賈雨璇 謝哲東

摘 要：詳細(xì)介紹并聯(lián)機(jī)構(gòu)的發(fā)展概況，介紹國(guó)內(nèi)和國(guó)外不同時(shí)期并聯(lián)機(jī)構(gòu)的發(fā)展進(jìn)程。并且分別介紹了從六自由度并聯(lián)機(jī)器人及少自由度并聯(lián)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域。介紹了不同并聯(lián)機(jī)器人的性能

關(guān)鍵詞：六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)；少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)；應(yīng)用領(lǐng)域。

中圖分類號(hào)：S22 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20160431024

1 引言

并聯(lián)機(jī)構(gòu)不僅具有剛度大，并且并聯(lián)機(jī)構(gòu)還具有適應(yīng)性強(qiáng)，精度高等優(yōu)點(diǎn)，所以并聯(lián)機(jī)構(gòu)引起學(xué)者們的高度關(guān)注和深入研究。因此被應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)的不同領(lǐng)域，例如航空航天、船舶、汽車等領(lǐng)域，是當(dāng)今極具有廣闊應(yīng)用前景的一類科研項(xiàng)目。

本文主要對(duì)國(guó)內(nèi)外不同階段不同類型并聯(lián)機(jī)構(gòu)的發(fā)展進(jìn)程和應(yīng)用領(lǐng)域以及其結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了概述。并聯(lián)機(jī)構(gòu)有很多不同的分類方法，這里按自由度數(shù)目的不同，可將并聯(lián)機(jī)構(gòu)分為2類：六自由度的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，少自由度的并聯(lián)機(jī)構(gòu)。自1965年著名的Stewart平臺(tái)問(wèn)世以來(lái)并聯(lián)機(jī)構(gòu)在各個(gè)行業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域開(kāi)始了迅猛的發(fā)展。

2 國(guó)內(nèi)外并聯(lián)機(jī)構(gòu)的發(fā)展

并聯(lián)機(jī)構(gòu)與串聯(lián)機(jī)構(gòu)相比具有較高的剛度，承載能力，定位精度和良好的動(dòng)態(tài)性能，并且結(jié)構(gòu)相對(duì)緊湊。而串聯(lián)機(jī)構(gòu)相對(duì)于并聯(lián)機(jī)構(gòu)則具有各條支鏈獨(dú)立調(diào)節(jié)，控制相對(duì)容易等優(yōu)點(diǎn)。2類機(jī)構(gòu)具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，相輔相成，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及各個(gè)領(lǐng)域中都起著至關(guān)重要的作用。

并聯(lián)機(jī)構(gòu)演化發(fā)展進(jìn)程是從一桿到多桿，從平面運(yùn)動(dòng)到空間運(yùn)動(dòng)，逐漸改變的過(guò)程。1947年，Gough發(fā)表文章提出了六自由度的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，引起了國(guó)內(nèi)外的工程領(lǐng)域的極大反響。著名的Stewart平臺(tái)最初是模擬飛行器的模型，應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，由于Stewart平臺(tái)具有6個(gè)自由度，所以可以使動(dòng)平臺(tái)上模擬航天飛船的駕駛艙獲得任意所需要的位置和姿態(tài)，如圖1。

1978年，著名的澳大利亞機(jī)構(gòu)學(xué)家Hunt教授用螺旋理論對(duì)其空間的自由度進(jìn)行了分析，并對(duì)其結(jié)構(gòu)特性，機(jī)構(gòu)性能進(jìn)行了總體的研究分析，提出了許多新的結(jié)構(gòu)方案。此后，并聯(lián)機(jī)構(gòu)廣泛的應(yīng)用于機(jī)器人領(lǐng)域。但是在隨后并聯(lián)機(jī)器人發(fā)展進(jìn)入了瓶頸期，直到20世紀(jì)90年代初期，并聯(lián)機(jī)器人才再次進(jìn)入人們的視野中，又一次獲得了廣泛的關(guān)注，成為了國(guó)內(nèi)外研究的熱門課題。尤其在美國(guó)，德國(guó)，日本，中國(guó)，法國(guó)等都自主研發(fā)了基于Stewart平臺(tái)的并聯(lián)機(jī)床，從而同時(shí)促使了各類基于Stewart類型機(jī)床的各種專用部件的迅猛發(fā)展。此后，挪威 Muticraft，英國(guó) Geodetic Technology，德國(guó) Mikromat，和日本三菱等公司和研究機(jī)構(gòu)，都自主研發(fā)出了基于不同機(jī)構(gòu)不同類型的數(shù)控加工中心，激光或水射流等并聯(lián)制造設(shè)備。六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)除了在工程中有較為典型的機(jī)床應(yīng)用外，還包括坐標(biāo)測(cè)量機(jī)和醫(yī)療設(shè)備等方面的創(chuàng)新應(yīng)用。

