机器人讲稿.ppt

1、串并联机器人及其应用,世界范围的制造工业革命开始于1950年代,当时的生产自动化就是“用机器代替人”,例如把人从放射性的生产中替换下来,机器人于1950年代中叶诞生.1980年代,制造行业发生质的飞跃,就是多品种,小批量概念的诞生. 相应的生产模式就是FMS.FMS是先进制造技术(AMT)的第二个发展阶段. 根据路涌祥先生的说法,AMT有四个阶段: 1).以NC机床,加工中心和工业机器人为代表的柔性制造单元阶段,以CAM为特征,60-70年代; 2).以柔性制造单元FMC加自动或半自动物流输送组合而成的柔性制造系统FMS,仍以分布式生产过程控制为特点,80-90年代 3)信息,工艺,物流,计算

2、机集成控制为特点,CIMS,80-90年代 4).以设计智能化,单元加工过程智能化和系统整体管理智能化为特征的智能集成制造系统阶段IMS,21世纪的制造技术,1、 机器人与先进制造技术,2、 机器人与先进制造技术(续),我们可以看到工业机器人是现代制造业的一项基础设施,它属于CIMS 的物理层次,是CIMS的重要组成部分.它在先进制造技术中的作用有三个方面: 1).机器人保证批量生产中产品质量的一致性; 汽车发动机密封问题,某传动件焊接问题; 2).机器人可以成倍提高劳动生产率; 生产线上一些复杂多变的岗位,人不适合; 3).劳动条件和社会保护问题; 单调,繁重,噪音,危险,低报酬工作应该交机

3、器去完成.,2、 机器人技术:机器人由来,要对机器人了解，不妨来看一看它的由来,Robot来源于科学幻想,Robota捷克语,是苦力,奴隶的意思.1920年,捷克作家卡雷尔.查培克的小说 机器人技术根源在于:人类改造自然,对材料,能源,信息三要素认识不断深化: 农业社会:生产系统=人+工具机+劳动对象; 工业社会:生产系统=人+动力机+传动机+工作机+劳动对象; 后工业社会:生产系统=人+控制机+动力机+传动机+工作机+劳动对象; (信 息与控制变得越来越重要); 进一步,信息社会对自动化,应变性要求越来越高,就开始要求仿人自己的功能和机体,把控制机+动力机+传动机+工作机集成为一体,就是机器

4、人 即:先进生产系统=人+机器人+劳动对象;或: 先进生产系统=人+机器人+动力机+工作机+劳动对象; 最近,美国西北大学有学者正在研究COBOT=人+机器人. 可见,机器人是生产力发展的必然产物,是生产工具不断进化的结果,机器人是一种典型的智能机器系统.,3、 机器人发展大事记,机器人的技术基础条件是:遥控操纵器(TELEOPERATOR)和数控机床(NC MachIne tool). 1947年,人们采用遥控操纵器处理放射性材料 1949年,MIT研制数控机床,飞机生产. 1954年,美国第一台机器人实验装置获得专利(George C. Devol) 1960年代,机器人产品问世,机器人技

5、术开始形成; 1960年,Unimation公司成立,定型生产Unimate机器人,同时,美国机床与铸造公司(AMF)制造了Verstran机器人; 1961年,美国MIT的Lincoln实验室开始研究机器人图象处理,用视觉识别工件; 1968年,Standford人工智能实验室研制带有手,眼,耳的计算机系统,智能机器人开始丰满起来; 1970年代,机器人产业蓬勃兴起,机器人技术成为专门学科,电子制造的微型化,可靠性对机器人发展具有重要贡献; 1980年代,视觉,触觉,多传感器信息融和,在机械制造,电子制造,装配,医疗等等行业广泛应用; 1990年代,海洋,太空应用机器人;各种仿生机械异常活跃

