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少自由度并联机构探析

Ｌｏｗｅｒ－ｍｏｂｉｌｉｔｙｐａｒａｌｌｅＩｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ

于振文，张亚杰

ＹＵＺｈｅｎ．ｗｅｎ．ＺＨＡＮＧＹａ－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；动力学中圈分类号：ＴＨｌ３２文献标识码：Ａ文童编号：１００９—０１３４（２０１１）２（上）一００９６－０３Ｄｏｉ：１０．３９６９／Ｊ．Ｉｓｓｒｌ．１００９－０１３４．２０１１．２（Ｅ）．３１

０引言

机器人是一种具有人体上肢的部分功能，工

作程序固定的自动化装置。基于并联机器人的多

坐标数控机床研究已成为机器人研究领域以及机

床制造领域的研究热点。目前，国内外所推出的

各种并联机床大多数都是单纯利用并联机构原理

来构造机床。

１并联机构的特点和应用

并联机构，可以定义为动平台和定平台通过

至少两个独立的运动链相连接，机构具有两个或

两个以上自由度，且以并联方式联系在一起来驱

动的一种闭环机构。１９６２年，罗马尼亚人Ｇｏｕｇｈ“ｏ采用并联机构设计了一种六自由度的汽车轮胎

测试机。１９６５年，德国

Ｓｔｅｗａｒｔｌ２１发明了六自由

度并联机构，并作为飞

行模拟器用于对飞行员

的模拟训练。澳大利亚

著名机构学教授Ｈｕｎｔ¨ｏ在１９７８年提出将六自由

度的Ｓｔｅｗａｒｔ平台机构作图１ｓｔｅｗａｎ并联机器人机构为机器人机构（如图ｌ所

示）。从此推动了并联机器人发展的步伐，从此

并联机器人机构被广为关注，２０世纪９０年代后期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。

相对于串联机构，并联机构特点如下：

１）并联机构具有桁架结构形式，每根杆件所受工作载荷时变形小，结构紧凑，机构整体刚度

大；

２）并联机器人不需要中间传动系统，因此

作为操作终端的动平台质量小，运动起来自然灵

活，且运动速度快；

３）不论杆件尺寸大小，均具有较好的动态性

能；

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；

５）并联机器人的各个分支机构采用直接驱

动，无中间环节的误差累积与及其放大，因而动

平台的定位精度高。

目前，并联机构被广泛应用于航空工程、机

械制造、医疗器械、食品包装、电子等多个领域，典型的应用实例是飞行模拟器和并联结构数

控机床。例如：军事领域中的潜艇、坦克驾驶运

动模拟器，新一代战斗机的矢量喷管、潜艇以及

空间飞行器的对接装置、姿态控制器等；生物医

学工程中的细胞操作机器人、可实现细胞的注射

和分割；微外科手术机器人；大型射电天文望远

镜的姿态调整装置；混联装备等。

２０世纪９０年代以来，并联机构又用于转位装置，并开始用于数控机床，被认为是“彻底改变

了１００多年来机床的结构配置和运动学原理，并将

成为２ｌ世纪新一代机床的范例”Ｈ’。

２并联机器人研究现状

１９９４年，Ｇｉｄｄｉｎｇｓ＆Ｌｅｗｉｓ公司在美国芝加哥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－），男，吉林农安人，副教授，学士，研究方向为机械设计。

【９６】

第３３卷第２期２０１１－２（上）

万方数据床．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－６００型卧式布局的

六轩井联机床。

我国的并联机床研究起步虽然较晚，但成效

却报显著。关于并联机器＾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井联

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，井在此

基础上作了很多井联机器人的理论研究；１９９４年

研制出秉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，井于１９９７年１２月２５日与天津大学台

作．共同开发出我国第一台基于Ｓｔｅｗａｒｔ平台机构

的大型镗铣粪并联机床原型样机ＶＡＭＴＩＹ，其中

部分理论成果填朴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，

谈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来成为国际机构学和

机器＾领域研究的热点。少自由度井联机器人是

指自由度数为三，四和五的并联机器人，由于自

由度较少．较六自由度井联机构结构简单，使用

灵活，位置分析简单、控制算法简便，因此具有

根好的应用前景。

少自由度并联机器人机型较少．日前已有

的少自由麈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．

Ｔｓａｉｌｓ］提出的几种三维移动机构，ＨｕａｎｇＩ。ｊ讨论的多

种三自由度立方角台机构。井联机器人的研究历

史已超过２０午．但目前国际上已综台出的较好的

少自由度并联机器人机构只有上述的Ｄｅｌｔａ和Ｔｓａｉ

等五，六种。

三自由度井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＾机构中根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．也不像六自由度井

