并聯(lián)機器人機構(gòu)及其在交通行業(yè)中的應(yīng)用

劉 曉

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

并聯(lián)機器人技術(shù)是一門興起于20世紀(jì)90年代的綜合性前沿學(xué)科，集傳感器技術(shù)、電子技術(shù)、機械設(shè)計、精密運動控制、系統(tǒng)工程技術(shù)等多項技術(shù)于一身，是以機械和控制工程為主體、多個學(xué)科有機結(jié)合的典型機電一體化裝置。由于其獨特的優(yōu)點，并聯(lián)機器人機構(gòu)吸引了國內(nèi)外學(xué)術(shù)界與工程界的廣泛關(guān)注，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造、航空航天、海洋工程以及軍事研究等領(lǐng)域中。

1 機器人構(gòu)型

機器人是工業(yè)自動化中最典型的機電一體化裝置，它由各種外部傳感器引導(dǎo)，并帶有一個或多個末端執(zhí)行器，通過運動控制卡或運動控制器在其工作空間內(nèi)對真實物體進行各種操作[1]。機器人核心組成部分為機構(gòu)，其是由兩個或兩個以上構(gòu)件通過各種運動副（移動副、轉(zhuǎn)動副、虎克鉸、球鉸）連接而成的機械裝置。

機構(gòu)根據(jù)運動鏈?zhǔn)欠耖]合，其構(gòu)型可分為串聯(lián)機構(gòu)和并聯(lián)機構(gòu)。串聯(lián)機構(gòu)是由若干單自由度基本構(gòu)件依次連接而成，每一個前置構(gòu)件的輸出運動是后置構(gòu)件的輸入，上述構(gòu)件構(gòu)成一個開鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，機構(gòu)簡圖如圖1a所示。相對于串聯(lián)機構(gòu)，并聯(lián)機構(gòu)可定義為運動平臺與固定平臺通過兩個或兩個以上運動鏈相連接，具有兩個或兩個以上自由度，且以并聯(lián)方式驅(qū)動的一類閉環(huán)機構(gòu)[2]，其機構(gòu)簡圖如圖1b所示。典型的并聯(lián)機器人機構(gòu)有STEWART機器人、DELTA機器人等。

并聯(lián)機構(gòu)和串聯(lián)機構(gòu)相比具有如下優(yōu)點[3]：

a）并聯(lián)機構(gòu)由多個并行運動支鏈構(gòu)成，剛度高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在相同結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)下，具有更大的承載能力。

b）并聯(lián)機構(gòu)不存在各關(guān)節(jié)誤差累積和放大作用，因此誤差小、工作精度高。

c）并聯(lián)機構(gòu)可將驅(qū)動系統(tǒng)布置于固定平臺上，最大限度地降低了系統(tǒng)負(fù)載，從而更好地滿足了系統(tǒng)的實時性要求。

d）機器人控制過程中需實時獲得機構(gòu)運動學(xué)反解，在空間運動學(xué)模型中，串聯(lián)機構(gòu)正解容易，反解非常困難；而并聯(lián)機構(gòu)正解困難，反解反而很容易。

基于上述分析，并聯(lián)機構(gòu)具有剛度高、承載力大、系統(tǒng)慣量小、運動精度高、易于實現(xiàn)大型化及空間多自由度耦合運動等優(yōu)點，因此近年來成為眾多科研所和企業(yè)的研究熱點。目前許多基于并聯(lián)機構(gòu)的機器人產(chǎn)品已經(jīng)被設(shè)計和開發(fā)出來，其應(yīng)用涉及諸多現(xiàn)代高、精、尖技術(shù)領(lǐng)域。

圖1 機器人機構(gòu)類型

2 并聯(lián)機構(gòu)概述

2.1 并聯(lián)機構(gòu)起源

并聯(lián)機構(gòu)構(gòu)想可追述到1813年，法國數(shù)學(xué)家Cauchy研究了一種“用關(guān)節(jié)連接的八面體”，最早提出了一些與并聯(lián)機構(gòu)相關(guān)的理論問題。由此開始各國學(xué)者對并聯(lián)機構(gòu)進行了廣泛研究并取得了一系列理論與應(yīng)用成果。

國內(nèi)燕山大學(xué)黃真教授于1991年研制出我國首臺六自由度并聯(lián)機器人樣機，并于1994年研制出具有柔性鉸鏈的并聯(lián)式六自由度機器人誤差補償器[2]。從20世紀(jì)90年代開始，我國相關(guān)高校和科研單位對并聯(lián)機構(gòu)進行了廣泛的研究。