6、,探讨“类大脑”机器的可能; 21世纪:COBOT,微型化,NANO技术,.,?,3、 机器人发展大事记(现状),当前机器人产业化概况:根据ECE(联合国欧洲经济委员会)和IFR(国际机器人联合会)最新统计,1999年,世界工业机器人销售额为51亿美圆,2000年比99年增加12%,达57.1亿美圆.已经形成了一个大产业. 机器人主要应用在工业制造,在日本,1999年汽车行业,每6名生产工人就有1台工业机器人;在意大利,每13名生产工人就有1台工业机器人;在德国,每14名生产工人就有1台工业机器人;预测: 2003年,美国将拥有工业机器人155,000台;欧洲262,000台;全世界将从199

7、7年的74,3000台增加到89,2000台. 1.进入家庭:1999年6月日本索尼公司推出娱乐机器人:机器狗“爱宝”,首次投放5000台,在日本的3000台,20分钟卖光,在美国的2000台4天内卖光.当年11月索尼公司打算再投放1万台,结果接到13.5万台定单,2000年1月15日,索尼公司宣布“爱宝”不在限量生产. 2.进入微型化:进入人体的微型机器人已经诞生.工业先进国家都在进行这一工作，如日本通产省的“微型机械十年计划”（1993年开始实施），研究经费250亿日元，计划开发体积在1cm3以内，零件尺寸100um以下的各种拟生物机器人，近期目标是开发原子能电站管道维护和人体疾病治疗用的

8、微型机器人；德国目前也有一项为期三年、费用为6000万英镑的毫微米技术开发计划。英国政府和工业界亦在拟定联合开发计划。 南开大学的研究人员日前研制成功这种微操作机器人，可以替代手工，给厚度只有几微米的细胞打针。以往的这样的操作由手工进行，成功率极低。只需要点击几下鼠标，一种新型的微操作机器人，就会自动为直径只有几微米的牛肺细胞“打”上一针，之后细胞就会神奇地在一分钟内，完成基因的转化。这项全自动微操作机器人系统的成功开发，将会对生物工程、转基因动物研究工作的发展起到促进作用。,3、 机器人发展大事记(现状),3. 精良机器人化: 是由英国的ABB Robotics公司近年来提出的，其宗旨是寻求

9、成本低廉的自动化。在产品设计上既不过分追求完美无缺，也不缺乏必要的功能。这就要求为每个用户、每种特定应用提供最为适宜的机器人。制造商和用户在定货合同签订之前就结成伙伴关系，一起规定、寻求和确定最佳方案，并在以后的产品安装、调试和使用过程中，一直以这种伙伴关系来处理问题。 4. 机器人的应用领域不断扩大: 机器人作为一种拟人的工作机械，随着机器人技术的不断发展，其应用领域也在不断拓宽，从传统的制造业正在向非制造业领域扩展。据日本机器人协会调研，1995年，日本非制造业中的机器人市场规模约为224亿日元，2000年和2005 年可望分别达到2300亿日元和5400亿日元。今后，电力、原子能电站、消

10、防救灾、服务、农林、畜牧、水产、医疗、矿业、化工/医药、交通、海洋、航空、航天、军事、环保等领域，都是或将是机器人发挥其功能的广阔天地，是任何其它器械所不能替代的。 机器人技术的发展趋势: 机器人技术是涉及机械学、传感器技术、驱动技术、控制技术、通信技术和计算机技术的一门综合性高新技术，既是光机电一体化的重要基础，又是光机电一体化技术的典型代表。其产品主要有两大类，即以日本和瑞典为代表的一系列特定应用的机器人，如弧焊、点焊、喷漆装备、刷胶和建筑等，并形成了庞大的机器人产业。另一类是以美国、英国为代表的智能机器人开发，由于人工智能和其它智能技术的发展远落后于人们对它的期望，目前绝大部分研究成果未

