1、關(guān)聯(lián)機構的提出及特點(diǎn) 1965年，德國Stewart發(fā)明了6個(gè)自由度并聯(lián)機構，作為飛行模擬器訓練飛行員。1978年，澳大利亞著(zhù)名機構學(xué)教授Hunt建議將并聯(lián)機構用于機器人手臂。其次，Maccallion和Pham.D.J首次根據操作器設計該機構，成功將Stewart機構用于組裝生產(chǎn)線(xiàn)，標志著(zhù)真正意義上的并聯(lián)機器人的誕生，從此推動(dòng)了并聯(lián)機器人的發(fā)展歷史。典型的Stewart并聯(lián)機器人。如圖1所示。 相對于串聯(lián)機器人來(lái)說(shuō)，并聯(lián)機器人具有以下優(yōu)點(diǎn)： ①與串聯(lián)機構相比，剛度大，結構穩定； ②承載能力強； ③精度高； ④運動(dòng)慣性??； ⑤在位置求解上，串聯(lián)機構正解容易，反解困難，而并聯(lián)機器人正解困難，反解容易。 由于并聯(lián)機器人的在線(xiàn)實(shí)時(shí)計算是要求計算反解的，這對串聯(lián)機構十分不利，而并聯(lián)機構卻容易實(shí)現，由于這一系列優(yōu)點(diǎn)，因而擴大了整個(gè)機器人的應用領(lǐng)域。 2、并聯(lián)機器人的研究現狀 自1987年Hunt提出并聯(lián)機器人結構模型以來(lái)，并聯(lián)機器人的研究受到許多學(xué)者的關(guān)注。美國、日本先后有Roney、Ficher 、Duffy 、Sugimoto等一批學(xué)者從事研究，英國、德國、俄羅斯等一些歐洲國家也在研究。國內燕山大學(xué)的黃真教授自1982年以來(lái)在美國參加了此項內容的研究，并于1983年取得了突破性進(jìn)展。迄今為止，并聯(lián)機構的樣機各種各樣，包括平面的、空間不同自由度的、不同布置方式的、以及超多自由度并串聯(lián)機構。大致來(lái)說(shuō)，60年代曾用來(lái)開(kāi)發(fā)飛行模擬器，70年代提出并聯(lián)機器手的概念，80年代來(lái)開(kāi)始研制并聯(lián)機器人機床，90年代利用并聯(lián)機構開(kāi)發(fā)起重機，日本的田和雄、內山勝等則用串聯(lián)機構開(kāi)發(fā)宇宙飛船空間的對接器。 此后，日本、俄羅斯、意大利、德國以及歐洲的各大公司相繼推出并聯(lián)機器人作為加工工具的應用機構。我國也非常重視并聯(lián)機器人及并聯(lián)機床的研究與開(kāi)發(fā)工作，中國科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、東北大學(xué)、浙江大學(xué)、燕山大學(xué)等許多單位也在開(kāi)展這方面研究工作，并取得了一 定的成果。 3、并聯(lián)機器人分類(lèi) 自1993年，第一臺并聯(lián)機器人在美國德州自動(dòng)化與機器人研究所誕生以來(lái)，并聯(lián)機器人無(wú)論在結構和外型都得到了充分的發(fā)展，其可分為以下幾類(lèi)： （1）按自由度的數目分類(lèi)，并聯(lián)機器人可做F自由度（DOF）操作，則稱(chēng)其為F自由度并聯(lián)機器人。例如：一并聯(lián)機器人有六個(gè)自由度，稱(chēng)其為6-DOF并聯(lián)機器人。冗余并聯(lián)機器人，即其自由度大于六的并聯(lián)機構。欠秩并聯(lián)機器人，即機構的自由度小于其階的并聯(lián)機構。 （2） 按并聯(lián)機構的輸入形式分類(lèi)，可將并聯(lián)機器人分為：線(xiàn)性驅動(dòng)輸入并聯(lián)機器人和旋轉驅動(dòng)輸入并聯(lián)機器人。研究較多的是線(xiàn)性驅動(dòng)輸入的并聯(lián)機器人，這種類(lèi)型的機 器人位置逆解非常簡(jiǎn)單，且具有唯一性。