並聯機器人

並聯機構（Parallel Mechanism，簡稱PM），可以定義為動平台和定平台通過至少兩個獨立的運動鏈相連接，機構具有兩個或兩個以上自由度，且以並聯方式驅動的一種閉環機構。

（1）無累積誤差，精度較高；

（2）驅動裝置可置於定平台上或接近定平台的位置，這樣運動部分重量輕，速度高，動態響應好；

（3）結構緊湊，剛度高，承載能力大；

（4）完全對稱的並聯機構具有較好的各向同性；

（5）工作空間較小；

根據這些特點，並聯機器人在需要高剛度、高精度或者大載荷而無須很大工作空間的領域內得到了廣泛應用。

1978年，Hunt首次提出把六自由度並聯機構作為機器人操作器，由此拉開並聯機器人研究的序幕，但在隨後的近10年裏，並聯機器人研究似乎停滯不前。直到80年代末90年代初，並聯機器人才引起了廣泛注意，成為國際研究的熱點。

在國內，燕山大學教授黃真教授在1991年研製出我國第一台六自由度並聯機器人樣機(圖1-5)，在1994年研製出一台柔性鉸鏈並聯式六自由度機器人誤差補償器，在1997年出版了我國第一部關於並聯機器人理論及技術的專著，2006年又出版了《高等空間機構學》。

黃真，男，漢族，1936年2月出生，江蘇宜興人，教授，1959年畢業於哈爾濱工業大學機械工藝專業，現任燕山大學教授,博士生導師。

他是我國最早的一位從事並聯機器人研究的學者，也是該領域的最著名的學者。他多次參加國際學術活動，在國際上已有較大的影響，特別是在2004年舉行有44個國家500多名學者參加的國際機器和機構學學會國際學術年會第11屆大會上，他為6箇中心發言人之一。

他主要從事機器人學、和並聯機器人機械學等方面的研究工作。多年來，先後承擔國家自然科學基金項目9項，國家863項目3項，國家科技攻關等項目共計20餘項。已在國內外發表論文280餘篇，其中國際著名雜誌《Mechanism and Machine Theory》、《International Journal of Robotics Research》, 《Journal of Robotic Systems》，《ASME Journal of Mechanical Design》發表30餘篇；ASME、IEEE等國際會議發表論文50餘篇；《中國科學》及國內一級學術雜誌《機械工程學報》、《中國機械工程》、等發表論文40餘篇。其中129篇次被三大索引（SCI－33、EI－88和ISTP－8）收錄，他引總共369次。出版專著《空間機構學》（1991年）和《並聯機器人機構學理論及控制》（1997年），後者被審定為“全國高技術重點圖書”。他的專著《高等空間機構學》又被教育部審定為全國研究生指定教材，已於2006年6月出版。

他的研究成果已獲國家教育部科自然科學1等獎2項，河北省科技進步1等獎2項等科技獎勵共計16項。作為課題主要負責人主持國家自然科學基金等項目2項及河北省高層次特別優秀人才支持計劃。

黃真教授治學嚴謹、知識淵博、誨人不倦，直到近70歲的高齡仍舊奮戰在科學研究的第一線。黃真教授在工作中他多次受到黨和政府的表彰，多次被評為省管優秀專家。並多次獲秦皇島市勞動模範、河北省勞動模範和原機械工業部勞動模範等光榮稱號。

