机器人机构设计中最重要的步骤之一是解决机构型综合的问题,机器人机构构型方法的研究具有十分重要的理论和实际意义,尤其是并联机器人的型综合方法一直以来都受到国内外许多研究学者的关注。在并联机器人机构的构型理论研究中,基于机构末端运动特征描述与机构需要完成的功能的简单有效的构型方法还缺乏系统的研究。
并联机器人机构构型方法研究
1-3-5基于集合的综合方法
高峰
[139]
使用复合铰链综合具有确定运动特征支链的方法综合了多种少自由度并联机构，并提出了
一种特殊的Plücker坐标，用于描述机构和支链的运动特征。在此基础上，宫金良、高峰
[140-142]
进的机器人机构构型分析方法，使用四种运动基（移动基、转动基、左螺旋基
定义并联机构中第j个分支总的自由度数为
j
C，则有下式成立
=1 =1
∑=∑
mg
j i
j i
C f (1.4)
将(1.4)代入(1.3)消去
i
f后得到
∑= +
m
j
j
C M d l (1.5)
对于分支运动链结构相同，且分支数等于机构自由度数的对称并联机构，又有以下条件成立
m = M且l = M−1 (1.6)
标记法、哈明数法、对称群理论、图论法等，这些理论研究积累了丰富的经验，综合并创新了多种机构
[77-83]
。到目前为止，已经形成了比较完善的平面机构构型理论和方法。
近年来，国内外机构型研究主要集中在并联机器人机构构型问题上。并联机构的结构属于空间多环
河北工业大学博士学位论文
11
度的非线性约束，才能确定动平台运动输出特性，而自由度的非线性约束增加了型综合的难度。
形统一描述基本运动副和串、并联机构末端执行器运动类型的理论框架。该方法可被认为是李群代数法
的完全推广，是一种一般性综合方法，可以综合包含李子群和子流形运动类型在内的所有并联机构。
1-3-4基于单开链（SOC）的综合方法
杨廷力等
[132-138]
提出基于单开链的并联机器人机构的构型方法，该方法的基本思想是以单开链支路
运动螺旋、约束螺旋、反螺旋和螺旋系线性相关性等概念，提出用约束力-反螺旋理论研究并联机构的
型综合方法。该方法通过在某一个特定位置使所有支链的约束力形成的子空间叠加之后等于理想运动在
该点切空间的补空间，从而使移动平台在该点附近能实现给定运动。黄真、赵铁石、李秦川等
[93-101]
给
出了少自由度并联机器人机构的型综合原理，在国际上首次综合出了国际权威认为不存在的具有连续运
i
M L。在{ }
gi
L确定后，§1-3机器人机构构型方法研究现状
机构的创新是机械设计中永恒的主题，人们要设计出新颖、合理、有用的并联机器人机构，不仅要
有丰富的实践经验，而且要熟悉机构的组成原理。机构是由运动副和构件按一定的方式连接而成的。机
构组成原理是机构类型研究的复杂而困难的问题
[75]
。机器人机构学是机器人科学的基础，很多空间机
而平面机构和球面机构的阶数为3。
(3)没有考虑冗余约束。
(4)无法给出综合出的分支运动链中各运动副间的相对几何关系和所有分支间的几何关系。
(5)无法判别得到的机构是否为瞬时机构。
1-3-2基于螺旋理论的综合方法
螺旋理论是空间机构学研究中非常重要的数学工具
[86-92]
。黄真、L. W. Tsai和C. M. Gosselin等基于
方法可以系统地解释一些人们所熟悉的并联机构运动。
此外，李秦川等
[125-127]
运用李群和李代数概念对三自由度移动并联机构以及3R2T型五自由度机构
的型综合进行了系统的分析，综合出数种三自由度移动并联机构和3R2T型五自由度并联机构；并进一
步提出基于李群的位移流形综合理论，综合出多种少自由度并联机构。Angeles
的准确描述上，在机构的构型理论研究中，机构需要完成的“任务空间”基本功能特性与类型的数学描
述与其算法的简单有效的机构构型原理还缺乏系统的研究。
机器人机构的功能与机器人的机构拓扑构型间存在着非常重要的关系，机器人构型的分析与综合就
是要寻求机构构型与机器人末端性能间的一种映射关系，显然，找到这种映射关系并对其进行描述对机
的运动生成的位移子群为{ }
g
M，机构中第i个分支运动链生成的位移子群为{ }
gi
L。把分支中所有运动
副都看成是单自由度运动副的组合，则{ }
gi
L是这些单自由度运动副生成的位移子群的积。型综合的问
题就可以归结为已知{ }
g
M，寻求未知的{ }
gi
L及相应几何条件，使之保证
1
{ } { }
=
=∩
n
g gi
动的五自由度对称并联机构。赵铁石等
[102-104]
进一步提出约束螺旋综合理论的思路、少自由度并联机构