旋轉驅動(dòng)輸入型并聯(lián)機器人與線(xiàn)性驅動(dòng)輸入并聯(lián)機器人相比，具有結構更緊湊、慣量更小、承載能力相對更強等優(yōu)點(diǎn)；但它 的旋轉輸入形式?jīng)Q定了位置逆解的多解性和復雜性。 （3）按支柱的長(cháng)度是否變化分類(lèi)，可將并聯(lián)機器人分為：一種為采用可變化的支柱進(jìn)行支撐上下平 臺的并聯(lián)機器人。例如：這種六桿的并聯(lián)機器人稱(chēng)為Hexapod，運動(dòng)平臺和基座由六個(gè)長(cháng)度可變化的支柱連接的，每個(gè)支柱的兩端分別由鉸鏈連接在運動(dòng)平臺 和基座上，通過(guò)調節支柱的長(cháng)度來(lái)改變運動(dòng)平臺的位姿。另一種為采用固定長(cháng)度的支柱進(jìn)行支撐上下平臺的并聯(lián)機器人。例如：這種六桿的并聯(lián)機器人稱(chēng)為 Hexaglide，運動(dòng)平臺和基座是由六個(gè)長(cháng)度固定的支柱連接的，每個(gè)支柱一端由鉸鏈連接在運動(dòng)平臺上，另一端通過(guò)鉸鏈連接在基座上，該端鉸鏈可沿著(zhù)基 座上固定的滑道上下進(jìn)行移動(dòng)，由此來(lái)改變運動(dòng)平臺的位姿。 4、并聯(lián)機器人的運動(dòng)學(xué)分析 運動(dòng)學(xué)中的主要參數：位置、位移、速度、加速度 和時(shí)間。運動(dòng)學(xué)分析主要研究并聯(lián)機構正逆解問(wèn)題。當給定并聯(lián)機器人上平臺的位姿參數，求解各輸入關(guān)節的位置參數是并聯(lián)機器人運動(dòng)學(xué)位姿反解問(wèn)題。當給定并 聯(lián)機器人各輸入節點(diǎn)的位置參數，求解并聯(lián)機器人上平臺的位姿參數是并聯(lián)機器人的運動(dòng)學(xué)正解問(wèn)題。與串聯(lián)機器人相反，并聯(lián)機器人位置逆解比較容易，而正解非 常復雜。最為普遍的研究方法有兩種：數值解法和解析解法[9]。 數值解法數學(xué)模型簡(jiǎn)單，可以求解任何并聯(lián)機構，但是不能求得機構的所有位置解。學(xué)者們使用了多種降維搜索算法，來(lái)獲得位置正解。 數值解法是指求解一組非線(xiàn)性方程，非線(xiàn)性方程是矢量環(huán)方程經(jīng)過(guò)一些具體結構的代數處理后，直接導出的，從而求得與輸入位移對應的運動(dòng)平臺的位置和姿態(tài)。由 于其省去了煩瑣的數學(xué)推導，計算方法簡(jiǎn)單，但此方法計算速度較慢，不能保證獲得全部解，并且最終的結果與初值的選取有關(guān)。黃真早在1985年就提出對于含 三角平臺的并聯(lián)機構可以簡(jiǎn)化為只含有一個(gè)變量的非線(xiàn)性方程一維搜索法，明顯地提高了求解速度[3]。西南交大陳永等提出了一種基于同倫函數的新迭代法，不 需選取初值并可求出全部解[4]。該方法用于求解一般的6-SPS并聯(lián)機構的位置正解，較方便的求出了全部40組解。 解析法是通過(guò)消元法消去機構約束方程中的未知數，從而獲得輸入輸出方程中僅含一個(gè)未知數的多項式。該方法能夠求得全部的解。輸入輸出的誤差效應可以定量地表示出來(lái)，并可以避免奇異問(wèn)題，在理論和應用上都有重要意義。 北京工業(yè)大學(xué)的饒青等利用機構的幾何等同性原理建立正解的基本方程，最后推導出了一個(gè)20階的一元位移輸入輸出方程，從而得到了封閉正解。 5、并聯(lián)機器人動(dòng)力學(xué)分析 動(dòng)力學(xué)是研究物體的運動(dòng)和作用力之間的關(guān)系，并聯(lián)機器人是一個(gè)復雜的動(dòng)力學(xué)系統，存在著(zhù)嚴重的非線(xiàn)性，由多個(gè)關(guān)節和多個(gè)連桿組成，具有多個(gè)輸入和輸出，他們 之間存在著(zhù)錯綜復雜的耦合關(guān)系。因此，要分析機器人的動(dòng)力學(xué)特性，必須采用非常系統的方法?