國(guó)內(nèi)，燕山大學(xué)的黃真教授是研究并聯(lián)機(jī)構(gòu)的開(kāi)拓者之一，并于20世紀(jì)90年代設(shè)計(jì)制造出六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)。例如南昌的江東機(jī)床廠聯(lián)合清華大學(xué)研制了XNZ2010龍門式虛擬軸并聯(lián)機(jī)床。以上提出的虛擬軸機(jī)床已經(jīng)完全進(jìn)入了實(shí)用化的階段。如圖2，并已經(jīng)進(jìn)入商業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用階段。東北大學(xué)研發(fā)了能實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)的并聯(lián)機(jī)床DSX5-70。哈爾濱量具集團(tuán)聯(lián)合哈爾濱工業(yè)大學(xué)研發(fā)的國(guó)內(nèi)首創(chuàng)并聯(lián)數(shù)控機(jī)床6-SPS，能夠加工進(jìn)行復(fù)雜曲面的加工。天津大學(xué)與清華大學(xué)聯(lián)合研發(fā)的大型并聯(lián)機(jī)床樣機(jī)VAMTIY如圖3，是能夠?qū)崿F(xiàn)鏜、洗加工的大型數(shù)控機(jī)床。

并聯(lián)機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)空間中的多種自由度的運(yùn)動(dòng)。不同自由度具有不同條數(shù)和不同類型的各個(gè)支鏈。六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的類型主要有：6R，3R3P，4RC，SPS，SRT，STR，SPC，PSS等等。其中，各參數(shù)的意義如下：

由于一些應(yīng)用場(chǎng)合并不一定需要6個(gè)自由度，且六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)存在作業(yè)空間相對(duì)較小，支鏈干涉大，運(yùn)動(dòng)耦合性大，控制相對(duì)復(fù)雜等缺點(diǎn)，所以近幾年來(lái)的研究趨向于少自由度的并聯(lián)機(jī)構(gòu)。最具有代表性的少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)是1985年，Clavel博士提出的，是以Delta機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的機(jī)械手。動(dòng)力源采用的是外轉(zhuǎn)動(dòng)副驅(qū)副驅(qū)動(dòng)以及平行四邊形的支鏈機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了末端執(zhí)行器的三維高速運(yùn)動(dòng)。混聯(lián)機(jī)構(gòu)設(shè)備也是最近幾年來(lái)又一熱點(diǎn)課題。其機(jī)構(gòu)特性的優(yōu)點(diǎn)在于不僅能彌補(bǔ)純并聯(lián)機(jī)構(gòu)支鏈干涉，運(yùn)動(dòng)工作空間小等缺點(diǎn)，還提出了一種創(chuàng)新型的模塊，即“即插即用”型模塊。可以構(gòu)建各種形式，不同用途的系統(tǒng)及制造設(shè)備。此類混聯(lián)型機(jī)構(gòu)代表性的的設(shè)備如Tricept機(jī)械手，是于1985年由Neumann博士提出的，并且在1987年獲得了專利其總體性能良好，工作空間相對(duì)純并聯(lián)機(jī)構(gòu)較大，動(dòng)靜態(tài)性能良好。并具有可重構(gòu)的特點(diǎn)。

我國(guó)研制了并聯(lián)三坐標(biāo)動(dòng)力頭——A3動(dòng)力頭，而后提出的3-PRS并聯(lián)機(jī)構(gòu)為A3頭的拓?fù)錁?gòu)型并聯(lián)機(jī)構(gòu)。主要研究方向有機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、精度分析、剛度分析、虛擬樣機(jī)、性能評(píng)估等等，如圖4。

3 并聯(lián)機(jī)構(gòu)的應(yīng)用

并聯(lián)機(jī)構(gòu)的應(yīng)用在不同的領(lǐng)域，如航空航天領(lǐng)域的飛行運(yùn)動(dòng)模擬器、并聯(lián)機(jī)器人操作器、新型虛擬軸機(jī)床、體感模擬機(jī)、醫(yī)療設(shè)備、航天器交會(huì)對(duì)接等等方面都有廣泛的應(yīng)用。

3.1 運(yùn)動(dòng)模擬器

該類機(jī)構(gòu)用于飛行模擬訓(xùn)練，既經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、安全又不受客觀條件限制。由于它的諸多安全經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已發(fā)展成飛行員日常訓(xùn)練的必備設(shè)備。

3.2 航天飛行器對(duì)接器

3.5 其他應(yīng)用

由于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的諸多的高性能優(yōu)點(diǎn)，還應(yīng)用天文望遠(yuǎn)鏡、加工裝配、測(cè)量、焊接、挖掘、航海、娛樂(lè)設(shè)施等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。并聯(lián)機(jī)構(gòu)還在大型天文望遠(yuǎn)鏡的姿態(tài)調(diào)整中的應(yīng)用。還出現(xiàn)了基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的靈巧手。

參考文獻(xiàn)

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