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井联机

构，在许多领域得到了广泛的直用，特刖是在井

联机床上的应用巳经取得了巨大的成功。就可重

构和多功能而吉，目前井眭机器人家族中最为成

功的范倒当辑Ｎｅｕｍａｒｍ博士在１９８８年发明的Ｔｆｉｃｅｐｔ

混联机械手模块．谖模块原型（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，且可实现末端位置垒闭环反

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，渡音、大众，通用、Ｏｐｅｌ、Ａｌｃｏａ、英

国航空航天公司以及美国别克汽车营司（中车）

等国际著名飞机和汽车制造商均利用Ｔｆｉｃｅｐｔ攥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）。

（”焊接机器人Ｏ）鞋配机器＾

圈２Ｔｎｃｅｐ吼器＾多种直用

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．他们在六自由度井

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）

［０７１

万方数据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

体的运动和作用力之间的关系，动力学模型是并

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

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，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，

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。

参考文献：【１］Ｖ．Ｅ，Ｇｏｕｇｈ，Ｓ．Ｇ．Ｗｈｉｔｅｈａｌｌ．ＵｎｉｖｅｒｓａｌＴｙｒｅＴｅｓｔＭａｃｈｉｎｅ．ＦＩＳＩＴＡＮｉｎｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＴｅｃｈｎｉｃａｌＣｏｎｇｒｅｓｓ，１９６２：１１７—１３７．【２］Ｄ．Ｓｔｅｗａｒｔ．Ａｐｌａｔｆｏｒｍｗｉｔｈｓｉｘｄｅｇｒｅｅｓｏｆｆｒｅｅｄｏｍ［Ｃ］．Ｐｒｏｃ—

ｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅＩｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ（Ｌｏｎｄｏｎ），１９６５，１８０（１５）：３７１－３８６．［３】ＫＨＨｕｎｔ．ＫｉｎｅｍａｔｉｃＧｅｏｍｅｔｒｙｏｆＭｅｃｈａｎｉｓｍｓ［Ｍ］．Ｏｘｆｏｒｄ：ＯｘｆｏｒｄＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＰｒｅｓｓ，１９７８．［４】张曙，ＨｅｉｓｅｌＵ．并联运动机床．北京：机械工业出版社，２００３．【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【Ｊ】．机器人（ＲＯＢＯＴ），２００１（４）：３２２—３２５．［７】Ｃｌａｖｅｌ，ＲＤｅｌｔａ．Ａｆａｓｔｒｏｂｏｔｗｉｔｈｐａｒａｌｌｅｌｇｅｏｍｅ时［Ｃ］．＃Ｐｒ—

ｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｙｍｐｏｓｉｕｍｏｎＩｎｄｕｓｔｒｉａｌ

Ｒｏｂｏｔｓ，１９８８：９１—１００．［８】ＴｓａＬｕｎｇＷＩ．Ｔｈｅｅｎｕｍｅｒａｔｉｏｎｏｆａｃｌａｓｓｏｆｔｈｒｅｅ—ｄｏｆｐａｒａ·ｌｌｅｌｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｓ［Ｊ］．ＰｒｏｃｏｆｌＯｔｈＩＦＴＯＭＭＣｏｎｆ，１９９９，３：１１２３．１１２６．［９】ＨｕａｎｇＺ，ＦａｎｇＹＦ．Ｋｉｎｅｍａｔｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎａｌｙｓｉｓｏｆ３－ＤＯＦｉｎ—ｐａｒａｌｌｅｌａｃｔｕａｔｅｄｐｙｒａｍｉｄｍｅｃｈａｎｉｓｍ［Ｊ】．ＭｅｃｈａｎｉｓｍａｎｄＭａｃｈｉｎｅＴｈｅｏｒｙ，１９９６，３ｌ（８）：１００９·１０１８．

