并联机器人综述
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。
第一章并联机构的发展概况
1.1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:①末端执行器必须具有运动自由度;②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;③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。
1.2并联机器人的研究现状.
并联机构的最早应用可以追溯到1938年，Polladr提出采用并联机构作为汽车喷漆装置。
Gough在1948年提出用一种关节连接的机器来检测轮胎(见图
l-1)，而直到1962年才出现相关的文字报道。
真正引起机构领域研究人员注意的是1965年，Setwart在他的一篇文章提出了一种6自由度的并联机构，并建议可以将该机构用于飞行器(见图1-2)、受人类控制的宇宙飞船，还可以作为新型机床的设计基础。
J.Tindale建议将该形式的机构用于矿山开采机构和海上钻井平台(见图1-3)。
1978年，澳大利亚著名机构学家Hunt提出可以应用6自由度的Stweart平台机构作为机器人机构(见图1-4)。
Stweart平台机构最初起源于Gough的法国汽车轮胎试验装置，在1965年由Stewart将其用于飞行模拟器后得名。
1979年Mccallino等人首次设计出了在小型计算机控制下，在精密装中完成校准任务的并联机器人，从而真正拉开了并联机器人研究的序幕，越来越多的学者投入到研究之中。
到80年代中期，国际上研究并联机器人的人还廖寥无几，出的成果也不多，到S0年代末期特别是90年代以来，并联机器人才广为注意，并成为了新的热点，许多大型会议都设多个专题进行讨论，国际上名的学者有Warldron，Roth，Gosselin，Fenton，Merlet，AngeleS等。
图l-1 Gough的轮胎检测装置图 1-2 Stewart飞行模拟器
图1-3海上钻井平台图l-4 Hunt机器人操作手
1.3并联机构的分类与发展
在并联机器人机构体系中，有着多种机构种类划分方法。
按照自由度划分，有2个自由度，3个自由度，4个自由度，5个自由度和6个自由度并联机构。
其中2到5个自由度机构被称为少自由度机构。
按照机器人机构结构划分，可分为平面结构机器人，球面结构机器人和空间结构机器人。
其中空间6自由度并联机器人和平面、球面3自由度并联机器人机构很早引起国际学者关注，无论是理论研究，还是应用研究都比较深入。
由于实际应用需要不同的自由度机构，而且有些场合只需要部分自由度，如2，3，4或5个自由度就可以满足要求，因此，少自由度并联机构也成为国内外学者的关注热点。
少自由度并联机构除了具有明显的经济性外，其结构简单，易于控制，因此对少自由度机构的研究也具有很大的理论和实际价值。
少自由度并联机构型综合的先驱者应为澳大利亚机构学著名教授Hunt，他在1983年给出了一张并联机构的机型列表，列举了平面并联机构、空间三自由度3-RPS并联机构，一些六自由度并联机构以及非对称的四、五自由度并联机构。
但对于四、五自由度对称并联机构，Hunt的机型表中均为空白。
在此之后，Hunt提出的这些并联机构得到了详细地研究，其他学者也提出了一些新机型。
1.3.1 二自由度并联机构
在并联机构领域，自由度最少的是2自由度并联机构，是并联机构的重要组成部分，分为平面结构和球面结构两大类，主要适用于平面或球面定位，有着很大的应用领域。
（1）球面二自由度并联机构的研究现状
球面机器人是机器人三大分支之一，在机器人机构应用中具有不可取代的作用。
球面机器人机构是各种转动轴线相交于一点的空间结构，由于制造相对简单经济，结构紧凑，特别适用于空间姿态变化的地方，因而球面机构在工业上得到了比较广泛的应用，如广泛使用的万向节就是最典型的球面四杆机构，大多数使用的机器人的手腕就是一个球面3杆开链机构。
作为球面上点的定位设备的球面5R并联机构，除了3自由度球面并联机构外，还有2自由度的球面5R并联机构。
球面2自由度并联机器人的研究刚刚开始。
