混联机器人的类型及其分析

杨喜飞

摘 要：机械自动化和智能化的高速发展，极大的促进了机器人应用领域扩展，一方面既是对传统的机器人结构等方面提出了更高的要求，另一方面也急需适应性更好的具备新型结构的机器人出现，而混联机器人，结合了串联机器人和并联机器人的优点，成为了机器人发展的热点方向，文章将对混联机器人的类型进行介绍和分析。

关键词：混联机器人；结构设计；类型

前言

自机器人出现以来，随着科技的进步，其发展逐渐呈现两个特点：一是机器人的应用领域不断扩大，机器人的种类日趋增多，正从传统的制造领域向人类工作和生活的各种社会领域扩展；另一方面是在纵向上随着需求范围的扩大，机器人结构和形态多样化，高端系统呈现明显的仿生和智能特征，性能不断提高，功能不断扩展和完善[1]。然而，不论机器人在上述两个特点的哪方面具备突出性，都不可避免的面临一个机器人设计的基本问题：机器人的结构设计[2]。从机器人开始出现发展到现在，先后出现了三类典型的机器人结构：串联机器人、并联机器人和混联机器人。串联机器人具有易于正向运动学求解、运动空间大、控制简单，在工业生产中得到了广泛的应用，是工业机器人的主要形式；并联机构和串联机构相比，整体刚度大，承载能力强，结构简单，但其控制复杂，尤其是涉及不同运动副支链时，其运动解耦性较差。而混联机器人将串联机器人和并联机器的人结合起来，属于一种机构上的折中，扩大了机器人的应用范围。因此，在结构方面对混联机器人进行分类和分析，对于混联机器人的结构设计具有重大意义。

1 混联机器人的分类

混联机器人在结构上常有三种形式[3]：（1）并联机构通过其他机构串联而成；（2）并联机构直接串联在一起；（3）在并联机构的支链中采用不同的结构。

1.1 并联机构通过其他机构串联而成

此类混联机器人在基于在串联机构的某个关节或杆件以并联机构替换，例如在传统的串联机器人的基座端或执行端或中部关节插入具备相应自由度的并联机构，如图1-2；或者在并联结构的基础上串联其他运动副而产生的，例如在并联机构的静平台端或动平台端串接其他移动副或转动副，如图3。此类混联机器人属于最常见的。

这类的混聯机器人，在设计时，往往仅需要考虑自由度的简单组合，结构设计相对简单，具有较好的运动可控制性，属于对串联机构和并联机构相应性能的简单叠加。在并联机构出现的地方即体现出并联机构的优势和特点，而不影响其余串联机构的运动与控制。控制策略也大多采用将并联机构和串联机构分开控制后经控制系统协调控制，具有十分广泛的适应性，能够满足大多数工业机器人的设计要求。这类混联机器人的设计更倾向于串联机器人的设计理念，被串联进来的并联机构大都是用来进行功能的局部强化，如为了获得局部更好的刚度和承载能力。整个机器人的串联部分和并联部分不存在运动耦合的问题，运动求解简单。

1.2 并联机构直接串联在一起

这类混联机器人是将多个并联机构以串联机器人的设计思路进行结构设计，例如将具有多个自由度的相同或不同自由度的并联机构通过转动副或移动副等其他运动副的形式串联在一起，如图4-5。此类机器人往往用于构造柔性机器人。这类的混联机器人，在设计时，虽然多是由并联机构构成，然而，仍然是以串联机器人的设计思路为主考虑，结构设计并不复杂，具有较好的运动可控制性。在串联机构地方才体现出串联机构的优势和特点（如运动空间大，工作范围广）而不影响其余串联机构的运动与控制。控制策略也大多采用将多个并联机构分开控制后经控制系统协调后依照串联机器人进行控制。由于其仍然是以串联机器人的设计思路为主考虑，整个机器人的串联部分和并联部分不存在运动耦合的问题，整体的运动求解简单。但同时，由于混联机器人中串联了多个并联机构，而并联机构的控制相对复杂，尤其是当混联机器人中串联了多个结构、自由度完全不相通的并联机构时，其包含的并联机构本身的控制求解就比较复杂，使得整个混联机器人的协同控制也较第一种混联机器人复杂。

1.3 在并联机构的支链中采用不同的结构

这类混联机器人是对并联机构的支链进行变形，尤其是替换或嵌入其他的并联机构，例如将具有多个自由度的相同或不同自由度的并联机构作为并联机器人的某一个或多个支链。图6，或者在并联机构中又嵌入了其他并联机构构成一个复杂的并联机构加并联机构的混联系统，如图7。此类机器人多用于高运动精度的场合。这类的混联机器人，在设计时，以并联机构为基础，结构设计复杂，属于对并联机的补偿和优化。在整个混联机器人中已经难以看到串联机器人的影子，多是并联机构相互并联构成。其控制策略也复杂多样，更倾向于并联机构的控制，因此，也有人将这类由并联机构相互并联构成混联机器人仍作为并联机构来看待。由于是以并联机器人的设计思路为主考虑，整个机器人的并联部分存在较多的运动耦合的问题，整体的运动求解复杂。同时，被作为附加机构添加进来的并联机构的结构、位置对于整个系统的耦合性等存在重要影响，使得整个混联机器人的控制也较前面两种混联机器人复杂。

2 混联机器人的发展前景

由于混联机器人集合了串联机器人运动空间大，正向运动学容易求解以及并联机器人刚度大、承载能力强的优点，其发展和应用具有广大的前景，然而，由于并联机构的存在，在结构设计时对运动解耦性的考虑是不能避免的，因此，如何合理设置并联机构成为混联机器人的一个重要的研究方向。另外，混联机器人往往随着并联机构的加入而具备了微动而高精度的运动特点，其在高精度要求的机械加工领域具有很好的应用前景。

3 结束语

文章工作为混联机器人类型进行了结构分析，为其设计选用提供了理论基础，同时对混联机器人的控制策略的选用具有一定的参考价值。

参考文献

[1]陈哲，吉熙章.机器人技术基础[M].北京：机械工业出版社，1997.

[2]刘凯.两种新型混联机器人的基础研究[D].南京：南京航空航天大学研究生院机电学院，2011.

[3]陈峰，王宸曜.操作机器人的机构研究综述[J].机械设计，2009，6，26（6）：1-2+7.