11、能走出实验室。,4、 机器人研究开发(教学)内容,机器人是一门综合学科,机器人研究包括基础研究和应用研究两方面.主要包括: 1).机械手设计 2).机器人运动学,动力学和控制 3).轨迹设计和规划 4).传感器 5).机器人视觉 6).机器人控制语言 7).机器人装置与系统结构 8).机器人智能 由于机器人集成了控制机+动力机+传动机+工作机等综合功能,所以机器人学综合了机械,力学,电子学,生物学,控制论,计算机,人工智能,系统工程的多学科领域的知识,因此,机器人学实际是一个可以分为若干学科的学科类.,4、 机器人研究开发内容(续),工业机器人的机械部分由臂部,腕部,手部组成. 工业机器人臂部

12、基本有四种形式: 直角坐标式;圆柱坐标式;极坐标式;拟人关节式. 分别实现立方体,圆柱体,空心球体,球体的工作空间. 采用手腕实现所需要的姿态. 一般工业机器人有四到六个自由度.以适应装配,焊接,加工,检测等不同的需要. 通常,其控制流程为:通过任务指令要求,进行轨迹规划,经过控制器综合轨迹要求和传感器的信息,按一定的控制策略控制机器人手臂实现所需要的运动.并保证机器人满足事先给定的性能指标. 机器人语言,包括通用和专用两大类.以方便操作人员与机器人沟通.通用机器人语言的主要功能为:归零;编辑;示教和再现;单步操作;信息提示;状态自检等.专用机器人语言可以克服通用语言的编程麻烦,可读性差等缺点

13、,主要分为动作级,对象级,任务级散装.如AUTOPASS,VAL,IML等等.,日本智能机器人研究四个重点研究领域的研究课题及其关系,5、机器人定义和分类,迄今,对机器人尚无公认和严格的定义.各有各的说法.美国机器人工业协会1979年定义:机器人是一种可以改变程序的多功能的操作机构.三个关键词. 按智能程度机器人分类: 第一代:示教-再现工作方式机器人;第二代:具有一定的感觉装置,能够获取作业环境,操作对象的简单信息,具有一定推理能力;第三代:具有高度适应性的自治机器人,它具有多种感知功能,也就是真正的智能机器人.第三代机器人与第五代计算机密切相关. 按性能指标,结构形态等分类:例如按负载能力

14、分类:超大型机器人:1000公斤以上;大型机器人:100-1000公斤,10平方米;中型机器人:10-100公斤,1-10平方米;小型机器人:0.1-10公斤,0.1-1平方米;超小型机器人:0.1公斤以下,0.1平方米以下;又如按结构,可分为:直角坐标,圆柱坐标,球坐标和关节型四种机器人. 按目的和开发内容分类: 工业机器人(Industrial Robot),第一代和少数第二代机器人;操纵型机器人(Teleoperator Robot),实质是一种人-机系统,操作员处于联机回路中;智能机器人(Intelligent Robot),第三代机器人,应该具有:运动功能,感知功能,思维功能.,6

15、工业机器人技术概述,工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。 机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。 机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的机械电子装置，既

16、有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。,7.工业机器人国内外发展趋势,1工业机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修），而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的103万美元降至97年的65万美元。 2机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块化装配机器人产品问市。 3工业机器人控制系统向基于P

17、C机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。 4机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。 5虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。 6当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器

18、人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。,7工业机器人国内外发展趋势(续),7机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”即并联机床以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。 我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人；其中有130多台套喷漆机器人在二

19、十余家企业的近30条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如：可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距；在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通

20、用化、模化设计，积极推进产业化进程。,7工业机器人国内外发展趋势(续),我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000米水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种；在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品

21、，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。,8. “十五”目标及主要研究内容,1目标 根据国内外机器人发展的经验、现状及近几年的动态，结合当前国内经济发展的具体情况，“十五”期间机器人技术应重点开展智能机器人、机器人化机械及其相关技术的开发及应用；开展以机器人为基础的重组装配系统及其相关技术的开发研究及加强多传感器融合及决策、控制一体化技术及应用的研究。重点解决我国已研制应用多年的示教再现型工业机器人的产业化前期关键技术，大力推进其产业化进程，力争在“十五”末期实现喷涂、焊接、装配等机器人的产业化。,9“十五”主要研究内容,一. 示教再现型工业机器人产业化技术研究 关节式、侧喷式、顶喷式、龙门

