并联机器人发展现状与展望

并联机器人发展现状与展望并联机器人发展现状与展望 引言引言 并联机器人是一类全新的机器人 它具有刚度大 承载能力强 误差小 精 度高 自重负荷比小 动力性能好 控制容易等一系列优点 在 21 世纪将有广 阔的发展前景 本文根据掌握的大量并联机器人文献 对其分类和应用做了简要 分析和概括 并对其在运动学 动力学 机构性能分析等方面的主要研究成果 进展以及尚未解决的问题进行了阐述 1 并联机构的发展概况 一 并联机构的特点 并联机构是一种闭环机构 其动平台或称末端执行器通过至少 2 个独立的 运动链与机架相联接 必备的要素如下 末端执行器必须具有运动自由度 这 种末端执行器通过几个相互关联的运动链或分支与机架相联接 每个分支或运 动链由惟一的移动副或转动副驱动 与传统的串联机构相比 并联机构的零部件数目较串联构造平台大幅减少 主要由滚珠丝杠 伸缩杆件 滑块构件 虎克铰 球铰 伺服电机等通用组件 组成 这些通用组件可由专门厂家生产 因而其制造和库存备件成本比相同功 能的传统机构低得多 容易组装和模块化 除了在结构上的优点 并联机构在实际应用中更是有串联机构不可比拟的 优势 其主要优点如下 1 刚度质量比大 因采用并联闭环杆系 杆系理论上只承受拉 压载荷 是典型的二力杆 并且多杆受力 使得传动机构具有很高的承载强度 2 动态性能优越 运动部件质量轻 惯性低 可有效改善伺服控制器的动 态性能 使动平台获得很高的进给速度与加速度 适于高速数控作业 3 运动精度高 这是与传统串联机构相比而言的 传统串联机构的加工误 差是各个关节的误差积累 而并联机构各个关节的误差可以相互抵消 相互弥补 因此 并联机构是未来机床的发展方向 4 多功能灵活性强 可构成形式多样的布局和自由度组合 在动平台上安 装刀具进行多坐标铣 磨 钻 特种曲面加工等 也可安装夹具进行复杂的空 间装配 适应性强 是柔性化的理想机构 5 使用寿命长 由于受力结构合理 运动部件磨损小 且没有导轨 不 存在铁屑或冷却液进入导轨内部而导致其划伤 磨损或锈蚀现象 并联机构作为一种新型机构 也有其自身的不足 由于结构的原因 它的 运动空间较小 而串并联机构则弥补了并联机构的不足 它既有质量轻 刚度 大 精度高的特点 又增大了机构的工作空间 因此具有很好的应用前景 尤 其是少自由度串并联机构 适应能力强 且易于控制 是当前应用研究中的一 个新热点 二 并联机构的分类 从运动形式来看 并联机构可分为平面机构和空间机构 细分可分为平面移动机构 平面移动转动机构 空间纯移动机构 空间纯转动机构和空间混合运动机构 另可按并联 机构的自由度数分类 1 2 自由度并联机构 2 自由度并联机构 如 5 R 3 R 2 P R 表示转动副 P 表示移动副 平面 5 杆机构是最典型的 2 自由度并联机构 这类机构一般具有 2 个移动运 动 2 3 自由度并联机构 3 自由度并联机构各类较多 形式较复杂 一般有以下形式 平面 3 自由度并联机构 如 3 RRR 机构 3 RPR 机构 它们具有 2 个移动和一个转动 球 面 3 自由度并联机构 如 3 RRR 球面机构 3 UPS 1 S 球面机构 3 RRR 球面机构所有 运动副的轴线汇交空间一点 这点称为机构的中心 而 3 UPS 1 S 球面机构则以 S 的中心 点为机构的中心 机构上的所有点的运动都是绕该点的转动运动 3 维纯移动机构 如 Star Like 并联机构 Tsai 并联机构和 DELTA 机构 该类机构的运动学正反解都很简单 是一种应 用很广泛的 3 维移动空间机构 空间 3 自由度并联机构 如典型的 3 RPS 机构 这类机构 属于欠秩机构 1 