螺旋理論

1965 年，德國Stewart 發明了六自由度並聯機構，並作為飛行模擬器用於訓練飛行員。1978年澳大利亞著名機構學教授Hunt提出將並聯機構用於機器人手臂。

並聯機構的特點：

（1）與串聯機構相比剛度大，結構穩定；

（2）承載能力大；

（3）微動精度高；

（4）運動負荷小；

（5）在位置求解上，串聯機構正解容易，但反解十分困難，而並聯機構正解困難反解卻非常容易。

由於機器人在線實時計算是要計算反解的，這對串聯式十分不利，而並聯式卻容易實現。

從運動形式來看，並聯機構可分為平面機構和空間機構；細分可分為平面移動機構、平面移動轉動機構、空間純移動機構、空間純轉動機構和空間混合運動機構,

另可按並聯機構的自由度數分類：

（1 ）2 自由度並聯機構。

2 自由度並聯機構，如5-R、3-R-2-P（R 表示轉動副，P 表示移動副）平面5杆機構是最典型的2自由度並聯機構，這類機構一般具有2 個移動運動。

（2 ）3 自由度並聯機構。

3 自由度並聯機構各類較多，形式較複雜，一般有以下形式：平面3自由度並聯機構，如3-RRR 機構、3-RPR 機構，它們具有2個移動和一個轉動；球面3自由度並聯機構，如3-RRR 球面機構、3-UPS-1-S 球面機構，3-RRR 球面機構所有運動副的軸線匯交空間一點，這點稱為機構的中心，而3-UPS-1-S 球面機構則以S的中心點為機構的中心，機構上的所有點的運動都是繞該點的轉動運動；3 維純移動機構，如Star Like 並聯機構、Tsai 並聯機構和DELTA 機構，該類機構的運動學正反解都很簡單，是一種應用很廣泛的3維移動空間機構；空間3自由度並聯機構，如典型的3-RPS 機構，這類機構屬於欠秩機構，在工作空間內不同的點其運動形式不同是其最顯著的特點，由於這種特殊的運動特性，阻礙了該類機構在實際中的廣泛應用；還有一類是增加輔助杆件和運動副的空間機構，如德國漢諾威大學研製的並聯機牀採用的3-UPS-1-PU 球座標式3 自由度並聯機構，由於輔助杆件和運動副的制約，使得該機構的運動平台具有1 個移動和2 個轉動的運動（也可以説是3個移動運動） ^[1]  。

（3 ）4 自由度並聯機構。

4 自由度並聯機構大多不是完全並聯機構，如2-UPS-1-RRRR 機構，運動平台通過3 個支鏈與定平台相連，有2個運動鏈是相同的，各具有1 個虎克鉸U ，1 個移動副P ，其中P 和1 個R 是驅動副，因此這種機構不是完全並聯機構。

（4 ）5 自由度並聯機構。

現有的5 自由度並聯機構結構複雜，如韓國Lee的5自由度並聯機構具有雙層結構（2 個並聯機構的結合）。

（5 ）6 自由度並聯機構。

6 自由度並聯機構是並聯機器人機構中的一大類，是國內外學者研究得最多的並聯機構，廣泛應用在飛行模擬器、6維力與力矩傳感器和並聯機牀等領域。但這類機構有很多關鍵性技術沒有或沒有完全得到解決，比如其運動學正解、動力學模型的建立以及並聯機牀的精度標定等。從完全並聯的角度出發，這類機構必須具有6個運動鏈。但現有的並聯機構中，也有擁有3 個運動鏈的6 自由度並聯機構，如3-PRPS 和3-URS 等機構，還有在3 個分支的每個分支上附加1個5杆機構作這驅動機構的6自由度並聯機構等。

並聯機構的出現可以回溯至20世紀30年代。

1931年，Gwinnett在其專利中提出了一種基於球面並聯機構的娛樂裝置（圖1）；1940年，Pollard在其專利中提出了一種空間工業並聯機構，用於汽車的噴漆（圖2）；之後，Gough在1962年發明了一種基於並聯機構的六自由度輪胎檢測裝置（圖3）；三年後，Stewart首次對Gough發明的這種機構進行了機構學意義上的研究，並將其推廣應用為飛行模擬器的運動產生裝置，這種機構也是目前應用最廣的並聯機構，被稱為Gough-Stewart機構或Stewart機構（圖4） ^[2]  。

（1）運動模擬器

（2）並聯機牀

（3）微操作機器人

（4）力傳感器

其他：軍事領域中的潛艇、坦克駕駛運動模擬器，下一代戰鬥機的矢量噴管、潛艇及空間飛行器的對接裝置、姿態控制器等；生物醫學工程中的細胞操作機器人、可實現細胞的注射和分割；微外科手術機器人；大型射電天文望遠鏡的姿態調整裝置；混聯裝備等，如SMT公司的Tricept混聯機械手模塊是基於並聯機構單元的模塊化設計的成功典範。

並聯機器人還廣泛應用於其他領域，包括：

軍事領域中的潛艇、坦克駕駛運動模擬器，下一代戰鬥機的矢量噴管、潛艇及空間飛行器的對接裝置、姿態控制器等；

生物醫學工程中的細胞操作機器人、可實現細胞的注射和分割；

微外科手術機器人；

大型射電天文望遠鏡的姿態調整裝置；

混聯裝備等，如SMT 公司的Tricept 混聯機械手模塊是基於並聯機構單元的模塊化設計的成功典範 ^[3]  。