球面2自由度SR对称并联机构，由5个转动副首尾相连，5个转动副的轴线汇交于一点(转动中心)，这种机构的输出参考点具有沿球面移动的2个自由度。
这种机构也有一些实际用途，近些年也吸引了许多学者的关注。
图1-5 万向节
图1-6 2自由度的球面5R并联机构
（2）平面二自由度并联机构的研究现状
平面二自由度并联机器人指能够实现平面2个移动自由度的机器人，其在并联领域，自由度最少，主要应用于在空间内定位平面内点，能实现平面上任意轨迹，能够实现平面2个移动自由度运动的并联机构有多种形式，其中平面5R对称并联机器人机构是该种并联机构的典型代表，它有5根杆组成，通过5个转动副首尾相连，其中2个杆连接到驱动平台，这种对称形式的平面5R机构吸引了国内外许多研究者的关注，相继研究了位置分析、设计空间、工作空间、组装模式、奇异位形、性能图谱、运动学设计及动态平衡等。
研究结果表明，平面二自由度5R并联机器人的理论空间可以设计很大，但内部存在较多的奇异，由于奇异的存在，奇异曲线将理论上工作空间划分为不同的子区域，这样真正实用的工作空间即是其中的一个子区域，实用面积不会很大，而且该种并联机构仅有两个分支，其承载能力和刚度都是有限的，所有这些会给这种机器人的应用带来一定的局限性。
冗余驱动可以改善甚至消除工作空间中的奇异位形，解决奇异点导致的运动精度降低、刚度减小和驱动关节无法实施控制等问题，同时还可以实现力传递的均匀化和对称化，并具备优化驱动力/力矩，提高驱动系统可靠性等优点。
但由于冗余驱动力/力矩的存在，使得逆动力学方程不存在惟一解，这增大了并联机构控制的难度，但也提供了输入控制优化的可能。
力矩向量最小范数控制是冗余驱动中的一种优化控制方法。
该方法能将驱动力矩都转化为末端执行器的输出力而达到消除内力的目的。
因此，有学者提出通过增加一个串联分支同时增加一个驱动，构建了平面二自由度驱动冗余并联机器人，这种驱动冗余并联机器人的特点在于能克服瞬时自运动奇异而改善机构的灵巧性，同时减小了原非驱动冗余机构的理论可达工作空间。
由于驱动冗余可以改善机器人力传递的一致性，既减小了工作空间内的奇异，同时增加了机器人的承载力和刚度，能够有效完成非冗余并联机器人的工作任务，所以，平面二自由度驱动冗余并联机器人可以完成平面上点的定位，实现平面任意轨迹。
图1-7 平面二自由度驱动冗余并联机器人
天津大学拥有独立知识产权的二自由度并联机构Diamond机器人目前已规模化应用在电子、医药、食品等工业领域中，为包装、移载等物流环节提供了高效、高质的保障。
图1-8 Diamond机器人
1.3.2 三自由度并联机构
(1)三自由度移动并联机构发展现状
Clavel在1988年提出了分支中含有球面四杆机构的DELTA并联机器人(图1-9)，被视为三自由度移动并联机构的一个里程碑，该机构包含12个球副，9个转动副和17个构件，由于驱动电机置于定平台上和轻质连杆的使用，DELTA 机构可以获得高达12g的加速度，非常适于完成小质量物体的拿放操作;Herve 在1991年综合出多种由四自由度分支构成的对称三维移动机构，如3-RRC(图1-10)等;Tsai在1996年用平面四杆机构代替DELTA机构中的球面四杆机构，得到一种结构比DELTA机构简单的三维移动机构(图1-11)；同年，Tsai提出了
3-UPU三维移动机构(图1-12);1997年，黄真等提出了3-RRRH三维移动并联机构;2000年，Di.Gregorio提出了3-RUU三维移动并联机构。
Kong和Gosselin 在2002年提出立方体的3-CRR并联机构(图1-13)。
Carricato和Parenti-Castelli在2002年综合出了多种具有各向同姓的三维移动机构。
图1-9 Delta三自由度并联机构
图1-10 3-RRC移动并联机构图图1-11 Tsai的移动并联机构
图1-12 UPU移动并联机构图1-13 3-CRR三自由度并联机构（2）三自由度转动并联机构
三自由度转动并联机构可分为两类，一类以Cox在1981年提出了3-3R三自由度球面并联机构为代表，这种机构的结构特性为所有转动副的轴线交于一点，其动平台可以实现绕该交点的自由转动。
