并联机器人的研发与应用

并联机器人的研发与应用

0串联机器人研究进展自20世纪60年代初出版以来，工业机器人取得了迅速的发展，并在各个行业、公共服务、医药等方面得到了广泛应用。在工业(串联)机器人方兴未艾时,又出现了一种全新的并联机器人种类。并联机器人与串联机器人相比具有结构刚度大、承载能力强、运动精度高以及位置反解简单和力反馈控制方便等诸多优点,与目前广泛应用的串联机器人在应用上构成互补关系,因而扩大了整个机器人的应用领域。国内外研发机构和学者对它的研究与开发给予了高度重视,做了大量的研究工作,取得了一系列的成果。本文对其中并联机器人机构的机型创新与应用的研发现状与成果进行评述。1串联机床的发展并联机器人是由并联机构而来。20世纪中叶,罗马尼亚人Gough(1962年)采用并联机构设计了一种六自由度的轮胎测试机。1965年,德国Stewart将这种机构作为飞行模拟器用于训练飞行员。这种六自由度的并联机构,使用6根支杆分别用球铰和虎克铰与上下两平台连接,6根支杆都可以独立的自由伸缩,其中的动平台就可以进行6个独立运动,具有6个自由度,被称为Stewart平台。1978年,澳大利亚机构学教授Hunt提出将这种6自由度的Stetwart平台机构作为机器人手臂,从此在机器人研究领域拉开了并联机器人研究开发的帷幕。虽然到1980年代中期,国际上研究并联机器人的人还为数不多,出的成果也不多。但是到上个世纪80年代末特别是90年代以来,并联机器人被广为注意,并成了新的研究热点。许多大型会议均设多个专题讨论,仅1995年就有50多篇这方面的文章发表,其应用领域也得到扩展。特别是上个世纪90年代,并联机器人与机床结合产生的并联机床,也称为虚拟轴机床,其在高速、高精度加工及对特殊的曲面零件的加工上所具有的独特优势受到世人瞩目。1994年在芝加哥机床展览会上,美国Giddings&Lewis公司和Ingersoll分别推出了基于Stewart平台的“六足机床”,被媒体誉为“机床结构的重大革命”、“21世纪的数控加工设备”。此后,日本、俄罗斯、意大利、德国及欧洲各大公司相继推出并联机器人作为加工工具的应用机构。在并联机器人机构的应用中,研究的深度和实用化或者说商品化进程较高的有三种机型。一是六足结构的Stewart平台,其被广泛应用于并联机床、机器人装置,如HEXEL的六轴CNC定位平台(图1)。在ROBOTOOL研发项目(2002年)的统计中,共有88家单位的80个机型中,就有60个机型为Stewart或基于此机型的6自由度并联机构,占总数的75%。二是可实现3维纯平动的DELTA并联机器人,如瑞士DEMAURREX的DELTA机器人用于饼干包装线工作(图2),到2001年底时已经在世界各地卖出500台套。还有一种是带有导向装置的三自由度并联(混联)机构,如瑞典SMTTricept(former:NeosRobotics)的Tricept600(图3)和805型(图4)并联机床已售出200余台(2001年),波音、大众等航空航天、汽车公司购置了这种机床,用于航空航天铝结构件、复合材料的高速铣削、汽车大型模具制作、激光切割、空间多位姿安装等。国内早在20世纪80年代初燕山大学的黄真就开始对并联机构的基础理论进行系统地研究。到北京第5届中国国际机床展览会(CIMT97)时,俄罗斯Lapik公司展出了加工、测量两用的TM-750型并联机床,引起了中国许多科研院所、大学以及工厂的极大兴趣,使国内学者看到了并联机床的应用前景,并在随后的一段时间里有力地促进了中国并联机床的研究工作。从1998年开始,我国对并联机床的研究取得了一系列标志性成果。清华大学和天津大学合作于1998年研制成功我国第一台基于Stewart平台机构的大型镗铣类虚拟轴机床原型样机,东北大学、哈尔滨工业大学等高校和科研院所先后在这二三年中也研制出此类并联机床样机,而中科院沈阳自动化研究所的SIA/CAS并联机床是目前在国际网站上查到的唯一的中国的并联机床。