混聯(lián)機(jī)器人的類型及其分析

楊喜飛

摘 要：機(jī)械自動(dòng)化和智能化的高速發(fā)展，極大的促進(jìn)了機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展，一方面既是對傳統(tǒng)的機(jī)器人結(jié)構(gòu)等方面提出了更高的要求，另一方面也急需適應(yīng)性更好的具備新型結(jié)構(gòu)的機(jī)器人出現(xiàn)，而混聯(lián)機(jī)器人，結(jié)合了串聯(lián)機(jī)器人和并聯(lián)機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)，成為了機(jī)器人發(fā)展的熱點(diǎn)方向，文章將對混聯(lián)機(jī)器人的類型進(jìn)行介紹和分析。

關(guān)鍵詞：混聯(lián)機(jī)器人；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；類型

前言

自機(jī)器人出現(xiàn)以來，隨著科技的進(jìn)步，其發(fā)展逐漸呈現(xiàn)兩個(gè)特點(diǎn)：一是機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，機(jī)器人的種類日趨增多，正從傳統(tǒng)的制造領(lǐng)域向人類工作和生活的各種社會(huì)領(lǐng)域擴(kuò)展；另一方面是在縱向上隨著需求范圍的擴(kuò)大，機(jī)器人結(jié)構(gòu)和形態(tài)多樣化，高端系統(tǒng)呈現(xiàn)明顯的仿生和智能特征，性能不斷提高，功能不斷擴(kuò)展和完善[1]。然而，不論機(jī)器人在上述兩個(gè)特點(diǎn)的哪方面具備突出性，都不可避免的面臨一個(gè)機(jī)器人設(shè)計(jì)的基本問題：機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[2]。從機(jī)器人開始出現(xiàn)發(fā)展到現(xiàn)在，先后出現(xiàn)了三類典型的機(jī)器人結(jié)構(gòu)：串聯(lián)機(jī)器人、并聯(lián)機(jī)器人和混聯(lián)機(jī)器人。串聯(lián)機(jī)器人具有易于正向運(yùn)動(dòng)學(xué)求解、運(yùn)動(dòng)空間大、控制簡單，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，是工業(yè)機(jī)器人的主要形式；并聯(lián)機(jī)構(gòu)和串聯(lián)機(jī)構(gòu)相比，整體剛度大，承載能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡單，但其控制復(fù)雜，尤其是涉及不同運(yùn)動(dòng)副支鏈時(shí)，其運(yùn)動(dòng)解耦性較差。而混聯(lián)機(jī)器人將串聯(lián)機(jī)器人和并聯(lián)機(jī)器的人結(jié)合起來，屬于一種機(jī)構(gòu)上的折中，擴(kuò)大了機(jī)器人的應(yīng)用范圍。因此，在結(jié)構(gòu)方面對混聯(lián)機(jī)器人進(jìn)行分類和分析，對于混聯(lián)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重大意義。

1 混聯(lián)機(jī)器人的分類

混聯(lián)機(jī)器人在結(jié)構(gòu)上常有三種形式[3]：（1）并聯(lián)機(jī)構(gòu)通過其他機(jī)構(gòu)串聯(lián)而成；（2）并聯(lián)機(jī)構(gòu)直接串聯(lián)在一起；（3）在并聯(lián)機(jī)構(gòu)的支鏈中采用不同的結(jié)構(gòu)。

1.1 并聯(lián)機(jī)構(gòu)通過其他機(jī)構(gòu)串聯(lián)而成

此類混聯(lián)機(jī)器人在基于在串聯(lián)機(jī)構(gòu)的某個(gè)關(guān)節(jié)或桿件以并聯(lián)機(jī)構(gòu)替換，例如在傳統(tǒng)的串聯(lián)機(jī)器人的基座端或執(zhí)行端或中部關(guān)節(jié)插入具備相應(yīng)自由度的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，如圖1-2；或者在并聯(lián)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上串聯(lián)其他運(yùn)動(dòng)副而產(chǎn)生的，例如在并聯(lián)機(jī)構(gòu)的靜平臺(tái)端或動(dòng)平臺(tái)端串接其他移動(dòng)副或轉(zhuǎn)動(dòng)副，如圖3。此類混聯(lián)機(jī)器人屬于最常見的。

這類的混聯(lián)機(jī)器人，在設(shè)計(jì)時(shí)，往往僅需要考慮自由度的簡單組合，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對簡單，具有較好的運(yùn)動(dòng)可控制性，屬于對串聯(lián)機(jī)構(gòu)和并聯(lián)機(jī)構(gòu)相應(yīng)性能的簡單疊加。在并聯(lián)機(jī)構(gòu)出現(xiàn)的地方即體現(xiàn)出并聯(lián)機(jī)構(gòu)的優(yōu)勢和特點(diǎn)，而不影響其余串聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)與控制。控制策略也大多采用將并聯(lián)機(jī)構(gòu)和串聯(lián)機(jī)構(gòu)分開控制后經(jīng)控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制，具有十分廣泛的適應(yīng)性，能夠滿足大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求。這類混聯(lián)機(jī)器人的設(shè)計(jì)更傾向于串聯(lián)機(jī)器人的設(shè)計(jì)理念，被串聯(lián)進(jìn)來的并聯(lián)機(jī)構(gòu)大都是用來進(jìn)行功能的局部強(qiáng)化，如為了獲得局部更好的剛度和承載能力。整個(gè)機(jī)器人的串聯(lián)部分和并聯(lián)部分不存在運(yùn)動(dòng)耦合的問題，運(yùn)動(dòng)求解簡單。

