并联机器人机构及其在交通行业中的应用

刘 晓

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

并联机器人技术是一门兴起于20世纪90年代的综合性前沿学科，集传感器技术、电子技术、机械设计、精密运动控制、系统工程技术等多项技术于一身，是以机械和控制工程为主体、多个学科有机结合的典型机电一体化装置。由于其独特的优点，并联机器人机构吸引了国内外学术界与工程界的广泛关注，已广泛应用于工业制造、航空航天、海洋工程以及军事研究等领域中。

1 机器人构型

机器人是工业自动化中最典型的机电一体化装置，它由各种外部传感器引导，并带有一个或多个末端执行器，通过运动控制卡或运动控制器在其工作空间内对真实物体进行各种操作[1]。机器人核心组成部分为机构，其是由两个或两个以上构件通过各种运动副（移动副、转动副、虎克铰、球铰）连接而成的机械装置。

机构根据运动链是否闭合，其构型可分为串联机构和并联机构。串联机构是由若干单自由度基本构件依次连接而成，每一个前置构件的输出运动是后置构件的输入，上述构件构成一个开链式结构，机构简图如图1a所示。相对于串联机构，并联机构可定义为运动平台与固定平台通过两个或两个以上运动链相连接，具有两个或两个以上自由度，且以并联方式驱动的一类闭环机构[2]，其机构简图如图1b所示。典型的并联机器人机构有STEWART机器人、DELTA机器人等。

并联机构和串联机构相比具有如下优点[3]：

a）并联机构由多个并行运动支链构成，刚度高、结构稳定，在相同结构尺寸参数下，具有更大的承载能力。

b）并联机构不存在各关节误差累积和放大作用，因此误差小、工作精度高。

c）并联机构可将驱动系统布置于固定平台上，最大限度地降低了系统负载，从而更好地满足了系统的实时性要求。

d）机器人控制过程中需实时获得机构运动学反解，在空间运动学模型中，串联机构正解容易，反解非常困难；而并联机构正解困难，反解反而很容易。

基于上述分析，并联机构具有刚度高、承载力大、系统惯量小、运动精度高、易于实现大型化及空间多自由度耦合运动等优点，因此近年来成为众多科研所和企业的研究热点。目前许多基于并联机构的机器人产品已经被设计和开发出来，其应用涉及诸多现代高、精、尖技术领域。

图1 机器人机构类型

2 并联机构概述

2.1 并联机构起源

并联机构构想可追述到1813年，法国数学家Cauchy研究了一种“用关节连接的八面体”，最早提出了一些与并联机构相关的理论问题。由此开始各国学者对并联机构进行了广泛研究并取得了一系列理论与应用成果。

国内燕山大学黄真教授于1991年研制出我国首台六自由度并联机器人样机，并于1994年研制出具有柔性铰链的并联式六自由度机器人误差补偿器[2]。从20世纪90年代开始，我国相关高校和科研单位对并联机构进行了广泛的研究。

2.2 并联机构分类

并联机构按执行机构形式可分为伸缩型、直动型、回转型、绳牵引型等[4]，如图2所示。伸缩型机构具有运动学简单、可动部件质量大、运动空间小等特点，执行单元等构件随机构运动消耗部分驱动力，降低了运动平台有效承载能力；直动型机构具有可动部件质量小、基础构造大、出力大等特点，执行单元安置于固定平台上，驱动力主要用于驱动平台运动，尤其对于大型并联机构，执行单元重量很大，将其布置于固定平台可有效提高运动平台承载能力；回转型机构具有速度快、可动部件重量小、出力小等特点，主要用于对承载力要求低、速度要求很高的工业机器人中；绳牵引型机构具有结构简单、工作空间大、极高负载/重量比、价格低廉、运动精度差等特点。