这种机构可用作机器人的腰、肩、髓、腕等关节，还可用于卫星天线和摄像定位装置，因此具有重要应用价值。
图1-14 Asada的球面并联机构图1-15 灵巧眼
各国学者还提出了很多该机构的很多变型，如Asada在1985年提出了一种公轴线驱动的三自由度球面并联机构(图1-14);Gosselin等系统地研究了角台型球面并联机构，并在1994年研制成功称为“灵巧眼”的摄像机自动定位装置(图1-15);之后，Gosselin又提出了驱动电机轴线共面的球面并联机构(图l-16)。
Karouia和Herve在2000年提出了3-UPU转动并联机构。
Di Gregorio在2001年提出了3-URC转动并联机构，在2002年又提出了3-RRS转动并联机构。
以上这些机构均能实现绕空间一点的三个转动自由度，亦即动平台可绕三条汇交的轴线转动。
图1-16 Gosselin的球面并联机构图1-17 立方体3-RPS并联机构另一类三自由度转动并联机构为Huang和Fan在1996年提出的立方体3-RPS 并联机构(图1-17)，该机构动平台可绕三条不汇交的轴线转动，很具特殊性。
（3）三自由度混合运动并联机构
Hunt在1983年提出的空间三自由度3-RPS并联机构具有两个转动自由度和一个移动自由度，这种机构后来得到了广泛的关注。
如Lee等提出以此机构作为三自由度机器人操作臂和手腕，以及微操作机器人;Waldron和Roth设计了基于该机构的ARTISAN系统;Pfreundschuh等提出将该机构用作气动柔顺手腕;毕树生等将该机构和平面3-RRR并联机构组合构成了六自由度微动机构。
瑞士洛桑工学院提出的Delta并联机器人(图1-18为Delta并联机器人的抓取模型）,已广泛应用于食品、药品和电子产品的包装生产线上。
图1-18 Delta并联机器人模型
瑞典Neos Robotic公司生产的Tricept并联机器人用于汽车装配自动线，可以完成加工、装配、焊接等工序。
1.3.3 四自由度并联机构
Pierrot和Company在1999年提出四自由度H4并联机构，如图1-19所示，这种机构是在原有DELTA机器人的分支运动链中加装了一个和动平台垂直的转动副，从而在DEITA机器人原有的三个移动自由度外，又获得了一个转动自由度。
Rolland在1999年提出两种用于物料搬运的四自由度并联机构:Kanuk和Manta，分别见图1-20和图1-21。
以上三种四自由度并联机构的共同之处在于分支中都含有球面四杆机构，以之约束动平台不需要的转动自由度。
图1-19 H4四自由度并联机构图1-20 Kanuk四自由度并联机构
图l-21 Manta四自由度并联机构图1-22 H4四自由度并联机构黄真和赵铁石在2000年综合出第一种分支中不含有闭环子链的对称四自由度4-URU并联机构(图1-22)，可实现三个移动自由度和一个绕z轴的转动自由度。
Zlatanov和Gossehn在2001年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，如图1-23所示。
此外，国内金琼等在2001年也提出了一些可实现三个移动自由度和一个转动自由度的并联机构。
Chen和zhao在2002年提出了一种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，如图1-24所示。
图1-39 3R1T四自由度并联机构图1-40 2T2R四自由度并联机构
1.3.4 五自由度并联机构
国际上一直认为不存在全对称五自由度并联机器人机构。
相对而言，非对称五自由度并联机构比较容易综合。
Lee和Park在1999年提出一种结构复杂的双层五自由度并联机构;Jin等在2001年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;高峰等在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。
1.3.5 六自由度并联机构
六自由度并联机构应用技术已经日趋成熟，它广泛应用于飞行模拟器，娱乐装置，微动机械，以及数控机床。
近年来，国内外也研制出了二一些具有特殊位
姿的六自由度并联机构，如六自由度正交并联机器人机构。
