1 引言
并聯(lián)機(jī)器人無論是從結(jié)構(gòu)上還是功能實(shí)現(xiàn)上都是一種新型機(jī)器人。并聯(lián)機(jī)器人具有精度高、剛度大、慣性小、承載能力高、運(yùn)動(dòng)反解模型簡(jiǎn)單、操作速度高、易于控制等特點(diǎn),因此,其應(yīng)用范圍從最初的飛行模擬器到近幾年來的宇宙飛船空間對(duì)接器、精密操作微動(dòng)機(jī)器人以及虛擬軸加工車床等。現(xiàn)在并聯(lián)機(jī)器人的研究吸引了越來越多的科研學(xué)者,其應(yīng)用范圍也在不斷的擴(kuò)大。
1965年,英國(guó)高級(jí)工程師Stewart首先提出了一種6自由度的并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為飛行模擬器用以訓(xùn)練飛行員[1]。如圖1所示,這是一個(gè)典型的6自由度Stewart平臺(tái)。從結(jié)構(gòu)上看,它是由6根支桿將上下平臺(tái)聯(lián)結(jié)起來,這6根支桿都可以獨(dú)立地自由伸縮,它們又分別用球鉸與上下平臺(tái)聯(lián)結(jié),這樣上平臺(tái)就可以相對(duì)于下平臺(tái)實(shí)現(xiàn)6個(gè)自由度地動(dòng)作,即在三維空間內(nèi)可以作任何方向地移動(dòng)和繞任何方向、位置的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。1978年,澳大利亞的Hunt教授指出這種機(jī)構(gòu)更接近于人體的結(jié)構(gòu),可以將此平臺(tái)作為機(jī)器人機(jī)構(gòu)[2]。在20世紀(jì)90年代之前,當(dāng)國(guó)際上的許多研究人員開始把研究重心從串聯(lián)機(jī)器人轉(zhuǎn)向并聯(lián)機(jī)器人時(shí),我國(guó)的并聯(lián)機(jī)器人研究人員還寥寥無幾,比較著名的有黃真、孔令富、方躍法等。在那之后,尤其是近5年,國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者才開始對(duì)這種特殊的機(jī)構(gòu)進(jìn)行深入細(xì)致的研究,包括其機(jī)構(gòu)學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、控制策略以及仿真實(shí)現(xiàn)等,本文將根據(jù)大量國(guó)內(nèi)相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)這些方面的研究成果進(jìn)行總結(jié)介紹,并對(duì)我國(guó)并聯(lián)機(jī)器人未來發(fā)展的方向以及尚待解決的問題進(jìn)行闡述。
圖1 6自由度Stewart平臺(tái)機(jī)構(gòu)
2 機(jī)構(gòu)學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)
并聯(lián)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)主要研究并聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)、奇異形位、工作空間和靈活度分析等方面,這是實(shí)現(xiàn)并聯(lián)機(jī)器人控制和應(yīng)用研究的基礎(chǔ)。
(1) 運(yùn)動(dòng)學(xué)
運(yùn)動(dòng)學(xué)研究的內(nèi)容包括位置正解和逆解兩方面。位置正解就是根據(jù)給定的關(guān)節(jié)變量求機(jī)器人手部位姿,逆解就是根據(jù)機(jī)器人手部位姿求各關(guān)節(jié)變量。對(duì)于并聯(lián)機(jī)器人而言,其位置逆解很容易,而正解是相當(dāng)復(fù)雜的,許多理論研究者在求正解方面頗有建樹。
燕山大學(xué)的黃真教授選用了Stewart機(jī)器人作為研究對(duì)象,發(fā)展了Tesar影響系數(shù)原理,提出了應(yīng)用機(jī)構(gòu)影響系數(shù)來求解機(jī)器人的位置正解[3]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的孫立寧教授以剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)的原理為基礎(chǔ),研究了機(jī)構(gòu)影響系數(shù),用運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系和擬牽連速度的概念給出了機(jī)構(gòu)速度影響系數(shù)公式,給出了求解并聯(lián)機(jī)器人的雅克比矩陣的方法[4]。北京交通大學(xué)的方躍法教授將螺旋理論應(yīng)用于并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中,他提出基于二階曲線分解理論的操作器運(yùn)動(dòng)螺旋系主螺旋的識(shí)別的解析方法,為少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性研究提供必要的理論基礎(chǔ)[5]。東北大學(xué)的郭陽在建立了基本的并聯(lián)機(jī)器人約束方程以后,利用符號(hào)計(jì)算與折配消元法推導(dǎo)出高次多項(xiàng)式,并應(yīng)用了先進(jìn)的計(jì)算機(jī)軟件Mathematica進(jìn)行了求正問題實(shí)解的數(shù)值驗(yàn)證[6]。
