少自由度并联机构探析

务ｌ　甸　似　少自由度并联机构探析　Ｌｏｗｅｒ－ｍｏｂｉｌｉｔｙ　ｐａｒａｌｌｅｌ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ　于振文，张亚杰　ＹＵ　Ｚｈｅｎ—ｗｅｎ．ＺＨＡＮＧ　Ｙａ－ｊｉｅ　（吉林农业科技学院，吉林１３２１０１）　摘要：并联机构是一种新型机构，具有传统串联机构无法比拟的优点，是串联机构的补充和扩展，它　以轻便灵活、工作空间大等优点受到广大专家学者的高度重视，对于机床技术和机器人技术　的发展具有重要推动作用。　关键词：并联机构；少自由度；动力学　中图分类号：ＴＨ１　３２　文献标识码：Ａ　文章编号：１　００９－０１　３４（２０１１）２（上）－００９６－０３　Ｄｏｉ：１　０．３９６９／Ｊ．ｉｓｓｎ．１　００９－０１　３４．２０１１．２（上）．３１　０引言　受工作载荷时变形小，结构紧凑，机构整体刚度　机器人是一种具有人体上肢的部分功能，工　大；　作程序固定的自动化装置。基于并联机器人的多　２）并联机器人不需要中间传动系统，因此　坐标数控机床研究已成为机器人研究领域以及机　作为操作终端的动平台质量小，运动起来自然灵　床制造领域的研究热点。ＩＩ前，国内外所推出的　活，且运动速度快；　各种并联机床大多数都是单纯利用并联机构原理　３）不论杆件尺寸大小，均具有较好的动态性　来构造机床。　能；　１并联机构的特点和应用　４）并联机构运动学正解复杂，反解却很容　易；而串联机构运动学正解容易，反解复杂；　并联机构，可以定义为动平台和定平台通过　５）并联机器人的各个分支机构采用直接驱　至少两个独立的运动链相连接，机构具有两个或　动，无中间环节的误差累积与及其放大，因而动　两个以上自由度，且以并联方式联系在一起来驱　平台的定位精度高。　动的一种闭环机构。１９６２年，罗马尼亚人Ｇｏｕｇｈ　目前，并联机构被广泛应用于航空工程、机　采用并联机构设计了一种六自由度的汽车轮胎　械制造、医疗器械、食品包装、电子等多个领　测试机。１９６５年，德国　域，典型的应用实例是飞行模拟器和并联结构数　Ｓｔｅｗａｒｔ　发明了六自由　控机床。例如：军事领域中的潜艇、坦克驾驶运　度并联机构，并作为飞　动模拟器，新一代战斗机的矢量喷管、潜艇以及　行模拟器用于对飞行员　空间飞行器的对接装置、姿态控制器等；生物医　的模拟训练。澳大利亚　学工程中的细胞操作机器人、可实现细胞的注射　著名机构学教授Ｈｕｎｔ　和分割；微外科手术机器人；大型射电天文望远　在ｌ９７８年提出将六自由　镜的姿态调整装置；混联装备等。　度的Ｓｔｅｗａｒｔ平台机构作　２Ｏ世纪９０年代以来，并联机构又用于转位装　图１　ｓｔｅｗａｎ并联机器人机构为机器人机构（如图１所　置，并开始用于数控机床，被认为是“彻底改变　示）。从此推动了并联机器人发展的步伐，从此　了１００多年来机床的结构配置和运动学原理，并将　并联机器人机构被广为关注，２Ｏ世纪９０年代后期　成为２１世纪新一代机床的范例”　。　成为机器人方面新的研究热点。虽然并联机构组　成的形式各不相同，但它们却具有相同的特点。　２并联机器人研究现状．　相对于串联机构，并联机构特点如下：　１９９４年，Ｇｉｄｄｉｎｇｓ＆Ｌｅｗｉｓ公司在美国芝加　１）并联机构具有桁架结构形式，每根杆件所　哥ＩＭＴＳ’９４博览会上首次展出了Ｖａｒｉａｘ型并联机　收稿日期：２０１０－１１－２５　作者简介：于振文（１９６３一），男，吉林农安人，副教授，学士，研究方向为机械设计。　［９６１　第３３卷第２期２０１１—２（上）　、Ｉ　匐　床，这是机床结构重大改革的里程碑，引起了世　界各国机床研究单位和生产厂家的高度重视　。目　前，国内、外有许多公司和研究单位在研究并联　机构机床。如美国的Ｈｅｘｅｌ公司研制的Ｔｏｒｎａｄｏ并联　机床，Ｉｎｇｅｒｓｏｌｌ公司研制的ＨＯＨ一６００型卧式布局的　六杆并联机床。　我国的并联机床研究起步虽然较晚，但成效　却很显著。关于并联机器人的研究开发和应用正　日益广泛，其中燕山大学是国内最早研究并联　机器人的单位之一，１９９１年，燕山大学黄真教授　研制出我国第一台并联机构机器人样机，并在此　基础上作了很多并联机器人的理论研究；１９９４年　研制出柔性铰链并联式六自由度机器人误差补偿　器。