除了并联机床、装配生产线上的机器人以外,并联机器人机构的应用领域还有医疗机器人、飞行模拟器、空间飞行器对接机构、航海上的潜艇救援对接器及其地面试验设备、卫星天线换向装置、天文望远镜跟踪定位系统、精密操作的微动器以及动感娱乐平台等。近年来还研究将它用作虚拟6轴加工中心、钢丝绳索并联机器人、压力传感器以及毫米级的微型机器人等。再有就是一些潜在的应用领域,如在微电子机械应用中的多维鼠标、农业机械中的果实采摘操作手、家用电器中的洗衣机、洗碗机等。此外,多机器人协调、多足步行机、多指多关节高灵活手爪等也属于并联机器人机构的研究范畴。可以预见并联机器人在本世纪将有广阔的发展前景。2基于旋转副的三自由度组合连接机构以Stewart平台为代表的六自由度的并联机器人已得到了广泛的研究,但在某些场合,少自由度并联机器人由于其驱动元件少、造价低、结构紧凑而有较高的实用价值,更具有较好的应用前景,因此少自由度的并联机器人的设计理论的研究和应用领域的拓展成为并联机器人的研究热点之一,科研人员已相继研究具有各自应用背景的新型少自由度并联机器人机型,并开发出其样机模型。在少自由度并联机构机型的研究中,三维平移并联机构得到广泛的重视。Clavel(1988)提出了一种可实现纯平运动三自由度Delta并联机器人,在Delta机构的支链中采用平行四边形机构约束动平台的3个转动自由度。Tsai(1996)提出的Delta机构完全采用回转副,并通过转轴的偏移扩大了Delta机构的工作空间。在Tricept并联机床上采用的构型是由Neumann(1988)发明的一种具有3个可控位置自由度的并联机构,该机构的突出特点是带有导向装置,采用3个内副驱动支链并由导向装置约束动平台。Tsai(1999)通过自由度分析提取支链的运动学特征,系统研究了并联机构的综合问题,特别研究了一类实现三自由度平动的并联机构。RasimAlizade于2004年提出基于平台类型和联接平台的形式和类型进行分类的一种并联机构的结构综合和分类的新方法和公式,并综合出具有单平台和多平台的纯并联和串并联复联机构。我国燕山大学的黄真教授及其团队除了研制出解耦微型6维力传感器和微动机械,设计出一种新的高精度的机构方案外,还率先对少自由度并联机器人的基础理论作了研究,并开发了多个少自由度并联机器人机构新机型。天津大学的黄田教授于1999年在Delta机构的基础上提出一种实现三自由度平动的3-HSS并联机床,通过在支链中引入过约束支链有效地提高了并联机床的静刚度和精度。上海交大的高峰教授于2002年运用复合副的概念来组合已知自由度数和自由度类型的支链,通过支链输出杆特殊的Plücker坐标来综合2～5自由度的机器人。近几年,东南大学的杨廷力教授、金琼等于2002年以单开链(SOC)单元和并联机器人机构结构组成的某些规律性,以机构具有各支路结构相同且简单、不存在虚约束、工作空间较大等特点,尤其是其运动分析正、逆解数目小,且运动输入输出具有一定解耦性为目标,综合出了一类新型三平移并联机器人机构。其中的3-RRC型机型,江苏大学的马履中教授、尹小琴等于2002—2005年对其运动学、动力学等特性上进行了深入的研究,并将其应用在多维减振平台主体机构中。马履中等还于2004年研制一种五自由度并联机构作为中医推拿机器人。沈惠平等于2004年研制一种新型三维平移并联机构作为虚拟轴机床、坐标测量机及机器人等的新型实用机型。3机构设计的问题和展望(1)具有一定应用背景的少自由度并联机器人机型、复联机构的创新研究,其相应的理论和设计方法问题的研究,特别是动力学、精度标定、系统控制、机构结构的优化设计等问题,是目前和今后少自由度并联机器人机构研究和发展的方向。(2)高校和研究院所与工厂企业应联合研发并联机器人,加快各种新机型的实用化进程,使停留在实验室的样机、计算机仿真模型尽快转变成实用机器人装置或产品,让具有