并联机器人的理论及应用研究

发布时间：2024-01-31 19:09:38   来源：安博电竞

  并联机器人的理论及应用研究 收稿日期：!# $ # $ #% 基金项目：安徽省政府十五攻关项目（%%!&!）；安徽省教育厅重点资助项目（’(&)*+） 作者简介：余晓流（%,-! $），男，安徽岳西人，安徽工业大学机械工程学院教授。 文章编号：%-)% $ ).)! /!# 01 $ !, $ & 2345 ! 635 1 安 徽 工 业 大 学 学 报 第 !卷 第 1期 7893:;?@AB C?BD; 余晓流，%,-!年生，安徽岳西人，安徽工业大学机械工 程学院教授，工学博士。曾参与国家自然科学基...

  收稿日期：!# $ # $ #% 基金项目：安徽省政府十五攻关项目（%%!&!）；安徽省教育厅重点资助项目（’(&)*+） 作者简介：余晓流（%,-! $），男，安徽岳西人，安徽工业大学机械工程学院教授。 文章编号：%-)% $ ).)! /!# 01 $ !, $ & 2345 ! 635 1 安 徽 工 业 大 学 学 报 第 !卷 第 1期 7893:;

  余晓流，%,-!年生，安徽岳西人，安徽工业大学机械工 程学院教授，工学博士。曾参与国家自然科学基金项目、.-# 计划项目、国家九五攻关项目的研究工作，目前主持国家载 人航天工程二期工程两个子项目的研发，承担安徽省十五 攻关项目和安徽省教育厅重点基金资助项目。主要研究方 向：机器人学、机械制造、数控技术等，发表

  ，成功地将该机构 用于装配生产线，并联机器人由此诞生。此后，许多学者展开了 对并联机器人的研究。随着研究的深入，大量的研究成果不断涌 现。 相对于串联机器人来说并联机器人具有 ^ ! _以下优点： ! 与串联机构相比，刚度大，结构稳定； 承载能力强；# 精度高；$ 运动惯性小；% 在位置求解上，串联机构正解易，反 解难，而并联机器人正解难反解易。因机器人在线实时计算要求 !# 计算反解，这对串联机构十分不利，而并联机构却容易实现。并联机器人弥补了串联机器人的不足，因而扩 大了整个机器人的应用领域。 并联机器人以其结构刚度好、承载比大、位置精度高、结构紧密相连的特点引起了国内外学术界与工程界的 广泛注意。人们为并联机构上述特点所吸引，纷纷开展机构学及其控制等问题的研究，并设法把此种新型机 构应用于生产实际中。目前，具有 $% &% ’自由度的并联机构已得到了一定的应用，许多理论问题也得到了一 定程度的解决。以 ()*+,-)平台为基础的六自由度并联机构已成功地应用于装配生产线、并联机器人机床、飞 行模拟器、空间飞行器对接机构及其地面试验设备、卫星天线换向装置、海军舰艇观测台以及动感娱乐平台 中 . # /。作为串联式机器人强有力的补充，并联机器人扩大了整个机器人的应用场景范围，引起机器人学理论界和 工程界的高度关注，成为机器人研究的主要研究热点之一。 # 国内外研究现状及