清华大学也是国内最早开始进行并联机床研　究的单位之一，从１９９５年开始进行并联机构机器　人的研究，并于１９９７年１２月２５日与天津大学合　作，共同开发出我国第一台基于Ｓｔｅｗａｒｔ平台机构　的大型镗铣类并联机床原型样机ＶＡＭＴ１Ｙ，其中　部分理论成果填补了我国这项领域的空白。中科　院沈阳自动化研究所研制出的五坐标并联机床，　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　。东北大学研制的　ＤＳＸ５—７０型三杆并联机床是由三自由度的并联机构　和两自由度的串联机构混联组成的五自由度并联　机床。　３少自由度并联机器人　少自由度并联机构近年未成为国际机构学和　机器人领域研究的热点。少自由度并联机器人是　指自由度数为三，四和五的并联机器人，由于自　由度较少，较六自由度并联机构结构简单，使用　灵活、位置分析简单、控制算法简便，因此具有　很好的应用前景。　少自由度并联机器人机型较少，目前已有　的少自由度并联机构主要是三自由度机构，包　括１９８８年ｃｌａｖｅ　提出的Ｄｅｌｔａ三自由度移动机构，　Ｔｓａｉ　提出的几种三维移动机构，Ｈｕａｎｇ　讨论的多　种三自由度立方角台机构。并联机器人的研究历　史已超过２０年，但目前国际上已综合出的较好的　少自由度并联机器人机构只有上述的Ｄｅｌｔａ和Ｔｓａｉ　等五、六种。　三自由度并联机器人机构是并联机器人机构　中的一个重要分支，是并联机器人机构中很有实　用价值的一个种类，也是随着并联机器人技术的　发展而发展起来的。这类机构既不像简单的单自　由度机构的运动性是确定的，也不像六自由度并　联机构运动那样可以完全按照需要任意给定。　Ｔｒｉｃｅｐｔ并联机构作为一种少自由度的并联机　构，在许多领域得到了广泛的应用，特别是在并　联机床上的应用已经取得了巨大的成功。就可重　构和多功能而言，目前并联机器人家族中最为成　功的范例当属Ｎｅｕｍａｎｎ博士在１９８８年发明的Ｔｒｉｃｅｐｔ　混联机械手模块，该模块原型（Ｔｒｉｃｅｐｔ６０５）为　一种带有从动支链的三自由度并联机构与安装在　其动平台上的三自由度转头串接而成的六自由度　混联机械手，具有工作空间范围大、刚度／重量比　高、可重构能力强，且可实现末端位置全闭环反　馈等优点。可重构并联装备是为了适应快速变化　的市场需要而出现的现代制造装备。这类制造装　备可以快速重构为不同的并联机器，以适应不同　的工作需要和工作环境。　目前，波音、大众、通用、Ｏｐｅｌ、Ａｉｃｏａ、英　国航空航天公司以及美国别克汽车公司（中车）　等国际著名飞机和汽车制造商均利用Ｔｒｉｃｅｐｔ模块　多功能和可重构性强的优点，构建出各种装备用　于大型铝结构件和大型模具的高速加工、白车身　激光焊接、发动机和汽车部件总成装配等（如图２　所示）。　（ａ）焊接机器人　（ｂ）装配机器人　图２　Ｔｒｉｃｅｐｔ机器人多种应用　４并联机器人动力学研究　并联机器人的动力学研究包括机构的动力学　模型的建立、机构受力分析、构件惯性力计算、　动力平衡、动力响应等方面，他们在六自由度并　联机器人的设计与控制中起到非常重要的作用，　第３３卷第２期２０１１－２（上）　［９７１　、ｌ　是确定并联机器人主要结构参数的基础。　并联机器人的动力学及动力学建模是并联机　器人研究的一个重要分支，其中动力学是研究物　勺　化　【１】ｖ．Ｅ．Ｇｏｕｇｈ，Ｓ．Ｇ．Ｗｈｉｔｅｈａｌ１．Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ　Ｔｙｒｅ　Ｔｅｓｔ　Ｍａｃｈｉｎｅ．　ＦＩＳＩＴＡ　Ｎｉｎｔｈ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｃｏｎｇｒｅｓｓ，１９６２：１　１７一　ｌ３７．　体的运动和作用力之间的关系，动力学模型是并　【２】Ｄ．Ｓｔｅｗａｒｔ．Ａ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｗｉｔｈ　ｓｉｘ　ｄｅｇｒｅｅｓ　ｏｆ　ｆｒｅｅｄｏｍ［Ｃ］．