这些发展也为六自由度并联机构的应用提供了更广阔的空间。
图1-41传统的Stewart并联机构。
从结构上看,运动的动平台(platform)通过六个运动链(chain)或分支(leg)与固定平台(base)相联接,每个分支与动平台的联接为球铰或虎克铰,与定平台的联接为虎克铰或球铰。
从理论上讲这六个分支可以任意摆放,每个分支由惟一的驱动控制器驱动,运动平台的运动是通过这六个分支的可驱动杆件的伸缩来实现的,它是一种复杂的六自由度相协调的空间运动。
通常也称之为6-6型Stewart平台。
通过引入复合球铰，可以得到6-3型或3-3型Stewart平台机构，如图1-42所示。
图1-41 6-6型Stewart并联机构图1-42 3-3型Stewart平台机构六自由度并联机构的一个本质特征是每个分支具有六个独立的自由度，或者说每个分支都必须能生成一个六维的位移群。
因此，在Stewart六自由度并联机构的基础上，在改变分支中运动副的种类、排列顺序以及方向等的同时保持分支的六个独立自由度，即可得到新的六自由度并联机构机型。
1984年黄真分析了6-RSS六自由度并联机构，如图1-43所示;1988年，Behi提出了3-PRPS六自由度并联机构，如图1-44所示:1992年，Mouly和Merlet提出了一种6-PSS六自由度并联机构;1994年，Alizade等提出了一种三分支带环形轨道的3-PRPS六自由度并联机构，如图l-45所示;1997年，Byun提出了3-PPSP六自由度并联机构，如图1-46所示;高峰等在1999年提出了一种正交式的六自由度并联机构，并将其用作虚拟轴机床。
图1-43 6-RSS并联机构图图1-44 3-PRPS并联机构
图1-45 3-PRPS并联机构图l-46 3-PPSP并联机构
Hxeaslide型式并联机构与6-DOF的stewart平台等效，但结构上为固定杆长，其一端由球铰固连于动平台上，另一端通过球铰与滑块移动副相连接，且所有滑块均在同一平面即静平台内运动，通过伺服驱动装置(一般为滚珠丝杠或直线马达)驱动并控制6个驱动滑块，使滑块改变位置，带动连杆，改变上平台位姿，从而达到输入运动的目的。
当所有的主动输入锁定时，动平台和机座之间也就失去了相对的自由度。
其结构形式如下图1-47所示。
图1-47 Hxeaslide型式并联机构
HxeaM也是另一种典型的Hxeaslide机构，其滑块在倾斜的导轨上(与静平台成一定角度)滑动，滑块为非共面型。
它与Hexaslide(Hexaglide)构型在结构上相似，目前HxeaM已经做到了商业化，唯一商业化的基于HxeaM的机构是由日本丰田工机公司(Toyoda Maehine works)与法国LIRMM的F.Piemrt教授合作开发的5轴钻床。
图1-48 HxeaM并联机构简图
Linpaod构型最早是在德国的斯图加特大学发展而来，它的导轨垂直方向排列，工作空间比较大。
它也属于Hexaslide(Hexaglide)机构。
图1-49 Linpaod结构简图
第二章并联机器人的应用
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①飞行员三维空间训练模拟器驾驶模拟器②工程模拟器,如船用摇摆台等③检测产品在模拟的反复冲击、振动下的运行可靠性④娱乐运动模拟台。
（2）对接动作①宇宙飞船的空间对接②汽车装配线上的车轮安装③医院中的假肢接骨。
（3）承载运动①大扭矩螺栓紧固②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。
2.1 模拟运动
2.1.1飞行员三维空间训练模拟器驾驶模拟器
训练用飞行模拟器具有节能、经济、安全、不受场地和气候条件限制等优点。
目前已成为各类飞行员训练必备工具。
Stewart在1965年首次提出把六自由度并联机构作为飞行模拟器，开此应用的先河。
目前，国际上有大约67家公司生产基于并联机构的各种运动模拟器。
并联平台机构在军事方面也得到了应用，将平台装于坦克或军舰上，用它来模拟仿真路面谱和海面谱，以使目标的瞄准设计过程中不受这些因素的干扰，达到准确击中目标的目的。