2.2 并聯(lián)機構(gòu)分類

并聯(lián)機構(gòu)按執(zhí)行機構(gòu)形式可分為伸縮型、直動型、回轉(zhuǎn)型、繩牽引型等[4]，如圖2所示。伸縮型機構(gòu)具有運動學(xué)簡單、可動部件質(zhì)量大、運動空間小等特點，執(zhí)行單元等構(gòu)件隨機構(gòu)運動消耗部分驅(qū)動力，降低了運動平臺有效承載能力；直動型機構(gòu)具有可動部件質(zhì)量小、基礎(chǔ)構(gòu)造大、出力大等特點，執(zhí)行單元安置于固定平臺上，驅(qū)動力主要用于驅(qū)動平臺運動，尤其對于大型并聯(lián)機構(gòu)，執(zhí)行單元重量很大，將其布置于固定平臺可有效提高運動平臺承載能力；回轉(zhuǎn)型機構(gòu)具有速度快、可動部件重量小、出力小等特點，主要用于對承載力要求低、速度要求很高的工業(yè)機器人中；繩牽引型機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、工作空間大、極高負(fù)載/重量比、價格低廉、運動精度差等特點。

并聯(lián)機構(gòu)按末端執(zhí)行器運動自由度數(shù)目可分為二、三、四、五、六自由度機構(gòu)，其自由度數(shù)目表征了該機構(gòu)所能實現(xiàn)的空間運動軸數(shù)。國內(nèi)外機構(gòu)學(xué)研究者根據(jù)型綜合理論設(shè)計了許多具有不同自由度的并聯(lián)機構(gòu)，其中以三自由度和六自由度并聯(lián)機構(gòu)數(shù)量最多。而三自由度機構(gòu)又可分為三自由度轉(zhuǎn)動并聯(lián)機構(gòu)、三自由度移動并聯(lián)機構(gòu)、三自由度混聯(lián)機構(gòu)。并聯(lián)六自由度機構(gòu)可實現(xiàn)全空間自由活動，控制過程相對簡易，是目前應(yīng)用最廣的一類并聯(lián)機構(gòu)。

圖2 并聯(lián)機構(gòu)分類

另外，按照執(zhí)行器驅(qū)動方式并聯(lián)機構(gòu)又可分為液壓驅(qū)動、電動驅(qū)動、氣動驅(qū)動以及電—液混合驅(qū)動等，每種驅(qū)動方式都有其各自的優(yōu)缺點，因而各自適用承載范圍不同。

2.3 并聯(lián)機器人機構(gòu)學(xué)理論研究內(nèi)容

并聯(lián)機器人機構(gòu)學(xué)理論研究內(nèi)容豐富，主要集中于構(gòu)型綜合、運動學(xué)分析、動力學(xué)分析、工作空間分析、奇異性分析等。

a）構(gòu)型綜合，是并聯(lián)機器人機構(gòu)實際應(yīng)用的基礎(chǔ)性工作，具體包括機構(gòu)自由度和構(gòu)件數(shù)目計算、運動鉸鏈選取、運動副組合方式以及驅(qū)動副選擇等。通過構(gòu)型綜合，有利于創(chuàng)造和設(shè)計出符合應(yīng)用需求的高性能機器人機構(gòu)。

b）運動學(xué)分析，主要包括位姿分析、速度分析、加速度分析等。

c）動力學(xué)分析，主要是建立系統(tǒng)力與運動之間的映射關(guān)系。由于并聯(lián)機構(gòu)是一個復(fù)雜的機械多剛體動力學(xué)系統(tǒng)，因此其動力學(xué)模型通常為一個處于非慣性系環(huán)境中的多自由度、非線性、多參數(shù)耦合數(shù)學(xué)系統(tǒng)。動力學(xué)分析結(jié)果可直接應(yīng)用于機器人控制算法的編制，是機構(gòu)動力學(xué)特性分析、整機動態(tài)標(biāo)定和控制器參數(shù)整定的理論基礎(chǔ)。

d）工作空間分析，包括驅(qū)動空間、關(guān)節(jié)空間以及操作空間分析。工作空間大小表征了機器人運動性能的優(yōu)越性。

e）奇異性分析，主要研究機構(gòu)的奇異位形即機構(gòu)到達某個位形后，驅(qū)動副與運動平臺之間的運動、動力學(xué)映射關(guān)系遭到破壞，此時機構(gòu)處于不可控狀態(tài)。研究如何使機構(gòu)的運動避開奇異或近奇異位形，對并聯(lián)機器人的實際應(yīng)用具有重要意義。