(2) 奇異位形
當(dāng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)處于奇異位形時(shí),其操作平臺(tái)具有多余的自由度,機(jī)構(gòu)將失去控制,同時(shí),關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力將趨于無限大,從而造成機(jī)器人機(jī)構(gòu)的損壞,因此在設(shè)計(jì)和應(yīng)用并聯(lián)機(jī)器人時(shí)應(yīng)該避開奇異位形。在理論上看,當(dāng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)處于奇異位形時(shí),其雅克比矩陣成為奇異陣,行列式為零,機(jī)構(gòu)的速度反解不存在。實(shí)際上,并聯(lián)機(jī)器人不但應(yīng)該避開奇異位形,而且也應(yīng)該避免奇異位形附近的區(qū)域,因?yàn)樵诖朔秶鷥?nèi),機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)傳遞性很差。由此可見,并聯(lián)機(jī)器人奇異位形的研究具有重要意義。許多研究者采用不同的方法對(duì)奇異位形進(jìn)行計(jì)算和判定。
寶雞文理學(xué)院的趙迎祥等以并聯(lián)機(jī)構(gòu)在奇異位形下產(chǎn)生的微小位移與關(guān)節(jié)和結(jié)構(gòu)約束的關(guān)系為基礎(chǔ),研究了具有重合球鉸中心的6-3式和6-4式并聯(lián)機(jī)構(gòu)的奇異位形,分別得到這兩種機(jī)構(gòu)奇異位形的三階和四階判別行列式及奇異位形的特殊情形,并給出了瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)的位移螺旋[7]。天津大學(xué)的趙新華等以動(dòng)平臺(tái)瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)為基礎(chǔ)建立奇異位形條件,獲得簡(jiǎn)化的奇異位形判別式,并用6自由度三角平臺(tái)和3支鏈平臺(tái)為例進(jìn)行了此判別式的論證[8]。天津理工大學(xué)的張威等基于機(jī)構(gòu)瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)分析的方法,分析了3-RTT并聯(lián)機(jī)器人處于奇異位形時(shí)的幾何條件,建立其奇異位形的判別陣,并編寫程序進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算[9]。
(3) 工作空間和靈活度
工作空間是指機(jī)器人操作器的工作區(qū)域,是衡量機(jī)器人性能的重要指標(biāo)。吳生富等人在輸入轉(zhuǎn)化方法的基礎(chǔ)上,對(duì)并聯(lián)機(jī)器人工作空間的各截面進(jìn)行分析,討論了結(jié)構(gòu)尺寸與工作空間的關(guān)系,得出可以通過改變上下平臺(tái)短邊夾角或平臺(tái)半徑、改變上平臺(tái)半徑、改變油缸最短長(zhǎng)度四種途徑來改變機(jī)器人的工作空間[10]。沈陽工業(yè)學(xué)院的王鐵軍等研究了并聯(lián)機(jī)構(gòu)工作空間極限邊界數(shù)值搜索算法,討論了并聯(lián)機(jī)器人位置和姿態(tài)的工作空間以及包括關(guān)節(jié)約束在內(nèi)的工作空間問題[11]。中科院的李方等以解析法為基礎(chǔ),結(jié)合并聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特性,提出一種可以精確確定并聯(lián)機(jī)器人工作空間的幾何方法[12]。
當(dāng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)接近奇異位形時(shí),雅克比矩陣的逆矩陣精度降低,從而使得機(jī)構(gòu)的輸入輸出運(yùn)動(dòng)間的傳遞關(guān)系失真,衡量這種失真程度的指標(biāo)就是靈活度。天津大學(xué)的劉旭東研究了一種3-TPT并聯(lián)機(jī)構(gòu)的工作空間邊界和靈活度解析模型,在靈活度解析部分,首先建立了雅克比矩陣,然后提出了靈活度指標(biāo),進(jìn)而進(jìn)行了局部靈活度與各向同性解析,最后指出,該并聯(lián)機(jī)構(gòu)所處的構(gòu)形為局部最優(yōu)靈活度構(gòu)形[13]。這種分析在國(guó)內(nèi)此方面的研究具有很強(qiáng)的代表性。
3 動(dòng)力學(xué)與控制
(1) 動(dòng)力學(xué)