22、式喷涂机器人产品标准化、通用化、模块化、系列化设计。 柔性仿形喷涂机器人开发：柔性仿形复合机构开发，仿形伺服轴轨迹规划研究，控制系统开发，整机安全防爆、防护技术开发，高速喷杯喷涂工艺研究。 焊接机器人（把弧焊与点焊机器人作为负载不同的一个系列机器人，可兼作弧焊、点焊、搬运、装配、切割作业）产品的标准化、通用化、模块化、系列化设计。 弧焊机器人用激光视觉焊缝跟踪装置的开发：激光发射器的选用，CCD成象系统，视觉图象处理技术，视觉跟踪与机器人协调控制。 焊接机器人的离线示教编程及工作站系统动态仿真。,9“十五”主要研究内容(续),电子行业用装配机器人产品标准化、通用化、模块化、系列化设计。 批量生

23、产机器人所需的专用制造、装配、测试设备和工具的研究开发。 二. 智能机器人开发研究 遥控加局部自主系统构成和控制策略研究 包括建模遥控机器人模型，人行为模型，人控制动态建模，图形仿真建模，虚拟工具和虚拟传感器建模；以人为主体的人机共享规划与控制；局部自治控制；多传感融合技术；双向力反应控制；知识库的建立，学习与推理方法；人机交互的高级控制技术；虚拟现实（VR）控制与真实世界控制的相互关系；监控系统的结构。 智能移动机器人的导航和定位技术研究 包括导航和定位系统的系统结构；在结构环境或非结构环境中导航和定位方法研究；感知系统的传感器和信息处理系统的构成；根据传感器数据建立环境模型的方法；模糊逻辑

24、的推理方法用于移动机器人导航的研究。 面向遥控机器人的虚拟现实系统 包括人机交互图形生成及其程序设计；遥控机器人（载体和机械手）几何动态图形建模；遥控操作环境图形建模；遥控机器人操作与数据的获取；虚拟传感器及基于虚拟传感器的双向力反应、反馈控制；面向任务的虚拟工具；基于虚拟现实的遥控操作的理论与方法；基于VR模型操作和真实世界操作的可切换、相容性和可交换性；VR监控系统。,9“十五”主要研究内容(续),人机交互环境建模系统 包括CAD建模中的人机交互技术；求知模型工件的反示过程中的交互技术；机器人与环境的布局及功能验证中的交互技术；传感器数据处理中的交互技术；机器人标定、运动学建模、动力学建模

25、中的交互技术。 基于计算机屏幕的多机器人遥控技术 包括三维立体视觉建模；模型的计算机显示；遥控机器人模型的控制；人机接口；网络通讯。 三. 机器人化机械研究开发 并联机构机床（VMT）与机器人化加工中心（RMC）开发研究 包括VMT与RMC智能化结构实现技术；VMT与RMC关键传动实现技术；VMT与RMC加工、装配、摆放、涂胶、检测作业技术；VMT与RMC监控检测技术开发；VMT与MRC智能化开式CMC控制系统开发；系统软件和应用软件开发；智能化机构、材料机电一体化技术；作业状态变量智能化传感技术；机电一体化的多功能及灵巧作业终端；通用智能化开式CNC控制硬软件系统；并联机构运动学及动力学理论

