并联机器人

　　并联机器人的特点呈现为无累积误差，精度较高；驱动装置可置于定平台上或接近定平台的位置，这样运动部分重量轻，速度高，动态响应好。

定义

　　并联机构（Parallel Mechanism，简称PM），可以定义为动平台和定平台通过至少两个独立的运动链相连接，机构具有两个或两个以上自由度，且以并联方式驱动的一种闭环机构。

特点

　　并联机器人和传统工业用串联机器人在哲学上呈对立统一的关系，和串联机器人相比较，并联机器人具有以下特点：

　　（1）无累积误差，精度较高；

　　（2）驱动装置可置于定平台上或接近定平台的位置，这样运动部分重量轻，速度高，动态响应好；

　　（3）结构紧凑，刚度高，承载能力大；

　　（4）完全对称的并联机构具有较好的各向同性；

　　（5）工作空间较小；

　　根据这些特点，并联机器人在需要高刚度、高精度或者大载荷而无须很大工作空间的领域内得到了广泛应用。

区别

　　并联机器人和串联机器人区别

　　1、结构上的差异

　　并联机器人可以定义为动平台和定平台通过至少两个独立的运动链相连接，机构具有两个或两个以上自由度，且以并联方式驱动的一种闭环机构。这种设计使得并联机器人具备优异的刚性和稳定性，适用于需要高精度和高负载能力的任务。

　　串联机器人是一种由多个关节串联形成的机器人，这些关节依次连接起来，前一关节的运动会影响到后面的关节。串联机器人通常具备较大的工作空间和较高的自由度，适用于较复杂和灵活的任务。串联机器人在执行任务时，由于关节间的耦合，可能会出现较大的非线性误差，因此对于一些要求高精度和稳定性的应用来说，其性能可能相对较差。

　　2、运动控制和编程方式的差异。

　　并联机器人通常采用集中式控制方法，即通过中央控制器控制所有关节的运动。这种方式使得并联机器人的运动协调一致、同步性较高。

　　串联机器人通常采用分布式控制方法，即每个关节有各自的控制器，根据任务需求独立控制自身运动。这种方式使得串联机器人具有较大的灵活性和可编程性。

　　3、适应不同工作环境差异。

　　并联机器人常用于狭小空间或需要与人类共同工作的场景，其结构紧凑、动作灵活，并且可以通过传感器实现与人类的协作。并联机器人常用于组装、焊接、喷涂等工序中，对产品质量要求较高的领域。它们通常使用精密传感器和控制系统，能够实现高度的精准度和重复性。

　　串联机器人由于其较大的自由度和工作空间，通常更适用于处理大型物体或需要较高机械柔性的任务。串联机器人常被运用于装配、包装、仓储等需求较为灵活的工作环境中。

人物事件

　　1978年，Hunt首次提出把六自由度并联机构作为机器人操作器，由此拉开并联机器人研究的序幕，但在随后的近10年里，并联机器人研究似乎停滞不前。直到80年代末90年代初，并联机器人才引起了广泛注意，成为国际研究的热点。

　　在国内，燕山大学教授黄真教授在1991年研制出我国第一台六自由度并联机器人样机(图1-5)，在1994年研制出一台柔性铰链并联式六自由度机器人误差补偿器，在1997年出版了我国第一部关于并联机器人理论及技术的专著，2006年又出版了《高等空间机构学》。

　　黄真，男，汉族，1936年2月出生，江苏宜兴人，教授，1959年毕业于哈尔滨工业大学机械工艺专业，现任燕山大学教授，博士生导师。

　　他是我国最早的一位从事并联机器人研究的学者，也是该领域的最著名的学者。他多次参加国际学术活动，在国际上已有较大的影响，特别是在2004年举行有44个国家500多名学者参加的国际机器和机构学学会国际学术年会第11届大会上，他为6个中心发言人之一。

　　他主要从事机器人学、和并联机器人机械学等方面的研究工作。多年来，先后承担国家自然科学基金项目9项，国家863项目3项，国家科技攻关等项目共计20余项。已在国内外发表论文280余篇，其中国际著名杂志《MechanismandMachineTheory》、《InternationalJournalofRoboticsResearch》，《JournalofRoboticSystems》，《ASMEJournalofMechanicalDesign》发表30余篇；ASME、IEEE等国际会议发表论文50余篇；《中国科学》及国内一级学术杂志《机械工程学报》、《中国机械工程》、等发表论文40余篇。其中129篇次被三大索引（SCI－33、EI－88和ISTP－8）收录，他引总共369次。出版专著《空间机构学》（1991年）和《并联机器人机构学理论及控制》（1997年），后者被审定为“全国高技术重点图书”。今年他的专著《高等空间机构学》又被教育部审定为全国研究生指定教材，已于2006年6月出版。

