韓光 李智 劉艷敏

[摘 要] 串聯(lián)機(jī)器人以工作空間較大、操作靈活等特點得到了廣泛應(yīng)用，而并聯(lián)機(jī)器人以剛度高、速度快、易控制等一系列優(yōu)點，與串聯(lián)機(jī)器人一同組成工業(yè)機(jī)器人的核心成分。通過對并聯(lián)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析與并聯(lián)機(jī)器人動力學(xué)分析等闡述了并聯(lián)機(jī)器人的分析并聯(lián)機(jī)器人研究的主要難點和發(fā)展趨勢。

[關(guān) 鍵 詞] 串聯(lián)機(jī)器人；并聯(lián)機(jī)器人；運(yùn)動學(xué)分析；動力學(xué)分析

[中圖分類號] TP242 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號] 2096-0603（2017）35-0200-01

一、并聯(lián)機(jī)構(gòu)的發(fā)展

1931年4月，一種以球形表面的并聯(lián)式機(jī)構(gòu)的娛樂設(shè)備由Gwinnett先生最早提出，并申請專利成功。1962年，聯(lián)機(jī)構(gòu)中的6自由度設(shè)備由高夫發(fā)明，用于輪胎檢測。1965年6月，高夫發(fā)明的一種裝置由Stewart進(jìn)行了機(jī)構(gòu)學(xué)原理上的總結(jié)，將這種設(shè)備用于飛行模擬器，這種設(shè)備也是到目前為止應(yīng)用最廣的并聯(lián)機(jī)構(gòu)之一，它被稱為Gough-Stewart機(jī)構(gòu)。1978年7月，亨特采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)機(jī)器人手臂的研究，應(yīng)用6自由度的Stewart平臺機(jī)構(gòu)作為機(jī)器人機(jī)構(gòu)。在20世紀(jì)80年代中后期，各國研究并聯(lián)機(jī)器人的人很稀少，只有McDowWell、Earl、Stewart、Fichter、Duffy、Tesa等人，研究的成績也相對較稀少。20世紀(jì)80年代末期以及90年代的初期，并聯(lián)機(jī)器人真正的研究才開始得到了各國廣泛的關(guān)注。中國對并聯(lián)機(jī)器人的研究起步相對較遲，但在近幾年里機(jī)器人技術(shù)飛速的發(fā)展，中國生產(chǎn)并聯(lián)機(jī)器人的水平也日益提高。特別是進(jìn)入到21世紀(jì)以后，并聯(lián)機(jī)器人的理論和實驗研究逐漸成熟，被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域。

二、并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動學(xué)分析

當(dāng)在機(jī)構(gòu)主動件的位置已知時，求解的正解是根據(jù)所需的方位關(guān)系所得的；當(dāng)輸出件的位置和姿態(tài)已知時，求解的機(jī)構(gòu)輸入件的位置稱為機(jī)構(gòu)位置的反解。在應(yīng)用串聯(lián)機(jī)器人的位置姿態(tài)分析中，反解是比較艱難的；但在并聯(lián)的機(jī)器人位置的分析中，相對簡單的是反解，我們認(rèn)為這是并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的分析特點。移動副作的相對移動是由驅(qū)動器推動的。若上平臺在空間的位置和姿態(tài)給定時，要求得各個桿的長度，這也就是此機(jī)構(gòu)位置的反解了。

當(dāng)需要求位置正解時，相對有效的方式是使用數(shù)值方法來求解一組非線性方程組，來求得與輸入位移對應(yīng)的動平臺的位置和姿態(tài)?，F(xiàn)在我們采用一些數(shù)值方法對并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動求解，如拉格朗日法、牛頓迭代法、旋量和影響系數(shù)法等?；赨G建立三維模型，采用ADAMS測量參數(shù)的時間位移曲線，采用后處理模塊得到正逆解關(guān)系，使數(shù)學(xué)計算減省。

三、并聯(lián)機(jī)器人動力學(xué)分析

并聯(lián)機(jī)器人的動力分析方法有拉格朗日法、牛頓—歐拉法、虛功原理法、凱恩方程法等其他方法。

拉格朗日法應(yīng)用簡單，運(yùn)動方程所呈現(xiàn)為閉環(huán)的狀態(tài)，不過運(yùn)算效率低，而且計算效果差，用于Stewart的有一般結(jié)構(gòu)和慣量分布的并聯(lián)機(jī)器人，Mruthyunjaya與Dasgupta進(jìn)行了相應(yīng)公式的推導(dǎo)與證明，并利用Newton-Euler方法構(gòu)架了一個較好的運(yùn)算方法，在并聯(lián)機(jī)器人的動力學(xué)計算中得到了廣泛應(yīng)用。秦皇島市燕山大學(xué)的黃真老師利用虛設(shè)機(jī)構(gòu)，提出虛等效力矩和分等效力矩的概念。蔡鶴皋先生等使用Lagrange方法構(gòu)架并聯(lián)機(jī)構(gòu)的剛體動力學(xué)方程，應(yīng)用虛功原理最后得到了力學(xué)上的動力學(xué)模型。李永泉老師等利用旋量鍵空間建立球形面2-DOF過約束，構(gòu)架系統(tǒng)動力學(xué)模型可并存并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的兩種能量，所構(gòu)架的動力學(xué)意義上的模型要有36個方程，但由于被動過約束和主動的空間過約束的存在，共有43個未知量需要求解。

四、并聯(lián)機(jī)器人難點與展望

由于PC技術(shù)和自動化技術(shù)的迅猛前行，加強(qiáng)了現(xiàn)代學(xué)科對位置正解研究，使求得位置正解相對簡單。

并聯(lián)機(jī)器人將是時代發(fā)展的新方向，各個領(lǐng)域的發(fā)展都與之息息相關(guān)，所以對其進(jìn)行大力發(fā)展是有重要的價值的。這類全新結(jié)構(gòu)的機(jī)器人以并聯(lián)機(jī)器人為代表。在經(jīng)歷了幾十年發(fā)展后，并聯(lián)機(jī)器人的理論日漸成熟，但還無法全部投入到生產(chǎn)實踐中。但隨著“智能制造2025”的發(fā)展步伐，產(chǎn)業(yè)化將越來越完善。自動化與智能化的結(jié)合定將推動并聯(lián)機(jī)器人的發(fā)展與前進(jìn)。相信在不久的將來并聯(lián)機(jī)構(gòu)的機(jī)器人一定可以更快地投入市場。

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