并联机构的研究
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摘要：并联机构是一种新型机构，具有传统串联机构无法比拟的优点，是串联机构的补充和扩展，对机床技术和机器人技术具有重要的作用。该文介绍它的研究目的意义，国内外研究现状，存在问题，在对国内外典型并联机床样机的工作原理分析的基础上，指出目前并联机构研究中所面临的主要问题，并对并联机构的研究发展方向进行了展望。
关键词：并联机构 少自由度 发展现状 存在问题 发展方向
中图分类号：TP2 文献标识码：A 文章编号：1007-3973(2010)09-094-02
1、并联机构的研究意义
一个机构产生若干个分支后续机构，或者若干个分支机构汇合于一个后续机构的组合方式称为机构的并联组合。并联机构具有多个臂，各臂具有球窝接头。球窝包括：半球状凹部，其对球状头部的前端部到赤道的范围进行保持；延长部，其平滑地从该半球状凹部连续，并从球状头部的赤道向上述轴部侧延伸。
相对于串联结构来说，并联结构具有以下优点：
(1)I作空间较小；(2)运动惯性小：(3)与串联机构相比，刚度大，结构稳定紧凑，承载能力强；(4)无串联机器人那样的误差累积和放大，所以无累积误差，精度较高；(5)运动链较短，驱动装置可置于定平台(机架)上或接近项平台(机架)的位置，这样运动部分重量轻，速度高，惯性小，动态响应好；(6)完全对称的并联机构具有较好的各向同性。(7)在位置求解上，串联机构正解容易，反解困难，而并联机器人正解困难，反解容易。
因为并联机构在线实时计算时要求计算反解的，这对串联机构十分不利，而并联机构却容易实现，而且在需要高刚度、高精度或者大载荷而无须很大工作空间的领域那得到了很好的发挥，由于这一系列优点，因而扩大了整个机器人的应运行业。
2、国内外并联机构研究的现状与存在的问题
2.1 现状
1931年，Gwinneu在其专利中提出了一种基于球面并联机构的娱乐装置；然后Gough在1962年发明了一种基于并联机构的六自由度轮胎检测装置：1965年，德国Stewar首次对Gough发明的这种机构进行了机构学意义上的研究，被命名为Sewart机构。1978在澳大利亚著名机构学教授Hunt 1978年首次提出将六自由度并联机构用于机器人手臂。紧随其后Pham.D.J和MaccaIlion第一次将该机构按操作器设计，成功的将Stewart机构用于装配生产线。标志着真正意义上的并联机器人的诞生，推动了并联机器人的发展，
并联机构由最初的Stewart平台不断发展，到今天已形成了一个庞大的体系。从三，四，五自由度的机器人一直到现在到六自由度的机构，因为很多实际操作任务不需要空间全部六自由度的，而用少自由度的会更便宜，更方便，基于少自由度并联机器人具有的，机构简单，自由度少，应用广泛，类型更多，经济，有巨大的市场需求等优点，它呈现出了很大的前景。
2.2 关于少自由度的研究主要有
2.2.1 三自由度
像在1983年，Hunt提出的三自由度并联平台机构，它能实现两个自由度的转动和一个自由度的移动，而得到大家的看好，这里S表示球面副，R表示转动副，P表示移动副，Angeles与Gosselin提出了平面和球面三自由度并联机器人，Gosselin等对一种新型的三自由度并联机构的设计和动力学平衡进行了研究；Clavel提出了并联式三自由度移动DELTA机器人：Badeseu研究了3－UPS并联平台机构工作空间的优化问题，Herve在1991年综合出多种有四自由度分支构成的对称三维移动机构；在国内，在1995年，黄真教授在IEEE会议上提出了一种三自由度立方形并联机器人机构，于1996年又提出了数种新型的三自由度角台结构，再1999年，他提出了一种新型的空间三维移动机构－空间3－RRC并联机构，给出了位置反解公式和正解的八次方程
