并联机器人的设计讲义

12.2 并联机构的设计
1. 并联机构的正向设计 并联机构的正向设计是根据并联机构的设计要 求，在并联机构的构型基础上，由运动副设计运动 支链，再由运动支链设计运动支链与定平台和动平 台的连接，形成并联机构，分析所 设计的并联机构是否满足设计要求， 若满足设计要求，则所设计的并联 机构可用，否则，重新设计。
于运输、拆装和维修，这有利于并联机器人的售后服务。 9. 满足操作和控制的要求
所设计的并联机器人要便于操作和控制，尽可能设计智能 控制系统，减轻操作工作量，提高并联机器人的使用水平；要 便于并联机器人的使用者学习操作，降低对操作者的技术和知 识水平的要求。
12.1.2 并联机器人的设计过程
并联机器人的设计过程一般可以分成以下阶段：设计规划、 总体设计、零部件的设计、设计说明书的编写、样机制造和试 验等。
图1-4 3-RPS的3自由度并联机构
12.2 并联机构的设计
2. 并联机构的反向设计 并联机构的设计的反向设计是根据并联机构的 设计要求，由动平台的运动开始，设计动平台与运 动链的连接，并形成并联机构，分析所设计的并联 机构是否满足设计要求，若满足设 计要求，则所设计的并联机构可用， 否则，重新设计。
图12-4 并联机器人的液压驱动系统的基本组成 图1-21 液压缸驱动的六自由度的Stewart平台并联机器人
12.3.1 并联机器人的液压驱动系统的设计
连杆的液压缸的最大驱动力与液压缸的直径、液压油的
压力之间的关系：
ky
f Dim ax
py
Dy2
4
(12-2)
表12-1 不同负载条件下液压油的压力
例12-3 设计垂直可调工作空间的3个自由度的定点转动 的并联机构。
解：类比图12-2所示的3个自由度的定点转动的并联机 构进行设计，将图12-2中的 中心支撑杆改为中心杆移动 副，得所要设计的并联机构， 如图12-3所示。
图12-3 垂直可调工作空间的3个自由度的定点转动的并联机构
12.2 并联机构的设计
4. 并联机构的移植设计 并联机构的移植设计是根据并联机构的设计要 求，移植同类并联机构，设计满足设计要求的并联 机构，再分析所设计的并联机构是否满足设计要求， 若满足设计要求，则所设计的并 联机构可用，否则，重新设计。
例12-4
例12-4 从并联机构的移植设计角度，分析图1-9所示的 3D打印并联机器人和图1-51所示的连杆中有滑块的并联机床 的并联机构。 解：从并联机构的设计角度，可以认为图1-9所示的3D打印 并联机器人移植了图1-51所示的连杆中有滑块的并联机床的 并联机构，或者说，将图1-51所示的连杆中有滑块的并联机 床的并联机构用 于3D打印，或移 植到3D打印机上， 形式了图1-9所示 的3D打印并联机 器人。
图1-9 三D打印并联机器人 图1-51 连杆中有滑块的并联机床
12.2 并联机构的设计
5. 并联机构的变化支链结构设计 并联机构的变化支链结构设计是根据并联机构 的设计要求，变化支链的结构，设计满足设计要求 的不同支链形式的并联机构，再分析所设计的并联 机构是否满足设计要求，若满足设 计要求，则所设计的并联机构可用， 否则，重新设计。
12.1.1 并联机器人的设计要求
1. 满足市场和研究的要求 从市场的角度来说，没有市场或实际应用的并联机器人，
不能形成产品，没有设计的意义；从研究的角度来说，没有理 论和应用价值的并联机器人，也没有设计的意义。 2. 满足经济性及性能的要求
从市场的角度来说，没有经济性的并联机器人，或没有潜 在经济性的并联机器人，要被市场淘汰；
图1-20 电机驱动的六自由度的Stewart平台并联机器人 图1-21 液压缸驱动的六自由度的Stewart平台并联机器人
12.2 并联机构的设计
6. 并联机构的设计注意点 （1）并联机构的设计方法有多种。上面仅介绍了部分并 联机构的设计方法，还有其他的并联机构的设计方法，如螺 旋理论、图论、群论、GF集理论的并联机构的设计方法，且 并联机构的设计方法和理论在不断发展。 （2）查阅资料。在并联机构的设计中，要查阅大量资料， 研究并联机构，才能运用好上述并联机构的设计方法。 （3）创新设计。并联机构的形式很多，有不同的运动副、 运动支链、自由度、驱动等，这给并联机构的设计提供了很 好的创新平台。在并联机构的设计中，要注意创新，才能设 计出好的满足设计要求的并联机构。创新设计是并联机构及 并联机器人开发的起点和关键。
在各个阶段，采用并行设计的方法，由设计部门及人员主 持设计，相关部门及人员参与设计，进行相关的工作，并有必 要的相关信息反馈及其改进设计。
12.1.2 并联机器人的设计过程
图12-1 并联机器人的设计过程
图4-1 6-SPS并联机构
12.1.3 并联机器人的设计方法
在并联机器人的设计中，可采用以下方法： （1）类比法：类比同类并联机器人，进行设计。 （2）比较法：对并联机器人的多个设计方案比较后，选最优 的设计方案。 （3）移植法：移植其他先进技术到并联机器人上，如智能控 制技术、远程控制技术。 （4）创新设计法：以创新为目标，用创新设计技法，进行并 联机器人的设计，提高并联机器人的技术水平。
设计及运动仿真
12.4.1 两个转动自由度的检测并联机器人的设计规划
汽车有纵向、横向及纵横双向驻车坡度角，需要相应的 检测设备。