機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)研究包括:慣性力計(jì)算、受力分析、驅(qū)動(dòng)力矩分析、主負(fù)約束反力分析、動(dòng)力學(xué)模型建立、計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)仿真、動(dòng)態(tài)參數(shù)辨識(shí)等。動(dòng)力學(xué)分析包括正逆兩類問題。由于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性,其動(dòng)力學(xué)模型通常是多自由度、多變量、高度非線性、多參數(shù)耦合的復(fù)雜系統(tǒng)[3]。Lagrange方法建立動(dòng)力學(xué)方程是以系統(tǒng)動(dòng)能和勢(shì)能建立的,它推導(dǎo)復(fù)雜、計(jì)算量大,但用矩陣形式表示的動(dòng)力學(xué)模型即能用于動(dòng)力學(xué)控制,又能用于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模擬,而且能清楚地表示出各構(gòu)件間的耦合特性,有利于對(duì)系統(tǒng)的耦合特性做深入研究,因此Lagrange方程得到了廣泛的應(yīng)用[14~15]。
(2) 控制
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步,智能機(jī)器人技術(shù)的研究已成為機(jī)器人領(lǐng)域的主要發(fā)展方向,如各種精密裝配機(jī)器人,力/位置混合控制機(jī)器人,多肢體協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)以及先進(jìn)制造系統(tǒng)中的機(jī)器人的研究等[16]。近些年來,國(guó)內(nèi)對(duì)并聯(lián)機(jī)器人控制方面的研究也有一定的進(jìn)展。
吉林工學(xué)院的王濤應(yīng)用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來解決機(jī)器人的控制問題,并以三關(guān)節(jié)機(jī)器人為例,給出了控制的模型。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的最優(yōu)化,也可以實(shí)現(xiàn)并行處理信息,同時(shí),對(duì)外界環(huán)境參數(shù)的變化有一定的適應(yīng)性,具有泛化能力[17]。哈爾濱理工大學(xué)的金愛娟基于新的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)構(gòu)造出一種新算法,來解決機(jī)器人控制多城中存在的許多不確定影響,實(shí)現(xiàn)了更好的仿真[18]。西安交通大學(xué)的萬亞民等利用前饋型網(wǎng)絡(luò)增加反饋環(huán)節(jié)的方法,設(shè)計(jì)了一種新型動(dòng)態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),并將此動(dòng)態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為智能控制器應(yīng)用于單缸伺服系統(tǒng)[19]。
4 仿真實(shí)現(xiàn)
機(jī)器人仿真是機(jī)器人研究的一項(xiàng)很重要的內(nèi)容,它涉及機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、機(jī)器人零件建模、仿真機(jī)器人三維實(shí)現(xiàn)和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制,是一項(xiàng)綜合性的有創(chuàng)新意義和實(shí)用價(jià)值的研究課題[20]。仿真利用計(jì)算機(jī)可視化和面向?qū)ο蟮氖侄?,模擬機(jī)器人的動(dòng)態(tài)特性,幫助研究人員了解機(jī)器人工作空間的形態(tài)及極限,揭示機(jī)構(gòu)的合理運(yùn)動(dòng)方案及有效的控制算法,從而解決在機(jī)器人設(shè)計(jì)、制造以及運(yùn)行過程中的問題,避免了直接操作實(shí)體可能會(huì)造成的事故或者不必要的損失。隨著機(jī)器人研究的不斷深入和機(jī)器人領(lǐng)域的不斷發(fā)展,以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷提高,機(jī)器人仿真系統(tǒng)作為機(jī)器人設(shè)計(jì)和研究的安全可靠、靈活方便的工具,發(fā)揮著重要的作用[21]。