型综合的螺旋法以及输入选择原理，并综合出分支中不含闭环子链的三移一转四自由度4-URU并联机
构。于靖军、赵铁石
[105]
等人应用螺旋理论系统研究了三维平动并联机构型综合方法。Kong和
Gosselin
P副，综合出了29种新型三平移并联机构，50种新型三平移一转动并联机构和49种新型三平移两转
动并联机构。
基于单开链的综合方法将机构的综合分为两个部分，一是运动输出特征矩阵的求交，另一个是自由
度的非线性约束。方位特征矩阵的交运算是动平台运动输出的必要条件，只有同时考虑线性运算和自由河北工业大学博士学位论文
由以上分析可知，上述构型理论统一的观点认为，机器人机构的型综合是指在给定机构的期望自由
度条件下，寻求机构的具体结构，包括运动副在空间的布置和所有分支运动链的布置，运动副的数目、
支链的数目等。然而，随着各种新型机器人机构的大量涌现，仅仅用自由度来描述所要构型的机器人机
构就显得很不全面。因此，机器人机构的构型理论首先要建立在对其末端运动特征和末端运动约束特征
g为运动副数；
i
f为第i个运动副的自由度数。
当给定机构的自由度数M后，根据(1.1)寻求机构的每个分支运动链的运动副数。并联机构属于空
间多环机构，其独立环路数l可以由下式给出
l = g−n +1 (1.2)
该式即为著名的欧拉环路公式。将上式带入(1.1)中，可得到
=1
∑= +
g
i
i
f M d l (1.3)
[85]
，例如，
两移动三转动2T3R、三移动两转动3T2R、一移动三转动1T3R、两移动两转动2T2R、一移动两转动
1T2R和两移动一转动2T1R均无对应的位移子群。
李泽湘等
[129-131]
运用李群和李代数对少自由度并联机构的综合和分析建立一套严格准确的几何理
论，并提出了微分几何综合法，通过同时研究SE(3)的代数和微分几何性质，提供了一个用李群和子流
由于运动螺旋和力螺旋本身都是瞬时的，它们只能描述物体瞬时状态下的运动和约束，所以约束综
合法本质上属于瞬时范畴，需要对其得到的机构进行非瞬时性的判别。
1-3-3基于群论和微分几何的综合方法
目前，李群和李代数理论也广泛的应用于机构的运动分析、机器人分析和控制方面。位移子群综合
法的基本思想是并联机构动平台运动生成的位移子群是所有分支运动生成的运动子群的交集，记动平台
器人机构构型的分析与研究将提供崭新的思路，同时坐标系的概念也将不复存在。基于此，本文在文献
[140-142]的基础之上，进一步研究基于G
F
集的并联机器人机构构型方法，利用该方法研究各类并联机
器人机构的型综合，该方法的提出为机构构型研究提供了一种新的思路，对并联机构构型方法具有一定
的指导作用。该构型方法的研究不仅有助于对现有机构的综合与分析，而且对发现新机构形式起着一定
[106-110]
基于螺旋理论研究了三自由度球面并联机构、三自由度移动并联机构、三移一转四自由
度并联机构和五自由度并联机构的型综合。方跃法和Tsai
[111-112]
运用反螺旋理论综合出一类三自由度球
面并联机构，并描述了动平台具有球面运动的几何条件；并综合出一类由相同支链构成的四自由度和五
自由度并联机构。
8
多自由度机构，其构型综合是一个非常具有挑战性的难题。目前国内外主要有5种并联机构的型综合研
究方法，即：基于机构的结构公式的构型方法、基于螺旋理论的综合方法、基于群论和微分几何的综合
方法、基于单开链的型综合方法以及基于集合的综合方法。
1-3-1基于机构的结构公式的构型方法
基于机构的结构公式（即自由度计算公式）的构型方法是比较传统的一种并联机构的型综合方法。
的指导作用，为机械创新提供了一个很方便的手段，并且对少自由度并联微动机器人、多维力与力矩传
感器、仿生机器人、并联机床等高科技产品的研究和开发具有重要的意义。1-4-2研究内容
本文研究一种并联机器人机构构型新方法，即基于G
F
集的并联机器人机构构型方法，利用该方法
[128]
运用群的理论提出了
构造并联机构的II型、II
2
型、II
3
型铰链。
位移子群综合法的优点在于可以给出具有确定几何关系的分支运动链以及用多个分支运动链构造
并联机构时的几何条件，而且位移子群代表的是连续运动，得到的机构都是非瞬时机构。然而，刚体的
大多数运动并不具有群的代数结构，这种方法“由于必须保持群的代数结构而应用有限”
构及机械领域问题的发展都有赖于空间机构分析问题的解决
[76]
。在机器人机构设计中最重要的步骤之
一就是解决机构型综合的问题。机构型综合主要研究的内容为机构需要完成的“任务空间”基本功能特