1.2 并聯(lián)機(jī)構(gòu)直接串聯(lián)在一起

這類混聯(lián)機(jī)器人是將多個(gè)并聯(lián)機(jī)構(gòu)以串聯(lián)機(jī)器人的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，例如將具有多個(gè)自由度的相同或不同自由度的并聯(lián)機(jī)構(gòu)通過轉(zhuǎn)動(dòng)副或移動(dòng)副等其他運(yùn)動(dòng)副的形式串聯(lián)在一起，如圖4-5。此類機(jī)器人往往用于構(gòu)造柔性機(jī)器人。這類的混聯(lián)機(jī)器人，在設(shè)計(jì)時(shí)，雖然多是由并聯(lián)機(jī)構(gòu)構(gòu)成，然而，仍然是以串聯(lián)機(jī)器人的設(shè)計(jì)思路為主考慮，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并不復(fù)雜，具有較好的運(yùn)動(dòng)可控制性。在串聯(lián)機(jī)構(gòu)地方才體現(xiàn)出串聯(lián)機(jī)構(gòu)的優(yōu)勢和特點(diǎn)（如運(yùn)動(dòng)空間大，工作范圍廣）而不影響其余串聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)與控制。控制策略也大多采用將多個(gè)并聯(lián)機(jī)構(gòu)分開控制后經(jīng)控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)后依照串聯(lián)機(jī)器人進(jìn)行控制。由于其仍然是以串聯(lián)機(jī)器人的設(shè)計(jì)思路為主考慮，整個(gè)機(jī)器人的串聯(lián)部分和并聯(lián)部分不存在運(yùn)動(dòng)耦合的問題，整體的運(yùn)動(dòng)求解簡單。但同時(shí)，由于混聯(lián)機(jī)器人中串聯(lián)了多個(gè)并聯(lián)機(jī)構(gòu)，而并聯(lián)機(jī)構(gòu)的控制相對復(fù)雜，尤其是當(dāng)混聯(lián)機(jī)器人中串聯(lián)了多個(gè)結(jié)構(gòu)、自由度完全不相通的并聯(lián)機(jī)構(gòu)時(shí)，其包含的并聯(lián)機(jī)構(gòu)本身的控制求解就比較復(fù)雜，使得整個(gè)混聯(lián)機(jī)器人的協(xié)同控制也較第一種混聯(lián)機(jī)器人復(fù)雜。

1.3 在并聯(lián)機(jī)構(gòu)的支鏈中采用不同的結(jié)構(gòu)

這類混聯(lián)機(jī)器人是對并聯(lián)機(jī)構(gòu)的支鏈進(jìn)行變形，尤其是替換或嵌入其他的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，例如將具有多個(gè)自由度的相同或不同自由度的并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為并聯(lián)機(jī)器人的某一個(gè)或多個(gè)支鏈。圖6，或者在并聯(lián)機(jī)構(gòu)中又嵌入了其他并聯(lián)機(jī)構(gòu)構(gòu)成一個(gè)復(fù)雜的并聯(lián)機(jī)構(gòu)加并聯(lián)機(jī)構(gòu)的混聯(lián)系統(tǒng)，如圖7。此類機(jī)器人多用于高運(yùn)動(dòng)精度的場合。這類的混聯(lián)機(jī)器人，在設(shè)計(jì)時(shí)，以并聯(lián)機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，屬于對并聯(lián)機(jī)的補(bǔ)償和優(yōu)化。在整個(gè)混聯(lián)機(jī)器人中已經(jīng)難以看到串聯(lián)機(jī)器人的影子，多是并聯(lián)機(jī)構(gòu)相互并聯(lián)構(gòu)成。其控制策略也復(fù)雜多樣，更傾向于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的控制，因此，也有人將這類由并聯(lián)機(jī)構(gòu)相互并聯(lián)構(gòu)成混聯(lián)機(jī)器人仍作為并聯(lián)機(jī)構(gòu)來看待。由于是以并聯(lián)機(jī)器人的設(shè)計(jì)思路為主考慮，整個(gè)機(jī)器人的并聯(lián)部分存在較多的運(yùn)動(dòng)耦合的問題，整體的運(yùn)動(dòng)求解復(fù)雜。同時(shí)，被作為附加機(jī)構(gòu)添加進(jìn)來的并聯(lián)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)、位置對于整個(gè)系統(tǒng)的耦合性等存在重要影響，使得整個(gè)混聯(lián)機(jī)器人的控制也較前面兩種混聯(lián)機(jī)器人復(fù)雜。

2 混聯(lián)機(jī)器人的發(fā)展前景

由于混聯(lián)機(jī)器人集合了串聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)空間大，正向運(yùn)動(dòng)學(xué)容易求解以及并聯(lián)機(jī)器人剛度大、承載能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，其發(fā)展和應(yīng)用具有廣大的前景，然而，由于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的存在，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)對運(yùn)動(dòng)解耦性的考慮是不能避免的，因此，如何合理設(shè)置并聯(lián)機(jī)構(gòu)成為混聯(lián)機(jī)器人的一個(gè)重要的研究方向。另外，混聯(lián)機(jī)器人往往隨著并聯(lián)機(jī)構(gòu)的加入而具備了微動(dòng)而高精度的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，其在高精度要求的機(jī)械加工領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。

3 結(jié)束語

文章工作為混聯(lián)機(jī)器人類型進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，為其設(shè)計(jì)選用提供了理論基礎(chǔ)，同時(shí)對混聯(lián)機(jī)器人的控制策略的選用具有一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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