  #0 # 研究范围与应用领域 自 !1世纪 21年代以来，美、英、日、法、德、俄、韩国等国家的研究机构和企业先后开展了对并联机器人 的研究。我国的中科院沈阳自动化所、燕山大学、哈尔滨工业大学、清华大学、天津大学、东北大学等单位先 后开展了研究，并研制出多台样机，目前关于并联机器人的研究开发和应用正日益广泛。 目前，国内外关于并联机器人的理论研究大多分布在在机构学、运动学、动力学和控制策略等研究领域。 关于并联机器人的应用研究涉猎的领域有：装配生产线、并联机器人机床、飞行模拟器、空间飞行器对接机 构及其地面试验设备、卫星天线换向装置、海军舰艇观测台、天文望远镜跟踪定位系统和动感娱乐平台 等。其中，对并联机器人机床研究尤为火热。并联机器人的应用研究大多分布在在结构设计、参数优化、误差建 模等几个维度，同时也涉及到机构学、运动学、动力学和控制策略等问题。 #0 ! 机构学与运动分析 并联机器人的机构学与运动分析主要研究并联机器人的运动学、奇异位形、工作空间和灵巧度分析等 方面。该项研究是实现并联机器人控制和应用研究的基础，因而在并联机器人的研究中占有重要的基础性 地位。动力学分析及控制策略的研究主要是对并联机器人进行动力学分析和建模，并且研究利用各种可能 的控制算法，对并联机器人实施控制，进而达到预期的控制效果。 并联机构运动学包含机构位置分析、机构性能分析等。机构的位置分析即求解机构输入与输出构件间 的位置关系，是机构运动分析的基本内容，也是机构速度、加速度、工作空间分析、误差分析与补偿等的基 础。机构性能分析包括机器人工作空间分析、机构的误差分析、奇异点分析、可操作度和灵巧性分析等。 #0 !0 # 运动学正逆解 并联机构运动学逆解格外的简单，而位置正解则较难，且正解还具有多解性。因此，正 向运动学问题一直是并联机器人运动学研究的难点之一。目前正解求法主要有：数值搜索法和解析法。 数值搜索法应用较广，但要注意在工作空间内迭代初始向量的搜索稳定性。数值法是采用数值方法求 解一组非线性方程，从而求得与输入对应的动平台的位置和姿态。其优点是可应用于任何结构的并联机构， 而且计算方式简单，但此方法计算速度较慢，并且不能够确保获得全部解，况且最终的结果与初值的选取有 关。曲义远利用三维搜索法将 ’ 3 (4(机构的非线性方程组的未知数降为 $个 . & /，黄线年就提出对 于含三角平台的并联机构可以简化为只含一个变量的非线性方程一维搜索法，明显地提高了求解的速度 . # /， 67789*7):提出了一种未定维的搜索方法寻找所有可能的正向运动学解 . # /，另外有的学者从纯几何的角度出 发利用 $维搜索法获得可能的实际解，以上方法只能找到可能解，但不能找到所有的可能解。利用数值连续 的办法能够推导出一般形式的并联机构最多具有 &1个可能解。 通过消元法消去机构约束方程中的未知数，从而获得输入输出方程中仅含一个未知数的多项式的方法 称为解析法。其优点是可以求解机构中所有可能解，并能区分不同连续工作空间中的解，然而推导过程十分 复杂。对于一般形式的 ’ 3 (4(并联机构的解析位置正解尚未解决，但通过改变上下平台上铰链点的分布或 采用复合铰的方法，对于 ’ 3 (4(并联机构演化出的多种结构及形式，其中有一些结构有解析解。梁崇高教授 . & / 提出了三角平台型并联机构的位置封闭解。显然，封闭解法只对部分机构有效，此乃机构位置解析解的求解 困难所致。 第 &期 余晓流等：并联机器人的理论及应用研究 安 徽 工 业 大 学 学 报 !#年!$! 为克服非线性方程组数值解法的复杂性，一些学者应用遗传算法以及神经网络这些非数值并行算法来 求解 % & ’(’并联机构的位置正解问题。 ’)*+,-)机构位置正解的常规解法都是根据 %个主动分支的位置数据来求解，方程的耦合度高，解法复 杂，求解困难。为此一些学者提出了通过附加的结构位置数据来降低求解位置正解问题的复杂程度，即用附 加的位置传感器来测量某些关键结构数据以避免数值。这种方法大大加快了位置正解问题的求解速度。然而 在附加传感器法中出现了多种

  ，且此法需要以实际结构为基础 . # & % /。 01 !1 ! 工作空间 并联机器人工作空间的研究一直以来非常关注 . 2 & 00 /。相对于串联机器人而言，并联机器 人的一个最大的弱点就是空间小，因而研究并联机构的工作空间是很重要的。 345,-对并联机器人的工作空间描述提出独到见解，将其划分为可达工作空间、灵活工作空间和可控灵 活工作空间。可达工作空间是指操作器上某一参考点能够达到的所有点的集合，这种工作空间不考虑操作器 的姿势。灵活工作空间是指操作器上某一参考点可以从任何方向到达的点的集合。 工作空间分析方法有：作图法、数值法和解析法。其中，作图法精确性较差，主要在设计过程中作方案比 较时用；数值法是根据工作空间边界必为约束边界的性质，利用位置逆解和 ! #条件搜索边界点集，此法 最为常用；解析法是将并联机构拆解为若干单开链，利用曲面包络理论求各单开链子空间边界，再利用曲面 求交技术获得整体工作空间边界。 并联机器人工作空间的解析求解是很复杂的问题，它在很大程度上依赖于机构位置解的研究结果。在 解析法研究方面，几何法最有代表性。此法基于动平台给定姿态和杆长极限约束，假想单开链末杆参考点 运动轨迹为一球面的几何性质，将工作空间边界构造归结为对 0!张球面片求交问题。在此基础上，6*-7*)通 过引入铰链约束做了类似工作。此外，6*-7*)还研究了固定动平台参考点，求解相应极限姿态空间的解析方 法。 数值法主要有网格法、8,9:;

  ,-7:法和优化法，这些算法一般有赖于位置逆解，而且必须固 定末端执行器姿态，因而在不同程度上存在着适用性差、计算效率低和求解精度低的缺点。黄田提出以微分 几何和集合论为工具，研究并联机器人工作空间的解析建模方法，应用单参数曲面族包络理论，将受杆长和 连架球铰约束的工作空间边界问题归结为对若干变心球面族的包络面求交问题。 01 !1 # 奇异位形 奇异位形也是并联机器人机构学研究的一项重要内容。并联机构的奇异位形分边界奇 异、局部奇异和结构奇异三种形式。当机构处于奇异位形时，其 8,9:;

