其中部分理論成果填補(bǔ)了我國(guó)這項(xiàng)領(lǐng)域的空白。中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所研制出的五坐標(biāo)并聯(lián)機(jī)床，該機(jī)床正在中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)以對(duì)其性能做進(jìn)一步的評(píng)價(jià)[6]。東北大學(xué)研制的DSX5-70型三桿并聯(lián)機(jī)床是由三自由度的并聯(lián)機(jī)構(gòu)和兩自由度的串聯(lián)機(jī)構(gòu)混聯(lián)組成的五自由度并聯(lián)機(jī)床。

3 少自由度并聯(lián)機(jī)器人

少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)近年來(lái)成為國(guó)際機(jī)構(gòu)學(xué)和機(jī)器人領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。少自由度并聯(lián)機(jī)器人是指自由度數(shù)為三，四和五的并聯(lián)機(jī)器人，由于自由度較少，較六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用靈活、位置分析簡(jiǎn)單、控制算法簡(jiǎn)便，因此具有很好的應(yīng)用前景。

少自由度并聯(lián)機(jī)器人機(jī)型較少，目前已有的少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)主要是三自由度機(jī)構(gòu)，包括1988年clave[7]提出的Delta三自由度移動(dòng)機(jī)構(gòu)，Tsai[8]提出的幾種三維移動(dòng)機(jī)構(gòu)，Huang[9]討論的多種三自由度立方角臺(tái)機(jī)構(gòu)。并聯(lián)機(jī)器人的研究歷史已超過(guò)20年，但目前國(guó)際上已綜合出的較好的少自由度并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)只有上述的Delta和Tsai等五、六種。

三自由度并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)是并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)中的一個(gè)重要分支，是并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)中很有實(shí)用價(jià)值的一個(gè)種類，也是隨著并聯(lián)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的。這類機(jī)構(gòu)既不像簡(jiǎn)單的單自由度機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性是確定的，也不像六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)那樣可以完全按照需要任意給定。

Tricept并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為一種少自由度的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在并聯(lián)機(jī)床上的應(yīng)用已經(jīng)取得了巨大的成功。就可重構(gòu)和多功能而言，目前并聯(lián)機(jī)器人家族中最為成功的范例當(dāng)屬Neumann博士在1988年發(fā)明的Tricept混聯(lián)機(jī)械手模塊，該模塊原型（Tricept605）為一種帶有從動(dòng)支鏈的三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)與安裝在其動(dòng)平臺(tái)上的三自由度轉(zhuǎn)頭串接而成的六自由度混聯(lián)機(jī)械手，具有工作空間范圍大、剛度/重量比高、可重構(gòu)能力強(qiáng)，且可實(shí)現(xiàn)末端位置全閉環(huán)反饋等優(yōu)點(diǎn)。可重構(gòu)并聯(lián)裝備是為了適應(yīng)快速變化的市場(chǎng)需要而出現(xiàn)的現(xiàn)代制造裝備。這類制造裝備可以快速重構(gòu)為不同的并聯(lián)機(jī)器，以適應(yīng)不同的工作需要和工作環(huán)境。

目前，波音、大眾、通用、Ope1、Aicoa、英國(guó)航空航天公司以及美國(guó)別克汽車公司（中車）等國(guó)際著名飛機(jī)和汽車制造商均利用Tricept模塊多功能和可重構(gòu)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，構(gòu)建出各種裝備用于大型鋁結(jié)構(gòu)件和大型模具的高速加工、白車身激光焊接、發(fā)動(dòng)機(jī)和汽車部件總成裝配等（如圖2所示）。

圖2 Tricept機(jī)器人多種應(yīng)用

4 并聯(lián)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)研究

并聯(lián)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)研究包括機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型的建立、機(jī)構(gòu)受力分析、構(gòu)件慣性力計(jì)算、動(dòng)力平衡、動(dòng)力響應(yīng)等方面，他們?cè)诹杂啥炔⒙?lián)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與控制中起到非常重要的作用，是確定并聯(lián)機(jī)器人主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的基礎(chǔ)。

并聯(lián)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)及動(dòng)力學(xué)建模是并聯(lián)機(jī)器人研究的一個(gè)重要分支，其中動(dòng)力學(xué)是研究物體的運(yùn)動(dòng)和作用力之間的關(guān)系，動(dòng)力學(xué)模型是并聯(lián)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)控制的基礎(chǔ)，因而在研究中占有重要的地位。

并聯(lián)機(jī)器人，特別是少自由度并聯(lián)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)研究開展得相對(duì)較少，但所使用的研究方法卻比較多，幾乎涉及所有力學(xué)方面的原理。目前常用的建模方法主要有牛頓-歐拉（Newton-Euler）法，拉格朗日（Lagrange）法，凱恩方程（Kane）法，虛功原理法，高斯原理（Gauss）法等。

Fichter在忽略腿部慣量影響的情況下建立了Stewart平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)方程。Geng等對(duì)并聯(lián)機(jī)器人的幾何形狀和慣性擾動(dòng)作了簡(jiǎn)化假設(shè)，然后利用拉格朗日法建立了并聯(lián)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)方程，Ji考慮了腿部慣量對(duì)Stewart平臺(tái)的影響，建立了Stewart平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)方程。

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