26、；RMC智能控制理论；VMT与RMC典型应用工程开发。,9“十五”主要研究内容(续),机器人化无人值守和具有自适应能力的多机遥控操作的大型散料输送设备 包括散料输送系统监控和遥控操作的传感器融合和配置技术；采用智能传感器的现场总线技术；机器人运动规划在等量堆取料、自主操作中的应用；基于广域网的远程实时通讯；具有监测和管理功能的故障诊断系统。 四. 以机器人为基础的重组装配系统 开放式模块化装配机器人 包括通用要素的提取；专用件标准化；装配机器人模块CAD设计；通用主流计算机构造的控制器；人机界面方式；网络功能。 面向机器人装配的设计技术 包括数字化装配与CAD集成技术；产品机器人化装配规划生成

27、技术；产品可装配性模糊评价。 机器人柔性装配系统设计技术 其中单元技术：供料系统智能化设计、末端执行器快速执行、物流传输及其控制与通讯；集成技术：柔性装配线仿真软件、管理系统。,9“十五”主要研究内容(续),可重构机器人柔性装配系统设计技术 开展基于任务和环境的动态重构机器人柔性装配系统理论研究；系统基于自治体（Agent）的分布式控制技术及系统各单元体间的协作规划。 装配力觉、视觉技术 包括高精度、高集成化六维腕力传感技术；视觉识别与定位技术。 智能装配策略及其控制 包括装配状态实时检测和监控；装配顺序和路径智能规划及控制技术。 五. 多传感器信息融合与配置技术 机器人的传感器配置和融合技术

28、在水泥生产过程控制和污水处理自动控制系统中的应用 包括面向工艺过程的多传感器融合和配置技术；采用智能传感器的现场总线技术；面向工艺要求的新型传感器研制。 机电一体化智能传感器 包括具有感知、自主运动、自清污（自调整、自适应）的机电一体化传感器研究；面向工艺要求的运动机构设计、实现检测和清污的自主运动；调节控制系统；机器人机构和控制技术在传感器设计中的应用。,Robot from Stuttgart university,Robot in space Dr. Richard Schwertassek (may,2000),10.并联机器人和并联机床研究概况,为了提高对生产环境的适应性，满足快速多

29、变的市场需求，近年来全球机床制造业都在积极探索和研制新型多功能的制造装备与系统，其中在机床结构技术上的突破性进展当属90年代中期问世的并联机床(Parallel Machine Tool)，又称虚(拟)轴机床(Virtual Axis Machine Tool)或并联运动学机器(Parallel Kinematics Machine)。并联机床实质上是机器人技术与机床结构技术结合的产物，其原型是并联机器人操作机。与实现等同功能的传统五坐标数控机床相比，并联机床具有如下优点： 刚度重量比大：因采用并联闭环静定或非静定杆系结构，且在准静态情况下，传动构件理论上为仅受拉压载荷的二力杆，故传动机构的单

30、位重量具有很高的承载能力。 响应速度快：运动部件惯性的大幅度降低有效地改善了伺服控制器的动态品质，允许动平台获得很高的进给速度和加速度，因而特别适于各种高速数控作业。 环境适应性强：便于可重组和模块化设计，且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可进行多坐标铣、钻、磨、抛光，以及异型刀具刃磨等加工。装备机械手腕、高能束源或CCD摄像机等末端执行器，还可完成精密装配、特种加工与测量等作业。 技术附加值高：并联机床具有“硬件”简单，“软件”复杂的特点，是一种技术附加值很高的机电一体化产品，因此可望获得高额的经济回报。,10.1.并联机床概念设计,概念设计是并联机床设计的首要环节，目的

31、是在给定所需自由度条件下，寻求含一个主刚体(动平台)的并联机构杆副配置、驱动方式和总体布局的各种可能组合.。 按照支链中所含伺服作动器数目不同，并联机床可大致分为并联、串并联和混联3种类型。前两者在一条支链中仅含一个或一个以上的作动器，以直接生成36个自由度；而后者则通过2个或多个少自由度并联或串联机构的串接组合生成所需的自由度。按照作动器在支链中的位置不同，并联机床可采用内副和外副驱动，且一般多采用线性驱动单元，如伺服电机滚珠丝杠螺母副或直线电机等。机架结构的变化可使得并联机床的总体布局具有多样性，但同时也使工作空间的大小、形状以及运动灵活度产生很大差异。因此，在制定总体布局方案时，应采用概

