王印博
中车唐山机车车辆有限公司 河北唐山 064000
摘要：并联机构是由两条以上的支链连接动平台和定平台组成，机构的多链和多环的特点导致机构输入输出之间的耦合性，虽然耦合性使机构提高了刚度和承载能力，但耦合性给并联机构的应用也带来了局限性。目前，在机器人产业快速发展的今天，机器人已应用于各个领域包括工业生产、海空探索、康复和军事领域。完全解耦并联机构具体适用于医疗卫生事业的微操作机器人，也可用于喷涂、显微注射等领域。对于微操作机器人的研发设计来说，良好的机构设计是机器人性能优良的保证，同时合理的机构设计对于控制系统来说也是至关重要的。
关键词：并联；机器人；机构
1引言
并联机器人机构学是近20年来国际机构学的研究热点和学科前沿，也是我国学者在国际上具有重要学术影响的研究领域之一。并联机器人是继串联操作臂和并联平台之后出现的一种新型并联机器人机构，由于采用柔索代替连杆作为并联机构的牵引元件，因此柔索并联机器人具有结构简单、工作空间大、易拆装、可重组、模块化程度高、负载能力强、运动速度快以及价格低廉等特点。
2 少自由度并联机器人机构
少自由度并联机器人机构的研究已成为了国际上机器人学研究热点之一.由于在很多工业实际应用中,如机床制造业、激光对准、卫星天线的信号追踪,零件的搬运安装、数控机床换刀、光碟安放等等场合,要求并联机器人机构只具有2～5个自由度就能够满足实际需要.如果采用6自由度的并联机器人机构,会因铰约束、支链干涉、奇异位形等的影响,使其实现姿态的能力随着其位置空间的增加而缩减,还会增加机器人结构和控制方面的复杂程度.而少自由度并联机器人机构具有结构简单、工作空间较大、控制方便等优点,具有良好的应用前景.
少自由度并联机构结构综合的步骤是并联机构结构综合过程中非常重要的一步,在构造过程中不但要找出所有满足运动特征的支链类型,还要考虑支链配置的合理性、结构的复杂性、运动的连续性和机构奇异性等各种因素的影响.构造与配置并联机构的支链结构.这是并联机构结构综合过程中非常重要的一步,在构造过程中不但要找出所有满足运动特征的支链类型,还要考虑支链配置的合理性、结构的复杂性、运动的连续性和机构奇异性等各种因素的影响.
3 自由度无耦合空间移动并联机器人机构
强运动学耦合性是一般并联机器人机构的共同特性，虽然其可以提高机构的结构刚度和承载能力，但也带来了机构运动学求解难度大、控制系统设计复杂等难题，这在一定程度上阻碍了并联机器人机构的推广及应用。因此，解耦并联机器人机构的创新设计成为机构和机器人领域一个新的研究方向，这类机构尤其适用于运动精度要求高而承载能力要求不高的工作场合。目前，解耦并联机器人机构得到了国内外诸多学者关注和研究。R-CUBE型解耦移动并联机器人机构，该机构仅包含转动副，理论分析表明，该机构在用作拾取装置时，在短时间内可获得较高的运行速度。3自由度无耦合空间移动并联机器人机构，该机构由动平台、静平台以及连接两平台的3条具有相同结构的分支运动链组成。
基于螺旋理论分析机构的运动输出特性，推导出机构位置、速度以及加速度的解析表达式；由于其雅可比矩阵为3×3阶对角阵，表明该机构的输入运动和输出运动呈一一对应的关系。
4 完全解耦并联机构
完全解耦并联机构的输入输出分析展开研究，基于机构的正逆雅可比矩阵均为非零对角阵时，其雅可比矩阵也为非零对角阵的理论，提出了一种基于螺旋理论的完全解耦并联机构型综合原理。该原理主要是遵循支链驱动原则，通过构造符合解耦条件的支链结构，根据提出的支链选取原则依次选取用于连接动、定平台的每条支链，完成完全解耦并联机构的型综合。最后针对综合的一种完全解耦并联机构，求得其运动雅可比矩阵验证了机构的解耦特性。并联机构的运动特征是组成并联机构各条支链运动特征求和的结果。根据并联机构组成原理，当机构的输出特征为移动特征时，当机构每条支链均具有该方向的移动特征时，机构将具有该方向的转动输出;对于转动输出特征，不仅每条支链中均需具有沿输出方向的转动特征，同时任意两条支链需具有垂直于输出方向的二维移动特征。本文综合的机构为并联机构，每条支链均具有三维移动特征，所以只需从上述综合的每条支链中，任意选择一条支链，即可获得完全解耦并联机构。
5 无耦合完全各向同性并联机器人机构
无耦合完全各向同性并联机器人机构并联机构进行了构型综合综合的并联机构采用支链独立驱动原则，即并联机构的输出运动是由独立的输入驱动提供的。首先根据并联机构的运动特征和完全各向同性并联机构的正逆雅可比矩阵必为对角阵的要求，利用螺旋理论构造满足所期望形式的正逆雅可比矩阵；其次根据正逆雅可比矩阵所要满足的条件，确定支链驱动副作用于动平台上的使动螺旋，再得到该使动螺旋对应支链上的表示驱动副的驱动螺旋和除驱动螺旋之外的其他运动螺旋系，据此可完成支链结构螺旋系的配置；最后根据约束螺旋理论依次取出两条支链连接动平台和定平台得到并联机构。如果能保证机构的正逆雅可比矩阵均为非零对角阵，则此机构一定是完全各向同性并联机构，也是完全解耦并联机构。基于此结论，本文提出了一种利用螺旋理论来构造正逆雅可比矩阵均为对角阵的方法，进而得到满足期望要求的并联机构。由于机构的正逆雅可比矩阵与使动螺旋和驱动螺旋有关，所以可以通过给定使动螺旋和驱动螺旋的形式，来得到对角非零的正逆雅可比矩阵。又因为驱动螺旋是根据驱动副得到的，在支链中随着机构动平台及支链的运动，驱动螺旋的表达式可能会发生改变，所以本文中驱动副均和固定平台直接相连，以保证驱动螺旋的形式不会随着支链的运动而改变。所以属于完全各向同性并联机构，同时机构的输出自由度是由独立的输入驱动提供的，即每条支链只含有一个驱动副，控制动平台的一个输出自由度，也满足完全解耦并联机构的结构特性。
6总结
相对于传统的串联机器人机构，并联机器人机构具有独特的优势，如刚度大、承载能力强、累积误差小、动力学性能好等，已成为机器人技术领域研究的热点之一。其中，少自由度并联机器人机构具有结构简单，运动学分析相对容易，制造成本低以及控制系统设计难度较低等优点，在3D打印机、并联运动机床、工业机器人、医用机器人等产业中具有广阔的应用前景。
参考文献
［1］王田苗，陶永．我国工业机器人技术现状与产业化发展战略［J］．机械工程学报，2014，50(9):1－13．
［2］冯李航，张为公，龚宗洋，等．Delta系列并联机器人研究进展与现状［J］．机器人，2014，36(3):375－384．