并联机构按末端执行器运动自由度数目可分为二、三、四、五、六自由度机构，其自由度数目表征了该机构所能实现的空间运动轴数。国内外机构学研究者根据型综合理论设计了许多具有不同自由度的并联机构，其中以三自由度和六自由度并联机构数量最多。而三自由度机构又可分为三自由度转动并联机构、三自由度移动并联机构、三自由度混联机构。并联六自由度机构可实现全空间自由活动，控制过程相对简易，是目前应用最广的一类并联机构。

图2 并联机构分类

另外，按照执行器驱动方式并联机构又可分为液压驱动、电动驱动、气动驱动以及电—液混合驱动等，每种驱动方式都有其各自的优缺点，因而各自适用承载范围不同。

2.3 并联机器人机构学理论研究内容

并联机器人机构学理论研究内容丰富，主要集中于构型综合、运动学分析、动力学分析、工作空间分析、奇异性分析等。

a）构型综合，是并联机器人机构实际应用的基础性工作，具体包括机构自由度和构件数目计算、运动铰链选取、运动副组合方式以及驱动副选择等。通过构型综合，有利于创造和设计出符合应用需求的高性能机器人机构。

b）运动学分析，主要包括位姿分析、速度分析、加速度分析等。

c）动力学分析，主要是建立系统力与运动之间的映射关系。由于并联机构是一个复杂的机械多刚体动力学系统，因此其动力学模型通常为一个处于非惯性系环境中的多自由度、非线性、多参数耦合数学系统。动力学分析结果可直接应用于机器人控制算法的编制，是机构动力学特性分析、整机动态标定和控制器参数整定的理论基础。

d）工作空间分析，包括驱动空间、关节空间以及操作空间分析。工作空间大小表征了机器人运动性能的优越性。

e）奇异性分析，主要研究机构的奇异位形即机构到达某个位形后，驱动副与运动平台之间的运动、动力学映射关系遭到破坏，此时机构处于不可控状态。研究如何使机构的运动避开奇异或近奇异位形，对并联机器人的实际应用具有重要意义。

除此之外，并联机器人机构学理论研究还包括误差分析与补偿、灵活度分析、刚度和柔度分析、整机参数标定等。

2.4 并联机器人典型应用领域

随着近30年来各国学者对并联机器人技术的不断改进和研究，空间并联机构在科学研究和工业领域得到了广泛应用[5]，其应用领域主要有以下几个方面：

a）运动模拟器领域 并联机构作为运动模拟器，可用于飞机、汽车、船舶的运动及模拟，具有经济、安全、不受场地和气象条件限制、训练效率高等优点。

b）并联机床领域 并联机器人与机床技术相结合，最突出的产品是数控加工中心，具有机构简单、传动链短、切削效率高、模块集成度高等特点。

c）空间对接领域 将并联机器人作为飞船对接器的对接机构，可实现主动抓取、对正连接、卡紧锁合等一连串工作。此外，并联机构作为对接机构还可应用于设备装配、假肢对接、潜艇救援等领域。

d）微操作机器人领域 随着微纳米技术及相关产业成熟，大大促进了微动机器人技术的快速发展，并联机构已被应用于细胞注射和分割、微机电产品加工和装备、微外科手术等领域，具有无摩擦、无间隙、误差累积小等特点。

除此之外，并联机器人机构还广泛应用于步行机、工业机器人、矿山开采设备、隧道挖掘盾构、管道机器人等领域。

3 并联机构在交通行业中的应用

3.1 车载式稳定平台

伴随着大量公路、桥梁、隧道的建设和投入运营，与之配套的各类检测车应用而生。现有各类检测车均是以非接触式激光设备或数字相机为传感器，对路面、桥梁、隧道各类病害进行采集与处理。上述传感器能够正常工作的前提是处于一个相对稳定的工作环境。但是受路面颠簸、发动机振动等环境扰动，车辆运行过程中会产生俯仰、侧倾、方位、进退、侧移和升降等6个自由度运动。这种扰动给车辆上检测设备的正常工作带来严重影响，严重限制了检测车作用的发挥。