除此之外，并聯(lián)機器人機構(gòu)學(xué)理論研究還包括誤差分析與補償、靈活度分析、剛度和柔度分析、整機參數(shù)標(biāo)定等。

2.4 并聯(lián)機器人典型應(yīng)用領(lǐng)域

隨著近30年來各國學(xué)者對并聯(lián)機器人技術(shù)的不斷改進和研究，空間并聯(lián)機構(gòu)在科學(xué)研究和工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[5]，其應(yīng)用領(lǐng)域主要有以下幾個方面：

a）運動模擬器領(lǐng)域 并聯(lián)機構(gòu)作為運動模擬器，可用于飛機、汽車、船舶的運動及模擬，具有經(jīng)濟、安全、不受場地和氣象條件限制、訓(xùn)練效率高等優(yōu)點。

b）并聯(lián)機床領(lǐng)域 并聯(lián)機器人與機床技術(shù)相結(jié)合，最突出的產(chǎn)品是數(shù)控加工中心，具有機構(gòu)簡單、傳動鏈短、切削效率高、模塊集成度高等特點。

c）空間對接領(lǐng)域 將并聯(lián)機器人作為飛船對接器的對接機構(gòu)，可實現(xiàn)主動抓取、對正連接、卡緊鎖合等一連串工作。此外，并聯(lián)機構(gòu)作為對接機構(gòu)還可應(yīng)用于設(shè)備裝配、假肢對接、潛艇救援等領(lǐng)域。

d）微操作機器人領(lǐng)域 隨著微納米技術(shù)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)成熟，大大促進了微動機器人技術(shù)的快速發(fā)展，并聯(lián)機構(gòu)已被應(yīng)用于細胞注射和分割、微機電產(chǎn)品加工和裝備、微外科手術(shù)等領(lǐng)域，具有無摩擦、無間隙、誤差累積小等特點。

除此之外，并聯(lián)機器人機構(gòu)還廣泛應(yīng)用于步行機、工業(yè)機器人、礦山開采設(shè)備、隧道挖掘盾構(gòu)、管道機器人等領(lǐng)域。

3 并聯(lián)機構(gòu)在交通行業(yè)中的應(yīng)用

3.1 車載式穩(wěn)定平臺

伴隨著大量公路、橋梁、隧道的建設(shè)和投入運營，與之配套的各類檢測車應(yīng)用而生。現(xiàn)有各類檢測車均是以非接觸式激光設(shè)備或數(shù)字相機為傳感器，對路面、橋梁、隧道各類病害進行采集與處理。上述傳感器能夠正常工作的前提是處于一個相對穩(wěn)定的工作環(huán)境。但是受路面顛簸、發(fā)動機振動等環(huán)境擾動，車輛運行過程中會產(chǎn)生俯仰、側(cè)傾、方位、進退、側(cè)移和升降等6個自由度運動。這種擾動給車輛上檢測設(shè)備的正常工作帶來嚴(yán)重影響，嚴(yán)重限制了檢測車作用的發(fā)揮。

穩(wěn)定平臺實現(xiàn)框圖如圖3所示，其作用是要通過一套在線檢測、實時伺服運動補償機構(gòu)來隔離這種擾動的影響，為激光傳感器、數(shù)字相機等車載設(shè)備提供一個相對穩(wěn)定的工作平臺。

但是目前主要通過在車載設(shè)備和車體之間布置隔振裝置來實現(xiàn)穩(wěn)定作用，采用這種方式只能隔離車體部分自由度的少量擾動，無法滿足高精度傳感器工作所需的多維穩(wěn)定要求。因此，設(shè)計研制能夠隔離車體多維搖蕩且能夠承受重載、具有大工作空間和高動態(tài)響應(yīng)的穩(wěn)定平臺對提高檢測車測量精度等多方面具有重要意義。

圖3 穩(wěn)定平臺實現(xiàn)框圖

3.2 輔機搖擺臺

輔機搖擺臺是以伺服電機或液壓缸作驅(qū)動，并聯(lián)機構(gòu)按照一定規(guī)律實現(xiàn)空間三維轉(zhuǎn)動和移動，用以模擬各類搖擺運動的一類機械仿真平臺。研制和運用輔機搖擺臺，就可以在實驗室中將車輛在路面中的搖擺姿態(tài)和運動真實地再現(xiàn)出來，通過各種路況模擬，將整車或設(shè)備儀器放在搖擺臺上進行實驗，減少路面實驗次數(shù)，這樣就降低了實驗成本和研究周期，如圖4所示。