图2-1是Frasca公司生产的波音737-400型客机的六自由度飞行模拟器；图2-2是CAE公司生产的飞行模拟器。
图2-1 波音737-400飞行模拟器图2-2 CAE飞行模拟器
2.1.2 检测产品在模拟的反复冲击、振动下的运行可靠性
Gough在1948年提出用一种关节连接的机器来检测轮胎。
轮胎检测是将轮胎安装在试验台轮毂上，施加载荷并让其高速旋转，通过测定轮胎旋转时所受的径向、侧向和纵向滚动阻力的变化值。
并联机构的灵活性和高刚度具有很大的优势。
目前，stewart平台仍广泛用于轮胎均匀性检测和动平衡实验。
2.1.3 娱乐运动模拟台
运动仿真能给人以动感刺激而逐步进入娱乐业。
运动的并联平台配以视景、音响以及触觉等。
如美国和日本的“星球航行”、“宇宙航行”等娱乐设施均采用并联机构平台。
2.2对接动作装置
2.2.1 宇宙飞船的空间对接
飞船的对接可以达到补给物品、人员交流等目的。
要求上下平台中间都有通孔，以作为结合后的通道，这样上平台就成为对接机构的对接环，它由6个直线式驱动器驱功，其上的导向片可帮助两飞船的对正，对接器还有吸收能量和减振的作用;对接机构可完成主动抓取、对正拉紧、柔性结合、最后锁住卡紧等工作。
航海上也有类似的应用，如潜艇救援中也用并联机构作为两者的对接器。
图2-3 航天器对接口
2.2.2 汽车装配线上的车轮安装
并联机器人可以在汽车总装线上安装车轮，将并联机器人横向安装于能绕垂直轴线回转的转台上，它从侧面抓住从传送链送来的车轮。
转过来以与总装线同步的速度将车轮装到车体上，再将所有螺栓一次拧紧。
并联机器人还可以倒装在具有xy两方向受控的天车上用作大件装配，可以用在汽车总装线上吊装汽车发动机。
2.3 承载运动
使用并联机构做承载装置，运动平稳，在大型搬运机械中有很大的优势。
图2-4 移动重载装置模型
2.3.1 海上钻井平台
海上钻井平台主要有自升式和半潜式钻井平台。
自升式钻井平台由平台、桩腿和升降机构组成，平台能沿桩腿升降，一般无自航能力。
1953年美国建成第一座自升式平台，这种平台对水深适应性强，工作稳定性良好，发展较快，约占移动式钻井装置总数的1／2。
工作时桩腿下放插入海底，平台被抬起到离开海面的安全工作高度，并对桩腿进行预压，以保证平台遇到风暴时桩腿不致下陷。
完井后平台降到海面，拔出桩腿并全部提起，整个平台浮于海面，由拖轮拖到新的井位。
半潜式钻井平台 ，上部为工作甲板，下部为两个下船体，用支撑立柱连接。
工作时下船体潜入水中，甲板处于水上安全高度，水线面积小，波浪影响小，稳定性好、自持力强、工作水深大，新发展的动力定位技术用于半潜式平台后，工作水深可达900～1200米 。
半潜式与自升式钻井平台相比，优点是工作水深大，移动灵活；缺点是投资大，维持费用高，需有一套复杂的水下器具，有效使用率低于自升式钻井平台。
通常海上石油钻井平台分自升式钻井平台、半潜式钻井平台和钻井船。
自升式钻井平台通过桩腿直接插入海底泥床，平台顺着桩腿升起离开海面，通常适合于较浅的水深，如120米以下。
半潜式钻井平台和钻井船都是浮于海平面，通过锚链或动力定位，可以作业至最大3000米的水深。
钻井平台要求承载系统刚度高，控制灵敏，并联机构具有巨大的优势。
图2-5 海上钻井平台模型
图2-6 美国石油公司的海上钻井平台
2.4 并联机床
虚拟轴车床是并联机构在工程应用领域最成功的范例,与传统数控机床相比较,它具有传动链短、结构简单、制造方便、刚性好、重量轻、速度快、切削效率高、精度高、成本低等优点,容易实现六轴联动,因而能加工复杂的三维曲面。
1994年在芝加哥国际机床博览会上，美国Giddings&Lewis公司和英国Geodetic公司首次展出了称为VARIAX和Hexapods的虚拟轴机床，如图2-7所示，被认为是二十世纪以来机床结构的最大变革与创新。
此后欧洲各国和日本也竞相研制。
1997年在德国汉诺威国际机床博览会(EMO97)和1999年巴黎国际机床博览会(EMO99)上，又推出了多种并联机床样机。
图2-8是瑞典Neos Robotics 公司生产的Tricept 600型并联机床，用于汽车装配自动线，可以完成加工、装配、焊接等工序。
图2-9是德国Mikromat公司生产的Hexa 6X型高速立式加工。