，F有的分析方法很多，有拉格朗日（lagrange）方法，牛 頓·歐拉（Newton·Euler）方法，高斯（Gauss）方法，凱恩（Kane）方法，旋量（對偶數）方法和羅伯遜·魏登堡 （Roberson·Wittenburg）方法等。早期進(jìn)行動(dòng)力學(xué)的討論是Ficher和Merlet，在忽略連桿的慣性和關(guān)節的摩擦后，得出了 Stewart機器人的動(dòng)力學(xué)方程。Do和Yang通過(guò)Newton-Euler法，在假定關(guān)節無(wú)摩擦，各支桿為不對稱(chēng)的細桿（即重心在軸上且 繞軸向的轉動(dòng)慣量可以忽略）條件下，完成了Stewart機器人的逆動(dòng)力學(xué)分析。 6、奇異結構分析 當機器人機構處于某些穩定的 形位時(shí)，其雅克比（Jacobian）矩陣成為奇異陣，行列式為零，這時(shí)機構的速度反解不存在，機構的這種形位就稱(chēng)為奇異形位。并聯(lián)機器人特征之一是高剛度，然而，若并聯(lián)機器人在奇異位移時(shí)，會(huì )造成很大的問(wèn)題。因為機器人在處于該位置時(shí)不能承受任何負載，其操作平臺具有多余的自由度，機構將失去控制。因 而，在設計和使用并聯(lián)機器人時(shí)，必須將奇異位姿排除在工作領(lǐng)域之外。 另一種方法是奇異位置方程，通過(guò)求解該方程來(lái)確定奇異位置。Shi和Fenton應用正瞬態(tài)運動(dòng)學(xué)方程來(lái)確定奇異矩陣。Sefrioui和Gossellin針對一平面的3-DOF并聯(lián)機器人推導出奇異軌跡的解析表達式。 Fitcher發(fā)現了Stewart平臺機構的奇異位置：即運動(dòng)平臺平行基座時(shí)，繞Z軸旋轉± 的位置。機構奇異形位可以通過(guò)分析機構的雅克比矩陣行列式等于零的條件求得。 7、工作空間分析 工作空間分析是設計并聯(lián)機器人操作器的首要環(huán)節。機器人的工作空間是機器人操作器的工作區域，是衡量機器人性能的重要指標。根據操作器工作時(shí)的位姿特點(diǎn)，工 作空間可分為可達工作空間和靈活工作空間?？蛇_工作空間是指操作器上某一參考點(diǎn)可以到達的所有點(diǎn)的集合，這種工作空間不考慮操作的位姿。靈活工作空間是指 操作器上某一參考點(diǎn)可以從任何方向到達的點(diǎn)的集合。 并聯(lián)機器人的一個(gè)最大弱點(diǎn)是空間小，應該說(shuō)這是一個(gè)相對的概念。同樣的機構尺寸，串聯(lián)機器人比并聯(lián)機器人工作空間大；具備同樣的工作空間，串聯(lián)機構比并聯(lián)機構小。 并聯(lián)機器人工作空間的解析求解是一個(gè)非常復雜的問(wèn)題，它在很大程度上依賴(lài)于結構位姿解的研究成果，至今仍沒(méi)有完善的方法。Ficher采用固定6個(gè)位姿參數 中的3個(gè)姿態(tài)參數和一個(gè)位置參數，而讓其他兩個(gè)交換研究了6自由度并聯(lián)機器人的工作空間。Gosselin則利用圓弧相交的方法來(lái)確定6自由度并聯(lián) 機器人的定姿態(tài)工作空間，并給出了工作空間的3維表示。此法以求工作空間的邊界為目的，效率較高，且可以直接計算工作空間的體積。 8、展望 并聯(lián)機器人雖然經(jīng)過(guò)了幾十年的研究，取得了很大的進(jìn)展，但是還有大量的工作需要進(jìn)一步研究。 （1）探索力冗余度Stewart平臺機器人的冗余度解決方案。 （2）并聯(lián)機器人工作空間及奇異位形的研究。 （3）并聯(lián)機器人的動(dòng)力學(xué)理論和試驗研究。 （4）并聯(lián)機器人的模塊化設計。 （5）加強少自由度并聯(lián)機器人的研究。 （6）基于良性工作空間（Well-Conditioned Workspace）的Stewart機器人的運動(dòng)學(xué)優(yōu)化綜合。