少自由度并联机器人机构的型综合原理.pdf

( E 辑)
第 33 卷第 9 期 SCIENCE IN CHINA ( Series E ) 2003 年 9 月
少自由度并联机器人机构的型综合原理*
黄真李秦川
(燕山大学机器人研究中心, 秦皇岛 066004)
摘要通过分析少自由度并联机器人机构的结构约束螺旋特性和几何条件, 建立了
少自由度并联机器人机构型综合理论, 并用此对少自由度并联机器人机构进行了综合,
得到多种有应用前景的机构.
关键词并联机器人型综合设计理论
少自由度并联机器人是指自由度数为 3, 4和 5 的并联机器人, 可应用于许多适于并联机
器人操作, 但不需要全部 6 个自由度的工作任务. 由于它们的自由度较少, 较六自由度并联机
构结构简单, 经济便宜, 控制相对容易, 因此具有很好的应用前景, 是当前国际上的研究热点.
目前已有的少自由度并联机器人以三自由度并联机器人为主, 包括 Delta[1]三自由度移动
机构三自由度的 3-3R 平面机构和 3-3R 球面机构[2], Gosselin[3~7]对后者做了系统研究, 包括
运动学工作空间和结构优化设计, 并设计了灵巧眼. 另外, Tsai[8]提出了几种三维移动机构,
Huang[9]讨论了多种三自由度立方角台机构. 并联机器人的研究历史已超过 20 年, 但目前国
际上已综合出的较好的少自由度并联机器人机构只有上述的 Delta 和 Tsai 等五六种.
少自由度并联机器人机型匮乏, 与实际应用中的广泛要求相距甚远. 这是由于少自由度
并联机器人总体上具有比六自由度并联机器人更复杂的运动特性, 特别是动平台的移动受到
约束后会表现出很多特殊的性质[10, 11], 这些问题增加了少自由度并联机器人型综合的难度.
少自由度并联机器人机构型综合的目的在于综合出具有期望自由度数目和自由度性质
(指移动自由度或是转动自由度, 以及移动的方向或转动轴线的方向)的机构, 并确保这些自由
度的运动性质是连续的而不是瞬时的. 对型综合一直没有行之有效的理论指导, 处于一种试
拼试凑的最初级的状态. 目前一些人采用的一种简单的方法是在六自由度 Stewart 并联机构
中直接添加约束分支, 约束掉不需要的自由度. 这增加了机构的复杂程度, 特别是破坏了机构
的对称性, 一般说不是一个理想的设计.
理想的少自由度并联机构的所有分支最好具有完全相同的结构, 保持结构的对称, 以满
足各向同性的要求. 而综合这类具有对称结构的机构难度极大, 其主要原因包括: ( ) 空间机
构的复杂性使得少自由度并联机构的自由度计算变得非常困难, 甚至对一些现有的机构都难
以得到正确的结果, 这当然增加了型综合的困难. ( ) 判断自由度性质更加困难, 现在国际上
还没有任何理论涉及这个问题. ( ) 机构的同性异构变化. 这些问题使少自由度并联机器人
型综合成为国际上的一个研究难点. 经查阅近年国内关于少自由度机型的发明专利, 发现其

2001-05-11 收稿, 2001-07-26 收修改稿
* 国家自然科学基金资助项目(批准号: 50075074)
万方数据
814 中国科学( E 辑) 第 33 卷
中一些是错误的, 这也表明对型