并联机器人构型方法

沙湾县

机器人机构设计中最重要的步骤之一是解决机构型综合的问题,机器人机构构型方法的研究具有十分重要的理论和实际意义,尤其是并联机器人的型综合方法一直以来都受到国内外许多研究学者的关注。在并联机器人机构的构型理论研究中,基于机构末端运动特征描述与机构需要完成的功能的简单有效的构型方法还缺乏系统的研究。

并联机器人机构构型方法研究

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多自由度机构，其构型综合是一个非常具有挑战性的难题。目前国内外主要有 5 种并联机构的型综合研

究方法，即：基于机构的结构公式的构型方法、基于螺旋理论的综合方法、基于群论和微分几何的综合

方法、基于单开链的型综合方法以及基于集合的综合方法。

1-3-1 基于机构的结构公式的构型方法

基于机构的结构公式（即自由度计算公式）的构型方法是比较传统的一种并联机构的型综合方法。

Tsai

[84]

在 1999 年用基于计算自由度的 Grübler-Kutzbach 公式的列举法综合了一类三自由度并联机构。

基于并联机构自由度计算的一般 Grübler-Kutzbach 公式为

( )

1

1

=

= + ∑

g

i

i

M d n g f (1.1)

式中 M 为机构的自由度数；

d 为机构的阶；

n 为机构的杆件数(包括机架)；

g 为运动副数；

i

f 为第 i 个运动副的自由度数。

当给定机构的自由度数 M 后，根据(1.1)寻求机构的每个分支运动链的运动副数。并联机构属于空

间多环机构，其独立环路数l 可以由下式给出

l = g n +1 (1.2)

该式即为著名的欧拉环路公式。将上式带入(1.1)中，可得到

=1

∑= +

g

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i

i

f M d l (1.3)

定义并联机构中第 j 个分支总的自由度数为

j

C ，则有下式成立

=1 =1

∑ =∑

mg

j i

j i

C f (1.4)

将(1.4)代入(1.3)消去

i

f 后得到

∑= +

m

j

j

C M d l (1.5)

对于分支运动链结构相同，且分支数等于机构自由度数的对称并联机构，又有以下条件成立 m = M且 l = M 1 (1.6)

把(1.6)代入(1.5)消去l 后得到

= +1

j

d

C d

M

(1.7)

由上式在已知d 和 M 时，可以得到分支运动链的自由度数

j

C ，从而给出分支运动链。例如，d =3，

M =3时，由式(1.7)可得

j

C =3，分支运动链可以是 RRR、RPR、PRR 等。 并联机器人机构构型方法研究 1 0

寻找可以生成{ }

gi

L 的分支运动链，此时可利用位移子群乘法运算的封闭性获得不同结构的分支。 Hervé 和 Angeles 等较早将李群理论引入并联机构型综合。1978 年，Hervé

[113]

基于位移群的代数结

构对运动链进行了分类，证明了所有六种低副所生成的运动都是位移子群，还给出了另外六

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以及子群间交集的运算法则，奠定了位移子群以及子群间交集的运算法则和位移子群综合法的理论基

础。之后，Hervé 等人

[114-124]

分析了位移子群及其对应的李代数，认为并联机构动平台的位移群是所有

串联分支的位移群的交集，先后用位移子群综合法研究了三自由度移动并联机构、三自由度球面并联机

构、非对称无过约束球面并联机构、非对称的 2T1R 和 1T2R 三自由度并联机构的型综合，并将这种方

法发展至 doubly planar bond 和 planar spherical bond 型单链的并联机构综合问题上。他指出，李群代数

方法可以系统地解释一些人们所熟悉的并联机构运动。

此外，李秦川等

[125-127]

运用李群和李代数概念对三自由度移动并联机构以及 3R2T 型五自由度机构

的型综合进行了系统的分析，综合出数种三自由度移动并联机构和 3R2T 型五自由度并联机构；并进一

步提出基于李群的位移流形综合理论，综合出多种少自由度并联机构。Angeles

[128]

运用群的理论提出了

构造并联机构的 II 型、II

2

型、II

3

型铰链。

位移子群综合法的优点在于可以给出具有确定几何关系的分支运动链以及用多个分支运动链构造

并联机构时的几何条件，而且位移子群代表的是连续运动，得到的机构都是非瞬时机构。然而，刚体的

大多数运动并不具有群的代数结构，这种方法“由于必须保持群的代数结构而应用有限”

[85]

，例如，

两移动三转动 2T3R、三移动两转动 3T2R、一移动三转动 1T3R、两移动两转动 2T2R、一移动两转动

1T2R 和两移动一转动 2T1R 均无对应的位移子群。

李泽湘等

[129-131]

运用李群和李代数对少自由度并联机构的综合和分析建立一套严格准确的几何理

论，并提出了微分几何综合法，通过同时研究 SE(3)的代数和微分几何性质，提供了一个用李群和子流

形统一描述基本运动副和串、并联机构末端执行器运动类型的理论框架。该方法可被认为是李群代数法

的完全推广，是一种一般性综合方法，可以综合包含李子群和子流形运动类型在内的所有并

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1-3-4 基于单开链（SOC）的综合方法

杨廷力等

[132-138]

提出基于单开链的并联机器人机构的构型方法，该方法的基本思想是以单开链支路

为结构综合单元，先构造单开链，确定其运动输出特征矩阵，然后对构成并联机构每个单开链的运动输

出特征矩阵求交集，根据得到的交集来确定动平台的自由度及其类型，从而综合所期望的并联机构。

在综合过程中充分考虑了运动副的等效性原理，即用平行四边形 4R 机构替代 P 副，用平行四边形

4R 机构替代 P 副可以改善并联机构的有关性能，如快速运动、提高机构效率等，用圆柱副 C 替代 R、

P 副，综合出了 29 种新型三平移并联机构，50 种新型三平移一转动并联机构和 49 种新型三平移两转

动并联机构。

基于单开链的综合方法将机构的综合分为两个部分，一是运动输出特征矩阵的求交，另一个是自由

度的非线性约束。方位特征矩阵的交运算是动平台运动输出的必要条件，只有同时考虑线性运算和自由河北工业大学博士学位论文

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但随着研究的深入，人们发现这种列举法还存在一些问题，如 Merlet

[85]

在 2002 年 ASME 年会的特

邀主题报告指出，列举法“未考虑运动副的几何布置，容易得出无效的结果”。这些问题归纳起来包括：

(1) 不能综合出具有指定自由度性质的并联机构。

(2) 机构的阶 d 的取值难以确定，从而限制了应用范围。一般认为，六自由度并联机构的阶数为 6，

而平面机构和球面机构的阶数为 3。

(3) 没有考虑冗余约束。

(4) 无法给出综合出的分支运动链中各运动副间的相对几何关系和所有分支间的几何关系。

(5) 无法判别得到的机构是否为瞬时机构。

1-3-2 基于螺旋理论的综合方法

螺旋理论是空间机构学研究中非常重要的数学工具

[86-92]

。黄真、L. W. Tsai 和 C. M. Gosselin 等基于

运动螺旋、约束螺旋、反螺旋和螺旋系 …… 此处隐藏：4889字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……