[科普中国]-并联机器人

并联机构（Parallel Mechanism，简称PM），可以定义为动平台和定平台通过至少两个独立的运动链相连接，机构具有两个或两个以上自由度，且以并联方式驱动的一种闭环机构。

（1）无累积误差，精度较高；

（2）驱动装置可置于定平台上或接近定平台的位置，这样运动部分重量轻，速度高，动态响应好；

（3）结构紧凑，刚度高，承载能力大；

（4）完全对称的并联机构具有较好的各向同性；

（5）工作空间较小；

根据这些特点，并联机器人在需要高刚度、高精度或者大载荷而无须很大工作空间的领域内得到了广泛应用。

1978年，Hunt首次提出把六自由度并联机构作为机器人操作器，由此拉开并联机器人研究的序幕，但在随后的近10年里，并联机器人研究似乎停滞不前。直到80年代末90年代初，并联机器人才引起了广泛注意，成为国际研究的热点。

在国内，燕山大学教授黄真教授在1991年研制出我国第一台六自由度并联机器人样机(图1-5)，在1994年研制出一台柔性铰链并联式六自由度机器人误差补偿器，在1997年出版了我国第一部关于并联机器人理论及技术的专著，2006年又出版了《高等空间机构学》。

黄真，男，汉族，1936年2月出生，江苏宜兴人，教授，1959年毕业于哈尔滨工业大学机械工艺专业，现任燕山大学教授,博士生导师。

他是我国最早的一位从事并联机器人研究的学者，也是该领域的最著名的学者。他多次参加国际学术活动，在国际上已有较大的影响，特别是在2004年举行有44个国家500多名学者参加的国际机器和机构学学会国际学术年会第11届大会上，他为6个中心发言人之一。

他主要从事机器人学、和并联机器人机械学等方面的研究工作。多年来，先后承担国家自然科学基金项目9项，国家863项目3项，国家科技攻关等项目共计20余项。已在国内外发表论文280余篇，其中国际著名杂志《Mechanism and Machine Theory》、《International Journal of Robotics Research》, 《Journal of Robotic Systems》，《ASME Journal of Mechanical Design》发表30余篇；ASME、IEEE等国际会议发表论文50余篇；《中国科学》及国内一级学术杂志《机械工程学报》、《中国机械工程》、等发表论文40余篇。其中129篇次被三大索引（SCI－33、EI－88和ISTP－8）收录，他引总共369次。出版专著《空间机构学》（1991年）和《并联机器人机构学理论及控制》（1997年），后者被审定为“全国高技术重点图书”。今年他的专著《高等空间机构学》又被教育部审定为全国研究生指定教材，已于2006年6月出版。

他的研究成果已获国家教育部科自然科学1等奖2项，河北省科技进步1等奖2项等科技奖励共计16项。目前，作为课题主要负责人主持国家自然科学基金等项目2项及河北省高层次特别优秀人才支持计划。

黄真教授治学严谨、知识渊博、诲人不倦，直到现在的近70岁的高龄仍旧奋战在科学研究的第一线。黄真教授在工作中他多次受到党和政府的表彰，多次被评为省管优秀专家。并多次获秦皇岛市劳动模范、河北省劳动模范和原机械工业部劳动模范等光荣称号。