東華大學(xué)的梁師望應(yīng)用了功能強(qiáng)大的Matlab軟件,實(shí)現(xiàn)了并聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)仿真。在經(jīng)過了詳細(xì)的坐標(biāo)分析以后,在計(jì)算機(jī)上直接顯示出并聯(lián)機(jī)器人按要求所要實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)軌跡,解決了運(yùn)動(dòng)可視化問題[22]。江蘇大學(xué)的馬履中教授在詳細(xì)分析了一種新型3-RRC型三平移并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性以后,在ADAMS上建立仿真運(yùn)動(dòng)模型,獲得了有關(guān)運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)特性曲線,為該類機(jī)器人在農(nóng)業(yè)及農(nóng)產(chǎn)品加工中應(yīng)用提供了理論依據(jù)[23]。燕山大學(xué)的寧淑容等利用Matlab對(duì)3-RRR并聯(lián)機(jī)構(gòu)三維仿真實(shí)體模型實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單畫法及運(yùn)動(dòng)仿真,同時(shí)又運(yùn)用微分法和影響系數(shù)兩種算法仿真了機(jī)構(gòu)的速度和加速度曲線,從仿真圖中直接找出了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的奇異位置點(diǎn)[24]。
在控制方面,許多研究人員都應(yīng)用到了Mathswork公司的一系列軟件,例如Matlab、Mathematics等。因?yàn)樗鼈兌季哂袕?qiáng)大的運(yùn)算能力,尤其是善于矩陣運(yùn)算,這對(duì)于并聯(lián)機(jī)器人這種本身位姿、運(yùn)動(dòng)速度和加速度、動(dòng)力學(xué)坐標(biāo)等參數(shù)均為大型矩陣的對(duì)象來說,應(yīng)用是非常合適的。Matlab有許多工具箱可供并聯(lián)機(jī)器人仿真時(shí)使用。例如,系統(tǒng)辨識(shí)工具箱、控制系統(tǒng)工具箱、魯棒控制工具箱、Simulink工具箱等。而且,還可以應(yīng)用多種算法,例如,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、模糊算法、遺傳算法等。這些都為并聯(lián)機(jī)器人的仿真提供了便利。
5 尚待解決的問題及未來進(jìn)展
縱觀國(guó)內(nèi)諸多的并聯(lián)機(jī)器人文獻(xiàn),不難發(fā)現(xiàn):國(guó)內(nèi)的研究已經(jīng)取得了一些喜人的成果,可以從中清楚的發(fā)現(xiàn)一些特點(diǎn)和問題:
(1) 并聯(lián)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)的研究成果比較多,許多理論的研究已經(jīng)達(dá)到了國(guó)際水平,但是有關(guān)于工作空間的擴(kuò)展以及靈活度的分析還是不夠完整。在實(shí)際應(yīng)用階段,給定姿態(tài)參數(shù),機(jī)器人的位置工作空間怎樣去確定;給定位置參數(shù),機(jī)器人的定向能力如何;給定一條軌跡,機(jī)器人是否能夠再次工作空間內(nèi)動(dòng)作等問題都是有待進(jìn)一步研究的內(nèi)容。
(2) 并聯(lián)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)與控制方面研究相對(duì)比較少,在未來的發(fā)展中,如何探索特殊的控制策略,使其能夠充分利用并聯(lián)機(jī)構(gòu)的特性來提高性能;同時(shí),如何推導(dǎo)出并聯(lián)機(jī)器人系統(tǒng)關(guān)于可控性與可觀性的理論結(jié)果等都是值得探索的問題。
(3) 并聯(lián)機(jī)器人的仿真方面,應(yīng)用的工具越來越多,仿真的實(shí)用程度也在逐步提高,但是要讓仿真真正的做到指導(dǎo)實(shí)際應(yīng)用還是有差距。
綜上所述,未來并聯(lián)機(jī)器人的研究方向有以下幾個(gè)方面:
? 對(duì)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)模型簡(jiǎn)化方法的探索;
? 并聯(lián)機(jī)器人優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的研究;
? 并聯(lián)機(jī)器人綜合檢測(cè)系統(tǒng)的研究,包括位姿、速度、加速度等;
? 并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)性能評(píng)定系統(tǒng)指標(biāo)的研究;
? 并聯(lián)機(jī)器人控制策略的研究;
? 并聯(lián)機(jī)器人工作空間和靈活度分析及奇異形位的研究;
? 少自由度并聯(lián)機(jī)器人的發(fā)明和研究。
參考文獻(xiàn):
[1] Stewart D, A platform with six degree of freedom, Proc Instn Mech Engers(Part I), 1965, 180(15): 371-386.