2.2.2 四自由度
在1999年,Rolland年提出两种用于物料搬运的四自由度并联机构：Manta与Kamuk。以上两种四自由度并联机构的共同之处是：在于分支中都含有球面四杆机构，以上约束动平台不需要的转动自由度。而我国，在2000年，黄真和赵铁石综合处第一种对称的四自由度4-URU并联机构，可实现三个移动自由度和一个绕z轴的转动自由度。在2001年，Gosselin与Zlatanov提出了一种对称的四自由度并联机构，具有三个转动自由度和一个沿z轴的移动自由度。而且在2001年，金琼等也提出了一些可实现两个转动自由度和两个移动自由度的非对称并联机构。
2.2.3 五自由度
在1999年,Park与Lee年提出一种机构复杂的双层五自由度并联机构；ustad提出一种基于两个并联机构的五自由度混合型结构；在2001年，Jin综合出具有三个移动自由度和两个转动自由度的非对称五自由度并联机构；在国内，高峰与2002年通过给六自由度并联机构添加一个五自由度约束分支的方法，综合出两种五自由度并联机构，
2.3 存在的问题
最早的研究主要集中在对六自由度的研究上，并联机构的研究已有80的历史了，直到上世纪80年代后，学者开始研究少自由度并联机构，提出了一些新的并联机构构型，从而使并联机构市场化程度得以加大。
现在，国内外关于并联机构的研究主要在动力学，控制动力方面，机构学，运动学，近十年来，从大量关于并联机构研究的文献上可以看出，关于并联机构的研究取得了很大的进步，但大量的研究工作需要进展，主要有以下几个方面：(1)加强并联机构的动力学研究，(2)加强球面并联机构，少自由度机构的研究，尤其是解耦机构的研究，满足市场的实际需要，(3)进一步加强串并联机器人的研究，充分利用串并联机构的优点，实现功能强，特性好，类型广的新型机器人，(4)加强位置正解的研究，使位置正解更加简单，寻求简化精度补偿，工作空间，和奇异外形的方法，(5)进一步研究并联机器人机构的型数综合，需求结构更加合理，适合不同用途的并联机构，使并联机构的运动学和动力学数学模型变得简单，同时考虑深入研究多种约束条件的并联机构优化设计方法。
3、并联机构的展望
基于模块化，开放性的设计思想，在VisualC++6.0下，基于OpenGL开发了具有Windows界面支持的并联机构运动仿真平台，并开发了相应仿真分析软件。结合并联机构结构形式多样化的特点，建立了零件库和并联机构库模块。用户通过调用零件库中已经建立的零件模型，构建并联机构库中的机构。用户也可以通过智能化人机界面，对并联机构的结构参数进行选择和修改。
纳／微米并联微操作机器人技术是综合纳，微米技术和并联机器人技术迅速发展而形成的新研究方向，涉及计算机、自动控制、机器人、精密测量，精密机械等多学科领域。广泛应用于生物医学领域中的微电子装配、精细外科手术、光纤对接微细加工、细胞与基因操作等领域，通过对当前国内外并联微操作机器人的研究状况、产品化应用以及实际应用等方面的发展态势进行详细地回顾，总结纳，微米级并联微操作机器人这一研究方向在柔性铰链设计、运动解耦性、理论分析、承载能力、新材料、驱动，工作空间、实时标定与测量等方面存在的问题，并提出改进意见，以期对该领域未来的创新设计以及发展研究产生一定的核心作用
近年来并联机器人已成为机器人领域研究的热点之一。由于其具有控制复杂，不确定性、高度非线性等特点，理论研究还处在发展阶段，控制精度和实时性都有待提高。而智能控制是一个新兴的学科，是控制领域发展的高级阶段。将智能控制引入并联机器人有助于提高并联机器人的控制性能。总结了智能控制中的模糊控制、神经网络控制以及集成智能控制在并联机器人领域的应用现状，并指出了未来发展方向。
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