在工作空间内不同的点其运动形式不同是其最显著的特点 由于这种特 殊的运动特性 阻碍了该类机构在实际中的广泛应用 还有一类是增加辅助杆件和运动副 的空间机构 如德国汉诺威大学研制的并联机床采用的 3 UPS 1 PU 球坐标式 3 自由度并 联机构 由于辅助杆件和运动副的制约 使得该机构的运动平台具有 1 个移动和 2 个转动 的运动 也可以说是 3 个移动运动 3 4 自由度并联机构 4 自由度并联机构大多不是完全并联机构 如 2 UPS 1 RRRR 机构 运动平台通过 3 个支链与定平台相连 有 2 个运动链是相同的 各具有 1 个 虎克铰 U 1 个移动副 P 其中 P 和 1 个 R 是驱动副 因此这种机构不是完全并联机构 4 5 自由度并联机构 现有的 5 自由度并联机构结构复杂 如韩国 Lee 的 5 自由度 并联机构具有双层结构 2 个并联机构的结合 5 6 自由度并联机构 6 自由度并联机构是并联机器人机构中的一大类 是国内外学者研究得最多的并联机构 广泛应用在飞行模拟器 6 维力与力矩传感器和并联机床等领域 但这类机构有很多关键 性技术没有或没有完全得到解决 比如其运动学正解 动力学模型的建立以及并联机床的 精度标定等 从完全并联的角度出发 这类机构必须具有 6 个运动链 但现有的并联机构 中 也有拥有 3 个运动链的 6 自由度并联机构 如 3 PRPS 和 3 URS 等机构 还有在 3 个分支的每个分支上附加 1 个 5 杆机构作这驱动机构的 6 自由度并联机构等 2 并联机器人的应用 并联机构由于其本身特点 一般多用在需要高刚度 高精度和高速度而无需 很大空间的场合 主要应用有以下几个方面 1 模拟运动 飞行员三维空间训练模拟器驾驶模拟器 工程模拟器 如船用 摇摆台等 检测产品在模拟的反复冲击 振动下的运行可靠性 娱乐运动模拟 台 2 对接动作 宇宙飞船的空间对接 汽车装配线上的车轮安装 医院中的假 肢接骨 3 承载运动 大扭矩螺栓紧固 短距离重物搬运 4 金属切削加工 可应用于各类铣床 磨床钻床或点焊机 切割机 5 可用于测量机 用来作为其它机构的误差补偿器 6 用于微动机构或微型机构 并联平台的应用领域正在被科研工作者不断拓 宽 7 并联机构还可用作机器人的关节 爬行机构 食品 医药包装和移载机械 手等 3 并联机器人构型设计原则 在进行机构形式设计时 除了要满足规定的运动形式 运动规律或运动轨 迹外 还应该遵循下面几项准则 l 机构的运动链要尽可能的短 完成同样的动作要求 应该优先选用机 构构件数和运动副数少的机构 以简化其结构从而减轻重量 降低成本 减少 由于零件的制造误差而形成的运动链的累积误差 运动链短有利于提高机构的 刚度 减少振动 2 在运动副的选择上 优先选用低副 低副机构的运动元素加工方便 容易保证配合的精度以及有较高的承载能力 3 适当选择原动机 使机构有好的动力学性能 3 1 并联机器人的尺度设计原则 以往 我们在设计阶段为了确定机器人操作手机构的尺寸和确定机器人操 作手在工作空间内部的位置和姿态时多数是靠经验和直觉 现在 为了开发出 高精度 高速度和高效率的并联机器人 我们在机构的综合设计时要考虑到它 的工作空间的体积和形状 奇异位形 输出的各向同性等条件 但是 在全局 最优的机构尺度综合设计中 顾全到上述的所有条件是十分困难的 国内外的 学者提出了许多机构综合的标准 以便在满足指定的设计指标下 机构的性能 达到最优 由于并联机器人与串联机器人相比 工作空间小 因此为实现作业 要求 在设计时要先确定能够满足性能指标的工作空间是至关重要的 另外 在并联机构的设计过程中必须要考虑要避免构型奇异 与串联机器 人不同的是 