32、念设计与运动学设计交互方式，并根据特定要求做出决策。 通过更换末端执行器便可在单机上实现多种数控作业是并联机床的优点之一。然而由于受到铰约束、支链干涉、特别是位置与姿态耦合等因素的影响，致使动平台实现姿态能力有限是各种6自由度纯并联机构的固有缺陷，难于适应大倾角多坐标数控作业的需要。目前并联机床一个重要的发展趋势是采用混联机构分别实现平动和转动自由度。这种配置不但可使平动与转动控制解耦，而且具有工作空间大和可重组性强等优点。特别是由于位置正解存在解析解答，故为数控编程和误差补偿提供了极大的方便。应该强调，传统机床的发展已有数百年历史，任何希望从纯机构学角度创新而试图完全摒弃传统机床结构布局与制

33、造工艺合理部分的设想都将是有失偏颇的。,10.2.并联机床运动学设计,并联机床运动学设计包括工作空间定义与描述，以及工作空间分析与综合两大内容。合理地定义工作空间是并联机床运动学设计的首要环节。与传统机床不同，并联机床的工作空间是各支链工作子空间的交集，一般是由多张空间曲面片围成的闭包。为了适合多坐标数控作业的需要，通常将灵活(巧)度工作空间的规则内接几何形体定义为机床的编程工作空间。对于纯6自由度并联机床，动平台实现位置和姿态的能力是相互耦合的，即随着姿态的增加，工作空间逐渐缩小。因此，为了实现动平台实现位姿能力的可视化，往往还需用位置空间或姿态空间进行降维描述。 工作空间分析与综合是并联机

34、床运动学设计的核心内容。广义地，工作空间分析涉及在已知尺度参数和主动关节变量变化范围条件下，评价动平台实现位姿的能力；尺度综合则是以在编程空间内实现预先给定的位姿能力并使得操作性能最优为目标，确定主动关节变量的变化范围和尺度参数。 工作空间分析可借助数值法或解析法。前者的核心算法为，根据工作空间边界必为约束起作用边界的性质，利用位置逆解和K-T条件搜索边界点集。后者的基本思路是，将并联机构拆解成若干单开链，利用曲面包络论求解各单开链子空间边界，再利用曲面求交技术得到整体工作空间边界。,10.3.并联机床运动学设计,尺度综合是实现并联机床运动学设计的最终目标，原则上需要兼顾动平台实现位姿的能力、

35、运动灵活度、支链干涉等多种因素。针对6自由度并联机床，目前可以利用的尺度综合方法可以分为：基于各向同性条件的尺度综合，兼顾各向同性条件和动平台姿态能力的尺度综合，以及基于总体灵活度指标的加权综合3种方法。第1种方法因仅依赖满足各向同性条件时的尺度参数关系，故存在无穷多组解答。第2种方法针对动平台在给定工作空间中实现预定姿态能力的需要，通过施加适当约束，可有效地解决多解问题。第3种方法较为通用，通常以雅可比矩阵条件数关于工作空间的一次矩最小为目标，将尺度综合问题归结为一类泛函极值问题。值得指出，第2种方法仅适用某些并联机构(如Stewart平台)；而第3种方法除计算效率低外，还不能兼顾动平台实现

36、姿态的能力。因此，针对不同类型的并联机床，研究兼顾多种性能指标的高效尺度综合方法将是一项极有意义的工作。,10.4并联机床动力学问题,刚体动力学逆问题是并联机床动力分析、整机动态设计和控制器参数整定的理论基础。这类问题可归结为已知动平台的运动规律，求解铰内力和驱动力。相应的建模方法可采用几乎所有可以利用的力学原理，如牛顿尤拉法、拉格朗日方程、虚功原理、凯恩方程等。由于极易由雅可比和海赛矩阵建立操作空间与关节空间速度和加速度的映射关系，并据此构造各运动构件的广义速度和广义惯性力，因此有理由认为，虚功(率)原理是首选的建模方法。 动态性能是影响并联机床加工效率和加工精度的重要指标。并联机器人的动力