Ｐｒｏｃ—　ｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ｈｅｔ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ（Ｌｏｎｄ　ｏｎ），１９６５，１８０（１５）：３７１—３８６．　【３］Ｋ　Ｈ　Ｈｕｎｔ．Ｋｉｎｅｍａｔｉｃ　Ｇｅｏｍｅｔｒｙ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ［Ｍ］．Ｏｘｆｏｒｄ：　Ｏｘｆｏｒｄ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｐｒｅｓｓ，１９７８．　联机器人实现控制的基础，因而在研究中占有重　要的地位。　并联机器人，特别是少自由度并联机器人的　动力学研究开展得相对较少，但所使用的研究方　［４】张曙，Ｈｅｉｓｅｌ　Ｕ．并联运动机床．北京：机械工业出版社，２００３．　法却比较多，几乎涉及所有力学方面的原理。目　前常用的建模方法主要有牛顿一欧拉（Ｎｅｗｔｏｎ—Ｅｕｌｅｒ）　法，拉格朗日（Ｌａｇｒａｎｇｅ）法，凯思方程（Ｋａｎｅ）法，　【５】言川宣．机床结构的重大创新ＶＡＲＩＡＸ机床问世【Ｊ】．世界　制造技术与装备市场，１９９５，１：１６—１７．　【６】王奇志，谭民，等．一类县有对称结构并联机器人的工作　空间［ＪＪ．机器人（ＲＯＢＯＴ），２００１（４）：３２２—３２５．　【７］Ｃｌａｖｅｌ，Ｒ　Ｄｅｌｔａ．Ａ　ｆａｓｔ　ｒｏｂｏｔ　ｗｉｈ　ｔｐａｒａｌｌｅｌ　ｇｅｏｍｅｔｒｙ［Ｃ］．　）ｒ—　ｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ　ｏｎ　Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　Ｒｏｂｏｔｓ，１９８８：９１—１００．　虚功原理法，高斯原理（Ｇａｕｓｓ）法等。　Ｆｉｃｈｔｅｒ在忽略腿部惯量影响的情况下建立了　Ｓｔｅｗａｒｔ平台的动力学方程。Ｇｅｎｇ等对并联机器　人的几何形状和惯性扰动作了简化假设，然后利　用拉格朗日法建立了并联机器人的动力学方程，　【８】ＴｓａＬｕｎｇ　Ｗ　Ｉ．Ｔｈｅ　ｅｎｕｍｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａ　ｃｌａｓｓ　ｏｆ　ｔｈｒｅｅ－ｄｏｆ　ｐａｒａ—　ｌｌｅｌ　ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｓ【Ｊ】．Ｐｒｏｃ　ｏｆ　１０ｔｈ　ＩＦＴＯＭＭ　Ｃｏｎｆ，１９９９，　３：１１２３—１１２６．　Ｊｉ考虑了腿部惯量对Ｓｔｅｗａｒｔ平台的影响，建立了　Ｓｔｅｗａｒｔ平台的动力学方程。　【９】Ｈｕａｎｇ　Ｚ，Ｆａｎｇ　Ｙ　Ｆ．Ｋｉｎｅｍａｔｉｃａｌ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　３－ＤＯＦ　ｉｎ—ｐａｒａｌｌｅｌ　ａｃｔｕａｔｅｄ　ｐｙｒａｍｉｄ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ［Ｊ】．　Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ａｎｄ　Ｍａｃｈｉｎｅ　Ｔｈｅｏｒｙ，１９９６，３１（８）：１００９・１０１８．　参考文献：　地｛重‘　岛‘｛禹●妇．　量Ｉ　品‘｛是‘｛高‘　是　青岛‘　是Ｉ｛出Ｉ，ｊ南‘专岛Ｉ　是‘　出‘｛重Ｉ　盎‘　＆‘　如‘｛盘●｛矗Ｉ　矗●　【上接第８２页】　的创新的复杂性，整个开发过程可能会涵盖及　时甚至上百个分包企业的参与。如何防止这么多　的成员企业不会未经许可将知识用于别的产品或　将关键知识外泄给其它企业，尤其是竞争对手企　参考文献：　［１】Ｂｒａｄｙ．Ｔ，Ｔｏｏｌｓ，Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ｏｆＩｎｎｏｖａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｃｏｍｐｌｅｘ　Ｐｒ－　ｏｄｕｃｔ　Ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｒ】．