螺旋理论

1965 年，德国Stewart 发明了六自由度并联机构，并作为飞行模拟器用于训练飞行员。1978年澳大利亚著名机构学教授Hunt提出将并联机构用于机器人手臂。

并联机构的特点：

（1）与串联机构相比刚度大，结构稳定；

（2）承载能力大；

（3）微动精度高；

（4）运动负荷小；

（5）在位置求解上，串联机构正解容易，但反解十分困难，而并联机构正解困难反解却非常容易。

由于机器人在线实时计算是要计算反解的，这对串联式十分不利，而并联式却容易实现。

从运动形式来看，并联机构可分为平面机构和空间机构；细分可分为平面移动机构、平面移动转动机构、空间纯移动机构、空间纯转动机构和空间混合运动机构,

另可按并联机构的自由度数分类：

（1 ）2 自由度并联机构。

2 自由度并联机构，如5-R、3-R-2-P（R 表示转动副，P 表示移动副）平面5杆机构是最典型的2自由度并联机构，这类机构一般具有2 个移动运动。

（2 ）3 自由度并联机构。

3 自由度并联机构各类较多，形式较复杂，一般有以下形式：平面3自由度并联机构，如3-RRR 机构、3-RPR 机构，它们具有2个移动和一个转动；球面3自由度并联机构，如3-RRR 球面机构、3-UPS-1-S 球面机构，3-RRR 球面机构所有运动副的轴线汇交空间一点，这点称为机构的中心，而3-UPS-1-S 球面机构则以S的中心点为机构的中心，机构上的所有点的运动都是绕该点的转动运动；3 维纯移动机构，如Star Like 并联机构、Tsai 并联机构和DELTA 机构，该类机构的运动学正反解都很简单，是一种应用很广泛的3维移动空间机构；空间3自由度并联机构，如典型的3-RPS 机构，这类机构属于欠秩机构，在工作空间内不同的点其运动形式不同是其最显著的特点，由于这种特殊的运动特性，阻碍了该类机构在实际中的广泛应用；还有一类是增加辅助杆件和运动副的空间机构，如德国汉诺威大学研制的并联机床采用的3-UPS-1-PU 球坐标式3 自由度并联机构，由于辅助杆件和运动副的制约，使得该机构的运动平台具有1 个移动和2 个转动的运动（也可以说是3个移动运动）1。

（3 ）4 自由度并联机构。

4 自由度并联机构大多不是完全并联机构，如2-UPS-1-RRRR 机构，运动平台通过3 个支链与定平台相连，有2个运动链是相同的，各具有1 个虎克铰U ，1 个移动副P ，其中P 和1 个R 是驱动副，因此这种机构不是完全并联机构。

（4 ）5 自由度并联机构。

现有的5 自由度并联机构结构复杂，如韩国Lee的5自由度并联机构具有双层结构（2 个并联机构的结合）。

（5 ）6 自由度并联机构。

6 自由度并联机构是并联机器人机构中的一大类，是国内外学者研究得最多的并联机构，广泛应用在飞行模拟器、6维力与力矩传感器和并联机床等领域。但这类机构有很多关键性技术没有或没有完全得到解决，比如其运动学正解、动力学模型的建立以及并联机床的精度标定等。从完全并联的角度出发，这类机构必须具有6个运动链。但现有的并联机构中，也有拥有3 个运动链的6 自由度并联机构，如3-PRPS 和3-URS 等机构，还有在3 个分支的每个分支上附加1个5杆机构作这驱动机构的6自由度并联机构等。

并联机构的出现可以回溯至20世纪30年代。

1931年，Gwinnett在其专利中提出了一种基于球面并联机构的娱乐装置（图1）；1940年，Pollard在其专利中提出了一种空间工业并联机构，用于汽车的喷漆（图2）；之后，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（图3）；三年后，Stewart首次对Gough发明的这种机构进行了机构学意义上的研究，并将其推广应用为飞行模拟器的运动产生装置，这种机构也是目前应用最广的并联机构，被称为Gough-Stewart机构或Stewart机构（图4）2。

（1）运动模拟器

（2）并联机床

（3）微操作机器人

（4）力传感器

其他：军事领域中的潜艇、坦克驾驶运动模拟器，下一代战斗机的矢量喷管、潜艇及空间飞行器的对接装置、姿态控制器等；生物医学工程中的细胞操作机器人、可实现细胞的注射和分割；微外科手术机器人；大型射电天文望远镜的姿态调整装置；混联装备等，如SMT公司的Tricept混联机械手模块是基于并联机构单元的模块化设计的成功典范。

其他方面的应用

并联机器人还广泛应用于其他领域，包括：

军事领域中的潜艇、坦克驾驶运动模拟器，下一代战斗机的矢量喷管、潜艇及空间飞行器的对接装置、姿态控制器等；

生物医学工程中的细胞操作机器人、可实现细胞的注射和分割；

微外科手术机器人；

大型射电天文望远镜的姿态调整装置；

混联装备等，如SMT 公司的Tricept 混联机械手模块是基于并联机构单元的模块化设计的成功典范3。