　　他的研究成果已获国家教育部科自然科学1等奖2项，河北省科技进步1等奖2项等科技奖励共计16项。目前，作为课题主要负责人主持国家自然科学基金等项目2项及河北省高层次特别优秀人才支持计划。

　　黄真教授治学严谨、知识渊博、诲人不倦，直到现在的近70岁的高龄仍旧奋战在科学研究的第一线。黄真教授在工作中他多次受到党和政府的表彰，多次被评为省管优秀专家。并多次获秦皇岛市劳动模范、河北省劳动模范和原机械工业部劳动模范等光荣称号。

并联机构

　　提出、特点及应用

　　1965年，德国Stewart发明了六自由度并联机构，并作为飞行模拟器用于训练飞行员。1978年澳大利亚著名机构学教授Hunt提出将并联机构用于机器人手臂。

　　并联机构的特点：

　　（1）与串联机构相比刚度大，结构稳定；

　　（2）承载能力大；

　　（3）微动精度高；

　　（4）运动负荷小；

　　（5）在位置求解上，串联机构正解容易，但反解十分困难，而并联机构正解困难反解却非常容易。

　　由于机器人在线实时计算是要计算反解的，这对串联式十分不利，而并联式却容易实现。

　　分类

　　从运动形式来看，并联机构可分为平面机构和空间机构；细分可分为平面移动机构、平面移动转动机构、空间纯移动机构、空间纯转动机构和空间混合运动机构，

　　另可按并联机构的自由度数分类：

　　（1）2自由度并联机构。

　　2自由度并联机构，如5-R、3-R-2-P（R表示转动副，P表示移动副）平面5杆机构是最典型的2自由度并联机构，这类机构一般具有2个移动运动。

　　（2）3自由度并联机构。

　　3自由度并联机构各类较多，形式较复杂，一般有以下形式：平面3自由度并联机构，如3-RRR机构、3-RPR机构，它们具有2个移动和一个转动；球面3自由度并联机构，如3-RRR球面机构、3-UPS-1-S球面机构，3-RRR球面机构所有运动副的轴线汇交空间一点，这点称为机构的中心，而3-UPS-1-S球面机构则以S的中心点为机构的中心，机构上的所有点的运动都是绕该点的转动运动；3维纯移动机构，如StarLike并联机构、Tsai并联机构和DELTA机构，该类机构的运动学正反解都很简单，是一种应用很广泛的3维移动空间机构；空间3自由度并联机构，如典型的3-RPS机构，这类机构属于欠秩机构，在工作空间内不同的点其运动形式不同是其最显著的特点，由于这种特殊的运动特性，阻碍了该类机构在实际中的广泛应用；还有一类是增加辅助杆件和运动副的空间机构，如德国汉诺威大学研制的并联机床采用的3-UPS-1-PU球坐标式3自由度并联机构，由于辅助杆件和运动副的制约，使得该机构的运动平台具有1个移动和2个转动的运动（也可以说是3个移动运动）。

　　（3）4自由度并联机构。

　　4自由度并联机构大多不是完全并联机构，如2-UPS-1-RRRR机构，运动平台通过3个支链与定平台相连，有2个运动链是相同的，各具有1个虎克铰U，1个移动副P，其中P和1个R是驱动副，因此这种机构不是完全并联机构。

　　（4）5自由度并联机构。

　　现有的5自由度并联机构结构复杂，如韩国Lee的5自由度并联机构具有双层结构（2个并联机构的结合）。

　　（5）6自由度并联机构。

　　6自由度并联机构是并联机器人机构中的一大类，是国内外学者研究得最多的并联机构，广泛应用在飞行模拟器、6维力与力矩传感器和并联机床等领域。但这类机构有很多关键性技术没有或没有完全得到解决，比如其运动学正解、动力学模型的建立以及并联机床的精度标定等。从完全并联的角度出发，这类机构必须具有6个运动链。但现有的并联机构中，也有拥有3个运动链的6自由度并联机构，如3-PRPS和3-URS等机构，还有在3个分支的每个分支上附加1个5杆机构作这驱动机构的6自由度并联机构等。