Ｗｏｒｋｉｎｇ　Ｐａｐｅｒ　Ｐｒｅｐａｒｅｄ　ｆｏｒ　ＣＥＮＴＲＩＭ／ＳＰＲＵ　Ｐｒｏｊｅｃｔ　Ｏｎ　Ｃｏｍｐｌｅｘ　Ｐｒｏｄｕｃｔ　Ｓｙｓｔｅｍｓ／　ＥＰＳＲＣ，Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　Ｉｎｉｔｉａｔｉｖｅ，１９９５．　业，是知识流动管理中的难点和关键。对知识流　动管理的失败不仅会影响系统创新的效果，甚至　［２］Ａｎｄｒｅｗ　Ｄａｖｉｅｓ，ｔｈｅ　Ｌｉｆｅ　Ｃｙｃｌｅ　ｏｆ　ａ　Ｃｏｍｐｌｅｘ　Ｐｒｏｄｕｃｔ　Ｓｙｓｔ－　ｅｍ，Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ，１９９７，１　可能会导致集成开发商丧失竞争的优势地位。集　成开发商必须明确哪些知识可以共享，哪些知识　应该保密。成功的知识流动的前提是自身核心知　识的保护，以保证企业的核心能力和竞争优势。可　以采取合同回避等方法加强对知识流动的管理。　（３）：２２９—２５６．　【３】陈劲，等．复杂产品系统刨新的过程模型研究【Ｊ］．科研管　理，２ｏ０５，（２）：６１—６７　［４】霍艳芳，齐二石，等．基于虚拟组织的复杂产品系统集成开　发模式研究ｆＪ】．制造技术与机床，２００４，（９）：４６—４９．　［５】Ａｓｐｒｅｍｏｎｔ．Ｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅ　ａｎｄ　ｎｏｎ—ｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅ　Ｒ＆Ｄ　ｉｎ　ａ　４结　＿ｄｕｏｐｏｌｙ　ｗｉｔｈ　ｓｐｉｌｌｏｖｅｒｓ【Ｊ】．Ａｍｅｒｉｃａｎ　Ｅｃｏｎｏｍｉｃ　Ｒｅｖｉｅｗ，　　１９８８（７８）：１　１３３・ｌ　１３７．　【６］Ｍｏｈｒｍａｎ　Ｓ　Ａ，Ｆｉｎｅｇｏｌｄ　Ｄ，Ｍｏｈｒｍａｎ　Ｊｒ　Ａ．Ｍ．Ａｎ　ｅｍｐｉｉｃａｌｒ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ　ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎ　复杂产品系统柔性和动态的组织结构为知识　流动提供了渠道和动力。知识的流动能够最大限　度地发挥知识资源的优势。复杂产品系统的集成　开发商和各分包商为了拥有持久的竞争优势，必　须持续吸收和创造新知识。组织中各成员问的的　知识在流动和整合能给整个组织带来新的思维，　ｎｅｗ　ｐｒｏｄｕｃｔ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｆｉｒｍｓ［Ｊ】．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｅｎｇ　ＴｅｃｈｎｏｌＭａｎａｇｅ，２００３（２０）：７－３８．　［７】Ｅｌｉａｓ　Ｃ，Ｓｙｎｅｒｇｅｓ　Ｆ．Ｂｅｔｗｅｅｎ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　ｍａｎａｇｅｒｉａｌ　ａｎｄ　Ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎａｌ　ｃｏｇｎｉｔｉｏｎ：Ｔｈｅ　ｒｏｌｅ　ｏｆ　ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ［Ｊ］．Ｔｅｃｈｎｏｖａｔｉｏｎ，１９９９，１９（４）：２１９—　２３１．　有利于新知识、新技术的创造。知识流动能在系　统层面上激发创造的活力，使企业保持动态性和　竞争优势。　【９８】　第３３卷第２期２０１１－２（上）　［８】Ｐｏｌａｎｙｉ，Ｍ．Ｐｅｒｓｏｎａｌ　Ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ：Ｔｏｗａｒｄ　ａ　ｐｏｓｔ－ｃｒｉｔｉｃａｌ　ｐｈ—　ｉｌｏｓｏｐｈｙ，２ｓｌｅｄ［Ｍ】．Ｃｈｉｃａｇｏ：Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｃｈｉｃａｇｏ－　Ｐｒｅｓｓ，１９６２．