[2] Hunt K H, Kinematic geometry of mechanisms clarendon press, Oxford, 1978.
[3] 黃真, 孔令富, 方躍法. 并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)理論及控制[M]. 北京機(jī)械工業(yè)出版社, 1997.
[4] 孫立寧, 于暉, 祝宇虹, 張秀峰, 蔡鶴皋. 機(jī)構(gòu)影響系數(shù)與并聯(lián)機(jī)器人雅克比矩陣的研究[M]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), Vol 34 No.6, Dec2002.
[5] 方躍法, 黃真. 三自由度并聯(lián)機(jī)器人操作平臺(tái)的主運(yùn)動(dòng)螺旋研究[J]. 中國(guó)機(jī)械工程, Vol 11, No. 7, Apr. 2000.
[6] 郭陽, 張祥德, 趙明揚(yáng). 一種新型四自由度并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)正問題的求解[J]. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù), Vol 19 Supplement, Sep 2000.
[7] 趙迎祥, 魯開講. 6-SPS并聯(lián)機(jī)器人的奇異位形分析[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì), Vol 20, No.9, Sep.2000.
[8] 趙新華, 彭商賢. 并聯(lián)機(jī)器人奇異位形研究[N]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), Vol 36, No.5, May.2000.
[9] 張威, 趙新華. 3-RTT并聯(lián)機(jī)器人奇異位形空間分析[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì), Vol 21, No.8, Aug.2004.
[10] 吳生富, 王洪波, 黃真. 并聯(lián)機(jī)器人工作空間研究[J]. 機(jī)器人, Vol 13, No.3, Jan.1990.
[11] 王鐵軍, 劉全凱, 郝長(zhǎng)中. 六自由度并聯(lián)機(jī)器人工作空間分析[N]. 沈陽工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào), Vol 18, No.3, Sep.1999.
[12] 李方, 南仁東. 一種分析并聯(lián)機(jī)器人工作空間的解析幾何法[J]. 機(jī)械制造, Vol 41, No. 463, Mar.2003.
[13] 劉旭東, 黃田. 3-TPT型并聯(lián)機(jī)器人工作空間解析與綜合[J]. 中國(guó)機(jī)械工程, Vol 12, Supplement, May.2001.
[14] 高山. 6-SPS并聯(lián)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)解析模型[N]. 四川聯(lián)合大學(xué)學(xué)報(bào), Vol.2, No.2, Mar.1998.
[15] 王樹國(guó), 等. 智能機(jī)器人的現(xiàn)狀及未來[J]. 機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用, 1998.
[16] 范永, 譚民. 機(jī)器人控制器的現(xiàn)狀與展望[J]. 機(jī)器人, 1999(1).
[17] 王濤, 張少軍. 機(jī)器人的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制[N]. 吉林工學(xué)院學(xué)報(bào), Vol.19 No.2, Jun.1998.
[18] 金愛娟, 徐松源, 孫華. 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在機(jī)器人控制中的應(yīng)用[N]. 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào), Vol.3 No.5 Oot.1998.
[19] 萬亞民, 王孫安, 杜海峰. 液壓并聯(lián)機(jī)器人的動(dòng)態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制研究[N]. 西安交通大學(xué)學(xué)報(bào), Vo1.38 No.9, Sep.2004.
[20] 付玉錦, 王希民, 蔡光起. 基于3-PTT型并聯(lián)機(jī)器人的計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[J]. 機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用, 2001(6).
[21] 吳瑞祥. 機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用[M]. 北京航空航天大學(xué)出版社, 1994.8.
[22] 梁師望, MATLAB在并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真中的應(yīng)用[J]. 機(jī)電一體化, 2000.6.
[23] 馬履中, 尹小琴, 楊廷力. 新型三平移并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)動(dòng)力分析與動(dòng)態(tài)仿真[N]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), Vol.33 No.2, Jan.2002.
[24] 寧淑容, 郭希娟. MATLAB在并聯(lián)機(jī)器人仿真中的應(yīng)用[N]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào), Vol.16 No.10, Oct.2004.