发展方向

　　并联机器人的发展方向可以从以下几个方面进行归纳：

功能增强与性能提升：

　　并联机器人将继续在现有功能基础上进行增强，以满足用户对功能和性能越来越高的需求。这包括但不限于提高运动精度、载荷能力、运动速度以及稳定性。

　　例如，在制造业中，随着产品形状和工艺的复杂性增加，对并联机器人的精度和灵敏度要求也在提高。因此，未来的并联机器人将更加注重在这些方面的性能提升。

智能化与自主化：

　　未来的并联机器人将趋向于更加智能化，具备更强的自主学习能力、自主决策能力以及与其他机器人之间的交流合作能力。

　　通过集成先进的人工智能算法和机器学习技术，并联机器人将能够更好地适应复杂多变的工作环境，并自主完成更多任务。

多场景应用拓展：

　　目前，并联机器人在工业、医疗、航空航天等领域已有广泛应用。未来，它们将进一步拓展到更多场景，如农业、建筑、环境监测等。

　　例如，在农业领域，并联机器人可以用于自动种植、环境监测等任务；在建筑领域，它们可以协助进行地形测绘、建筑设计和施工等工作。

模块化与标准化：

　　为了便于生产和维护，未来的并联机器人可能会趋向于模块化和标准化设计。这将使得机器人的组装、调试和维修变得更加简单和高效。

　　同时，模块化和标准化也有助于降低生产成本，提高产品的市场竞争力。

协同作业与集成化：

　　随着技术的发展，未来的并联机器人将更加注重与其他机器人或自动化系统的协同作业能力。通过集成多种传感器和执行器，实现更高效的自动化生产流程。

　　此外，并联机器人还可能与云计算、大数据等技术相结合，实现远程监控、故障诊断和预测性维护等功能。

　　综上所述，并联机器人的发展方向包括功能增强与性能提升、智能化与自主化、多场景应用拓展、模块化与标准化以及协同作业与集成化等方面。这些发展方向将有助于并联机器人在未来更好地满足不同领域的需求，并推动相关产业的持续发展。

和串联机器人区别

　　并联机器人和串联机器人在多个方面存在显著的区别，这些区别主要体现在结构、特点、应用场合以及运动控制和编程方式上。以下是对这些区别的详细分析：

一、结构区别

　　串联机器人：是一种开式运动链机器人，由一系列连杆通过转动关节或移动关节串联形成。这种结构使得串联机器人具有较大的工作空间和较高的自由度，适用于需要较大范围和灵活性的任务。

　　并联机器人：由动平台和定平台通过至少两个独立的运动链相连接，机构具有两个或两个以上的自由度，且以并联方式驱动的一种闭环机构。并联机器人的结构紧凑，工作空间相对集中，通常在基座周围。

二、特点区别

　　串联机器人：

　　需要减速器，驱动功率不同，电机型号不一。

　　电机位于运动构建，惯量大。

　　正解计算（即根据关节角度计算末端执行器位置）相对简单，但逆解计算（即根据末端执行器位置反推关节角度）复杂。

　　并联机器人：

　　无需减速器，成本相对较低。

　　所有的驱动功率相同，易于产品化。

　　电机位于机架，惯量小。

　　逆解计算简单，易于实时控制。

三、应用场合区别

　　串联机器人：由于其较大的工作空间和较高的自由度，串联机器人广泛应用于各种机床、装配车间等领域，适用于处理大型物体或需要较高机械柔性的任务。

　　并联机器人：主要用于精密紧凑的应用场合，如精密装配、检测、包装、分拣等。并联机器人在速度、重复定位精度和动态性能等方面具有显著优势，适用于对精度和稳定性要求较高的任务。

四、运动控制和编程方式区别

　　串联机器人：通常采用分布式控制方法，即每个关节有各自的控制器，根据任务需求独立控制自身运动。这种方式使得串联机器人具有较大的灵活性和可编程性。

　　并联机器人：通常采用集中式控制方法，即通过中央控制器控制所有关节的运动。这种方式使得并联机器人的运动协调一致、同步性较高。

五、其他区别

　　承载能力：并联机器人由于结构刚性较强，通常具有较高的承载能力；而串联机器人在承受较大负载时，可能会因为关节间的柔性连接而导致精度下降。

　　工作空间：串联机器人的工作空间相对较大，但并联机器人的工作空间虽然有限（通常为球形或圆柱形），但在其工作范围内具有较高的精度和稳定性。

　　综上所述，并联机器人和串联机器人在结构、特点、应用场合、运动控制和编程方式等方面存在明显的区别。选择合适的机器人类型取决于具体的应用需求和性能要求。