圖4 車輛輔機搖擺臺

輔機搖擺臺是一種發(fā)展快、應(yīng)用廣、具有重大經(jīng)濟價值的試驗仿真設(shè)備，而我國在這一領(lǐng)域的設(shè)計、制造水平與西方發(fā)達國家相比還有相當(dāng)大的差距，因此研制性能優(yōu)良，且能滿足各方面需求的搖擺試驗臺，對提高我國的仿真技術(shù)水平具有重大的理論意義和實際應(yīng)用價值。

3.3 振動試驗臺

振動試驗臺主要用于各種建筑結(jié)構(gòu)模型和重要設(shè)備的抗振性能考核試驗。并聯(lián)機構(gòu)易于實現(xiàn)大型化及承受重載，因此是研發(fā)大型、重載振動試驗臺的理想機型。振動臺可以根據(jù)需要，借助人工振動波輸入，從而在某種特定的振動環(huán)境下對試驗對象進行結(jié)構(gòu)分析。通過觀察被實驗建筑結(jié)構(gòu)或設(shè)備的反應(yīng)，經(jīng)過相應(yīng)計算后，提供建立特種結(jié)構(gòu)力學(xué)模型的依據(jù)，以檢驗產(chǎn)品的抗振能力等。并聯(lián)式振動試驗臺是一個集激振系統(tǒng)、測試系統(tǒng)和分析系統(tǒng)于一體的完整的現(xiàn)代振動試驗系統(tǒng)。

3.4 工程機械設(shè)備

并聯(lián)機器人活動靈活、承載力大，因此還可應(yīng)用于從事橋梁檢測、隧道施工、路面搬運等作業(yè)的工程機械領(lǐng)域中，這些檢測或施工作業(yè)勞動強度大、工作人員所處環(huán)境危險。在關(guān)注和重視工程施工工業(yè)改進的同時，迫切需要研制和開發(fā)具有自動化的工程機械和設(shè)備，以改善操作人員工作條件和提高工作效率。由于并聯(lián)機構(gòu)具有可動自由度數(shù)目多、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、精度高、易于實現(xiàn)高速運動等優(yōu)點，因此，把并聯(lián)機器人技術(shù)引入上述工程機械設(shè)備中，組合創(chuàng)新之后的新產(chǎn)品所產(chǎn)生的功能和效益是大大優(yōu)于幾種產(chǎn)品的簡單疊加，在組合的過程中，整個設(shè)備已經(jīng)具備了新的性能和功能。

例如，隧道挖掘設(shè)備是隧道施工過程中最重要的機械設(shè)備，當(dāng)隧道曲線半徑相對較小時，傳統(tǒng)設(shè)備轉(zhuǎn)向較困難。為了使挖掘機構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)“自由”轉(zhuǎn)向，將并聯(lián)機構(gòu)應(yīng)用于隧道挖掘設(shè)備進給與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計中，機構(gòu)簡圖如圖5所示。進給與轉(zhuǎn)向機構(gòu)由基盤、頂盤、液壓缸及運動絞鏈構(gòu)成，其中基盤固定不動，而頂盤可以靈活地實現(xiàn)俯仰、側(cè)傾、方位、側(cè)移、進退、升降等動作。在液壓缸與基盤連接處使用虎克鉸連接，而頂盤采用球鉸連接，這樣保證了連接部分的靈活與穩(wěn)定。安裝有液壓缸的基盤固定在首個管片上，頂盤固定在刀盤上，通過控制系統(tǒng)控制6個液壓缸伸長和縮短，根據(jù)并聯(lián)機構(gòu)原理，不僅可以實現(xiàn)刀頭六自由度轉(zhuǎn)向，而且還可為刀頭的進給提供穩(wěn)定的動力。

圖5 進給與轉(zhuǎn)向機構(gòu)簡圖

4 結(jié)論

作為新興起的先進技術(shù)，并聯(lián)機構(gòu)具有承載能力強、精度高、響應(yīng)速度快、控制容易等一系列優(yōu)點，同時易于實現(xiàn)大型化和多軸耦合驅(qū)動，因此是研制面向應(yīng)用的智能交通設(shè)備的理想機構(gòu)學(xué)模型。近年來，隨著大量新機型的涌現(xiàn)和機構(gòu)學(xué)理論與應(yīng)用研究的深入與拓展，并聯(lián)機器人機構(gòu)正逐漸從研究走向?qū)嵱没哂袕V泛的應(yīng)用前景。