37、性能评价完全可以沿用串联机器人的相应成果，即可用动态条件数、动态最小奇异值和动态可操作性椭球半轴长几何均值作为指标。与机器人不同，金属切削机床动态特性的优劣主要是基于对结构抗振性和切削稳定性的考虑。动态设计目标一般可归结为，提高整机单位重量的静刚度；通过质量和刚度合理匹配使得低阶主导模态的振动能量均衡；以及有效地降低刀具与工件间相对动柔度的最大负实部，以期改善抵抗切削颤振的能力。由此可见，机器人与机床二者间动态性能评价指标是存在一定差异的。事实上，前者没有计及对结构支撑子系统动态特性的影响，以及对工作性能的特殊要求；而后者未考虑运动部件惯性及刚度随位形变化的时变性和非线性。因此，深入探讨并联机

38、床这类机构与结构耦合的、具有非定长和非线性特征的复杂机械系统动力学建模和整机动态设计方法，将是一项极富挑战性的工作。这项工作对于指导控制器参数整定，改善系统的动态品质也是极为重要的。,10.5.并联机床精度设计与运动学标定,精度问题是并联机床能否投入工业运行的关键。并联机床的自身误差可分为准静态误差和动态误差。前者主要包括由零部件制造与装配、铰链间隙、伺服控制、稳态切削载荷、热变形等引起的误差；后者主要表现为结构与系统的动特性与切削过程耦合所引起的振动产生的误差。机械误差是并联机床准静态误差的主要来源，包括零部件的制造与装配误差。目前，由于尚无有效的手段检测动平台位姿信息，因而无法实现全闭环控

39、制条件下，通过精度设计与运动学标定改善机床的精度就显得格外重要。 精度设计是机床误差避免技术的重要内容，可概括为精度预估与精度综合两类互逆问题。精度预估的主要任务是，按照某一精度等级设定零部件的制造公差，根据闭链约束建立误差模型，并在统计意义下预估刀具在整个工作空间的位姿方差，最后通过灵敏度分析修改相关工艺参数，直至达到预期的精度指标。工程设计中，更具意义的工作是精度综合，即精度设计的逆问题。精度综合是指预先给定刀具在工作空间中的最大位姿允差(或体积误差)，反求应分配给零部件的制造公差，并使它们达到某种意义下的均衡。精度综合一般可归结为一类以零部件的制造公差为设计变量，以其关于误差灵敏度矩阵的

40、加权欧氏范数最大为目标，以及以公差在同一精度等级下达到均衡为约束的有约束二次线性规划问题。 运动学标定，又称为精度补偿或基于信息的精度创成，是提高并联机床精度的重要手段。运动学标定的基本原理是，利用闭链约束和误差可观性，构造实测信息与模型输出间的误差泛函，并用非线性最小二乘技术识别模型参数，再用识别结果修正控制器中的逆解模型参数，进而达到精度补偿的目的。高效准确的测量方法是实现运动学标定的首要前提。根据测量输出不同，通常可采用2类运动学标定方法：利用内部观测器所获信息的自标定方法，其一般需要在从动铰上安装传感器（如在虎克铰上安装编码器）；检测刀具位姿信息的外部标定方法，其原则上需要高精度检具和昂贵的五坐标检测装置。,10.6.并联机床数控系统,从机床运动学的观点看，并联机床与传统机床的本质区别在于动平台在笛卡尔空间中的运动是关节空间伺服运动的非线性映射(又称虚实映射)。因此，在进行运动控制时，必须通过位置逆解模型，将事先给定的刀具位姿及速度信息变换为伺服系统的控制指令，