稳定平台实现框图如图3所示，其作用是要通过一套在线检测、实时伺服运动补偿机构来隔离这种扰动的影响，为激光传感器、数字相机等车载设备提供一个相对稳定的工作平台。

但是目前主要通过在车载设备和车体之间布置隔振装置来实现稳定作用，采用这种方式只能隔离车体部分自由度的少量扰动，无法满足高精度传感器工作所需的多维稳定要求。因此，设计研制能够隔离车体多维摇荡且能够承受重载、具有大工作空间和高动态响应的稳定平台对提高检测车测量精度等多方面具有重要意义。

图3 稳定平台实现框图

3.2 辅机摇摆台

辅机摇摆台是以伺服电机或液压缸作驱动，并联机构按照一定规律实现空间三维转动和移动，用以模拟各类摇摆运动的一类机械仿真平台。研制和运用辅机摇摆台，就可以在实验室中将车辆在路面中的摇摆姿态和运动真实地再现出来，通过各种路况模拟，将整车或设备仪器放在摇摆台上进行实验，减少路面实验次数，这样就降低了实验成本和研究周期，如图4所示。

图4 车辆辅机摇摆台

辅机摇摆台是一种发展快、应用广、具有重大经济价值的试验仿真设备，而我国在这一领域的设计、制造水平与西方发达国家相比还有相当大的差距，因此研制性能优良，且能满足各方面需求的摇摆试验台，对提高我国的仿真技术水平具有重大的理论意义和实际应用价值。

3.3 振动试验台

振动试验台主要用于各种建筑结构模型和重要设备的抗振性能考核试验。并联机构易于实现大型化及承受重载，因此是研发大型、重载振动试验台的理想机型。振动台可以根据需要，借助人工振动波输入，从而在某种特定的振动环境下对试验对象进行结构分析。通过观察被实验建筑结构或设备的反应，经过相应计算后，提供建立特种结构力学模型的依据，以检验产品的抗振能力等。并联式振动试验台是一个集激振系统、测试系统和分析系统于一体的完整的现代振动试验系统。

3.4 工程机械设备

并联机器人活动灵活、承载力大，因此还可应用于从事桥梁检测、隧道施工、路面搬运等作业的工程机械领域中，这些检测或施工作业劳动强度大、工作人员所处环境危险。在关注和重视工程施工工业改进的同时，迫切需要研制和开发具有自动化的工程机械和设备，以改善操作人员工作条件和提高工作效率。由于并联机构具有可动自由度数目多、结构稳定、精度高、易于实现高速运动等优点，因此，把并联机器人技术引入上述工程机械设备中，组合创新之后的新产品所产生的功能和效益是大大优于几种产品的简单叠加，在组合的过程中，整个设备已经具备了新的性能和功能。

例如，隧道挖掘设备是隧道施工过程中最重要的机械设备，当隧道曲线半径相对较小时，传统设备转向较困难。为了使挖掘机构能够实现“自由”转向，将并联机构应用于隧道挖掘设备进给与转向系统设计中，机构简图如图5所示。进给与转向机构由基盘、顶盘、液压缸及运动绞链构成，其中基盘固定不动，而顶盘可以灵活地实现俯仰、侧倾、方位、侧移、进退、升降等动作。在液压缸与基盘连接处使用虎克铰连接，而顶盘采用球铰连接，这样保证了连接部分的灵活与稳定。安装有液压缸的基盘固定在首个管片上，顶盘固定在刀盘上，通过控制系统控制6个液压缸伸长和缩短，根据并联机构原理，不仅可以实现刀头六自由度转向，而且还可为刀头的进给提供稳定的动力。

图5 进给与转向机构简图

4 结论

作为新兴起的先进技术，并联机构具有承载能力强、精度高、响应速度快、控制容易等一系列优点，同时易于实现大型化和多轴耦合驱动，因此是研制面向应用的智能交通设备的理想机构学模型。近年来，随着大量新机型的涌现和机构学理论与应用研究的深入与拓展，并联机器人机构正逐渐从研究走向实用化，具有广泛的应用前景。