并联机器人不仅有运动学奇异 还有由构型所导致的构型奇异 即奇异区域通常都扩张到整个工作空间或一些显著的子空间 而且是实际操作 中最常用的区域 0 M 给出了判定并联机构发生构型奇异的条件 l 如果动平台和定平台是相似的正多边形 则整个工作空间内雅戈比矩 阵都是奇异的 2 如果动平台和定平台是相似的非正多边形 并且每一对相应的顶点通 过一条连杆相连 则雅戈比矩阵在工作空间内的大部分区域都是奇异的 这种设计上的奇异的存在 将使并联机器人由于无法平衡施加在动平台上 的负载而不能工作 在构型奇异附近的区域 即使没有发生构型奇异 也有可 能出现雅戈比矩阵条件数很大的情况 同样会导致运动和力的传递性能变的很 差 我们称这种区域为病态条件区域 因此 进行并联机构尺度综合设计时必 须考虑在满足工作空间要求 运动可传递性的要求以及负载能力要求的情况下 要避开构型奇异点及奇异点附近的病态区域 4 并联机器人的发展现状 国内外学术界和工程界对研究和开发并联机床都非常重视 1994 年在芝加哥国际机 床博览会 IMTS 94 上首次展出了称为 六足虫 Hexapod 和 变异型 VARIAX 的数控机床 与加工中心并引起了轰动 2 此后 各主要工业国家都投入了大量的人力和物力进行并联 机床的研究与开发 如美国 IngersollMilling 公司 Giddings Lewis 公司和 Hexal 公司 英 国 GeodeticTechnology 公司 俄罗斯 Lapik 公司 德国 Mikromat 公司 亚琛工业大学 汉 诺威大学 斯图加特大学 挪威 Multicraft 公司 瑞士 ETZH 和 IFW 研究所 瑞典 Neos 机 器人公司 意大利 Comau 机床公司 丹麦 Braunschweig 公司 日本丰田公司 日立公司 三菱公司 韩国 SENATECHNOLOGIES 公司等单位相继研制出不同结构形式的数控机床 激光加工和水射流机床 坐标测量机等基于并联机构的制造设备 3 4 并联机床所涉及的 基本理论问题同样引起了许多研究单位的重视 由美国国家科学基金会动议 1998 年在意大利召开了第一届国际并联运动学机器专 题研讨会 2000 年在美国召开了第二届国际并联运动学机器专题研讨会 我国已在国家 九五 科技攻关计划和 863 高技术发展计划中对并联机床的研究与开 发予以支持 中国科学院沈阳自动化研究所 清华大学 天津大学 哈尔滨工业大学 东 北大学 河北工业大学等单位的研究人员也在积极从事并联机床领域的研究工作 并与相 关企业合作研制了数台结构形式各异的样机 5 6 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 尤其是其中 的 Stewart 平台机构 来构造机床 也有一些在并联机构的动平台上再串接一 两个转动关节 以增加工具的姿态空间 根据其相应的并联机构所具有的自由度主要有 6 自由度 6 条腿 以及 3 自由度 3 条腿 两类 按照各分支链的驱动方式可分为两种形式 一种形式为各分支 链 定长杆 的一端通过滑块 或丝杠螺母副 沿固定平台导轨移动 简称 腿滑动 来 改变动平台的位置及姿态 另一种形式为通过各分支链杆长的伸缩 简称 腿伸缩 来改 变动平台的位置及姿态 5 发展展望 并联机器人虽然经过了几十年的研究 在理论上比较成熟 但是很大程度上是在大学 的实验室 真正投入到生产实践中的并联机器人甚少 近年来 先进制造技术的发展对并 联机器人的研究和发展起着积极的促进作用 随着先进制造技术的发展 工业机器人已从 当初的柔性上下料装置 正在成为高度柔性 高效率和可重组的装配 制造和加工系统中 的生产设备 要从组成敏