  ?@7$的并联机器人机床样机 A&)1(B 于 +5年 月在芝加哥 7CD$国际博览会上展出时引起了轰动效应，令人耳目一新，被誉为 “!+世纪的机 床”* +;E +F ,。此后，在全球范围内掀起了并联机器人机床研究与开发的热潮。 !G世纪 HG年代末至 G年代初短短的几年时间内，美国和俄罗斯先后出现了并联机床的有关专利。据 报道，A&)1(B加工中心的加工精度为传统加工中心的 ! I +G倍，刚度为传统加工中心的 ;倍，加工效率为传 统加工中心的 ; I +G倍。7-?J$K

  铣床公司开发的“八面六足机床”将八面结构框架与六足执行机构组合 连接，成为一个自支撑的封闭结构。+!根等长杆相连于六个连接点构成八面空间框架结构；引导主轴头运动 的六足执行机构为 F根并联伸缩杆，杆的另一端与八面体的三个角相连，采取每角 !杆的连接方式。其刚度 和精度均 ;倍以上于传统机床。72L&)./00铣床公司在 ?CKM上展出的 NKN 3 FGG型样机 KO%(P&Q)(0 N&BR/Q 是世界上第一台卧式布局的加工中心。卧式布局极大地改善了工件的可接近性，改善了工作空间对机床的 体积比；八面体框架机座刚性好，力流封闭 * ,。俄罗斯、日本、德国、瑞士等国也都开展了大量的研究工作，并 研制出并联机床样机 * E +G ,。国内在并联机床方面的研究几乎与上述国家同步，中科院沈阳自动化研究所机器 人学开放研究实验室在国家 HF#项目基金的资助下于 +;年底研制出并联机器人机床样机。清华大学、天 津大学、哈尔滨工业大学、东北大学等在国家高科技“HF#”项目、国家自然科学基金项目和各省市基金项目 的资助下也都纷纷开展了并联机床应用研究 * +M I !+ ,。 此外，并联机器人还在飞行模拟器、空间飞行器对接机构及其地面试验设备、卫星天线换向装置、海军舰 艇观测台、天文望远镜跟踪定位系统和动感娱乐平台等系统中得到应用。 ! 并联机器人研究方向 近年来，关于并联机器人各方面的研究工作取得了很大的进展，国内外仍有许多学者正在继续开展这些 方面的研究工作。尽管如此，在并联机器人领域尚有大量的工作有待进一步深入 * +# ,。 = + S 简化并联机构的运动学和动力学模型研究； = ! S 多种约束条件的并联机构优化设计方法方研究； = # S 并联机器人位姿、速度、加速度的检测系统的研究； = 5 S 并联机器人机构性能评价体系研究，以求机器人达到最佳的作业性能是并联机器人机构学继续研 究的重要内容之一； = ; S 对并联机器人正向运动学问题的深入研究，寻求更易、通用的计算方式； 第 5期 余晓流等：并联机器人的理论及应用研究 安 徽 工 业 大 学 学 报 !#年!$% &’ ( 并联机器人控制策略的研究。研究充分的利用并联机器人的并联特性的并联算法，以降低运算时间， 便于实时控制； & ) ( 并联机器人的动力学性能的理论和试验研究； & * ( 工作空间和灵巧度分析及奇异位形的研究。并联机器人工作空间和灵巧度分析及奇异位形的研究， 仍是并联机器人研究的薄弱环节； & $ ( 对少自由度并联机器人的研究。 参考文献： + , - ./0123/ 45 6 782/9:3; 1

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  ’!,5 +’ -董孔茹K张祥德K赵明扬 5 一种 %自由度并联机构位置正解的快速算法 + S - 5 机器人K ,$$$K !, &) ( L ’!

  ’!%5 +) -李群明 5 并联桁架结构曲面加工机床工作空间分析 + S - 5 机器人K ,$$’K ,* &% ( L )

  )#5 +* -吴生富K王洪波K黄线 并联机器人工作空间的研究 + S - 5 机器人K ,$$,K ,# &# ( L ##

  !$$,5 +,! -王洪瑞 5 液压 ’

  4?@并联机器人操作手运动和力控制研究 +F - 5 保定L河北大学出版社K !,5 +,# -]5 42DHEP/2K F3E/=UEB^2U2 T .5 T=0 ./0123/ 782/9:3; F2B

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  ,)5 +,’ -中国机床工具工业协会 5 GF$) 新技术系列报道之一：六条腿机床取得重大进展 + S - 5 世界制造装备与市场K ,$$*K ,：,)

  !,5 +,) -汪劲松，黄田 5 并联机床—机床行业面临的机遇与挑战 + S - 5 中国机械工程，,$$$K ,L ,#

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  2023年上海市浦东新区陆家嘴街道浦江茗园社区工作人员考试模拟题含答案

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