●曼－●矗●●童●｛矗·｛蠡·●矗●●童●ｊ矗●ｊ囊●｛蠢●ｊ囊●ｊ矗－ｊ蠡●｛蠡●｛生●÷点●●ｋ｛蠡·｛缸ｊｋ｛童●｛蠡÷｛矗．ｒ●ｋ

ＬＬ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

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。

４缟诊呷”¨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。组织中各成员间的的

知识在流动和整合能给整个组织带来新的思维，

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。

［０８１第３３卷第２期２０１１—２（上）参考文献：

［１】Ｂｒａｄｙ．Ｔ，Ｔｏｏｌｓ，ＭａｎａｇｅｍｅｎｔｏｆＩｎｎｏｖａｔｉｏｎａｎｄＣｏｍｐｌｅｘＰｒ—ｏｄｕｃｔＳｙｓｔｅｍｓ【Ｒ］．ＷｏｒｋｉｎｇＰａｐｅｒＰｒｅｐａｒｅｄｆｏｒＣＥＮＴＲＩＭ／ＳＰＲＵＰｒｏｊｅｃｔｏｎＣｏｍｐｌｅｘＰｒｏｄｕｃｔＳｙｓｔｅｍｓ／ＥＰＳＲＣ，ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＭａｎａｇｅｍｅｎｔＩｎｉｔｉａｔｉｖｅ，１９９５．【２］ＡｎｄｒｅｗＤａｖｉｅｓ，ｔｈｅＬｉｆｅＣｙｃｌｅｏｆＣｏｍｐｌｅｘＰｒｏｄｕｃｔＳｙｓｔ·ｅｍ，ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＩｎｎｏｖａｔｉｏｎＭａｎａｇｅｍｅｎｔ，１９９７，１（３）：２２９—２５６．【３］陈劲，等．复杂产品系统创新的过程模型研究【Ｊ］．科研管理，２００５，（２）：６１－６７【４］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【Ｊ】．制造技术与机床，２００４，（９）：４６—４９．【５］Ａｓｐｒｅｍｏｎｔ．Ｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅａｎｄｎｏｎ－ｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅＲ＆Ｄｉｎａｄｕｏｐｏｌｙｗｉｔｈｓｐｉｌｌｏｖｅｒｓ［Ｊ１．ＡｍｅｒｉｃａｎＥｃｏｎｏｍｉｃＲｅｖｉｅｗ，１９８８（７８）：１１３３－１１３７．ｆ６］ＭｏｈｒｍａｎＳＡ，ＦｉｎｅｇｏｌｄＤ，ＭｏｈｒｍａｎＪｒＡ．Ｍ．Ａｎｅｍｐｉｒｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎｋｎｏｗｌｅｄｇｅｓｙｓｔｅｍｉｎｎｅｗｐｒｏｄｕｃｔｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｆｉｒｍｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｎｇＴｅｃｈｎｏｌＭａｎａｇｅ，２００３（２０）：７—３８．【７】ＥｌｉａｓＣ，ＳｙｎｅｒｇｅｓＦ．Ｂｅｔｗｅｅｎｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｍａｎａｇｅｒｉａｌａｎｄｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎａｌｃｏｇｎｉｔｉｏｎ：Ｔｈｅｒｏｌｅｏｆｋｎｏｗｌｅｄｇｅｍａｎａｇｅｍｅｎｔ［Ｊ］．Ｔｅｃｈｎｏｖａｔｉｏｎ，１９９９，１９（４）：２１９—２３１．［８】８Ｐｏｌａｎｙｉ，Ｍ．ＰｅｒｓｏｎａｌＫｎｏｗｌｅｄｇｅ：Ｔｏｗａｒｄａｐｏｓｔ－ｃｒｉｔｉｃａｌｐｈ－ｉｌｏｓｏｐｈｙ，２ｓｌｅｄ［Ｍ］．Ｃｈｉｃａｇｏ：ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｉｃａｇｏ—

Ｐｒｅｓｓ．１９６２．

万方数据