汽车纵横双向驻车坡度角检测设备的设计要求：在不大 于35º范围内检测汽车纵向驻车坡度角，在不大于10º范围内 检测汽车横向驻车坡度角。
例12-2
例12-2 设计3个自由度的定点转动的并联机构。 解：设计得到3个自由度的定点转动的并联机构，如图 12-2所示，动平台5与中心球铰6连接，为提高中心球铰6的高 度，防止动平台5与定平台1运动干涉，将中心球铰6安装在 中心支撑杆7上，中心支撑杆7固 定在定平台1上；下球铰2、支链 移动副3和上球铰4构成SPS运动 支链，3条SPS运动支链分别与动 平台5和定平台1连接。
图1-9 三D打印并联机器人
图1-14 三移动自由度的Delta并联机器人
例12-6
变化支链的驱动结构，设计出满足设计要求的并联机构。如：图120所示的电机驱动的六自由度的Stewart平台并联机器人和图1-21所示的 液压缸驱动的六自由度的Stewart平台并联机器人同为六自由度的Stewart 平台并联机器人，同样采用六自由度的Stewart并联机构，其运动简图相 同，一个采用电机驱动，另一个采用液压缸驱动，是两种不同驱动形式 的六自由度的Stewart并联机构，可满足不同的驱动设计需求。
图12-2 3个自由度的定点转动的并联机构
12.2 并联机构的设计
3. 并联机构的类比设计 并联机构的类比设计是根据并联机构的设计要 求，类比同类并联机构，设计满足设计要求的并联 机构，再分析所设计的并联机构是否满足设计要求， 若满足设计要求，则所设计的并联 机构可用，否则，重新设计。
例12-3
机连接，直线电机上有传感器，控制直线电机，直接驱动连
杆的伸长和缩短。
直线电机的功率：
Nd kd max fDili
(12-5)
12.4 并联机器人的设计示例
12.4.1 两个转动自由度的检测并联机器人的设计规划 12.4.2 两个转动自由度的检测并联机器人的机构运动
简图的设计及其自由度计算 12.4.3 两个转动自由度的检测并联机器人的设计计算 12.4.4 两个转动自由度的检测并联机器人的总体结构
驱动力 f Dimax /kN <5 5～10 10～20 20～30 液压油的压力 p y/MPa 0.8～1 1.5～2 2.5～3 3～4
30～50 4～5
>50 ≥5～7
表12-2 缸筒内径 Dy 的系列(GB/T2348-2018) (mm)
8 10 12 16 20 25 32 40 50 63 80 100 125 160 200 250 320 400 500 －
所设计的并联机器人要有一定的可靠性，有一定的使用寿命。
12.1.1 并联机器人的设计要求
5. 满足创新性的要求 在并联机器人设计中，要不断创新，保持技术的先进性，
不侵犯专利。学习和研究是并联机器人创新的基础。 6. 满足加工工艺的要求
为提高并联机器人的加工效率，尽最大可能贯彻三化，即 零部件标准化、产品系列化、零部件通用化。要严格遵守和贯 彻有关法规、标准；多考虑已有、可用的外协零部件。 7. 满足劳动安全、环境保护的要求
并联机器人
（第 1 版）
并联机器人的设计
讲授内容
12.1 并联机器人的设计概述 12.2 并联机构的设计 12.3 并联机器人的驱动系统的设计 12.4 并联机器人的设计示例
12.1 并联机器人的设计概述
12.1.1 并联机器人的设计要求 12.1.2 并联机器人的设计过程 12.1.3 并联机器人的设计方法
12.1.3 并联机器人的设计方法
（5）计算机辅助设计法：利用计算机及CAD、MATLAB、UG 等软件开展设计工作。 （6）现代设计方法：在并联机器人的设计中，引入可靠性设 计、优化设计、有限元设计、虚拟设计、稳健设计、绿色设计 等，提高并联机器人的技术水平。 （7）并行设计方法：在并联机器人的设计中，要用并行设计 方法，设计部门及人员主持设计，相关部门及人员参与设计， 共同开发，提高设计的一次成功率，优化设计 结果，提高设计的质量和速度。
所设计的并联机器人要注意劳动安全、环境保护，减少振 动和噪声，设计劳动安全、环境保护装置。要考虑并联机器人 的报废及报废后对环境的影响，提出绿色设计的要求，倡导并 实施绿色设计。所设计的并联机器人要满足特殊环境的要求， 如食品、医药的卫生要求等。
12.1.1 并联机器人的设计要求
8. 满足运输、拆装和维修方便的要求 在并联机器人的设计中，要考虑运输、拆装和维修，要便
例12-1
例12-1 设计1个上下移动和2个转动的自由度的并联机构。 解：根据设计要求，选用RPS运动链，由3条RPS运动 链分别与定平台和动平台连接，构成图1-4所示的3-RPS的3 自由度并联机构；再计算自由度，分析所设计的并联机构是 否具有1个上下移动和2个转 动的自由度，满足设计要求， 可用。
12.3.2 并联机器人的电机-减速器驱动系统的设计
并联机器人的电机-减速器驱动系统主要由电机和减速
器组成。减速器的传动比：
ij
d imax
nd ni m ax
(12-3)
电机的功率：

Nd
kd
N jmax
j
(12-4)
12.3.3 并联机器人的直线电机的设计
并联机器人的直线电机安装在连杆上，控制器与直线电
例12-5
例12-5 从并联机构的变化支链结构设计角度，分析图19所示的3D打印并联机器人和图1-14所示的三移动自由度的 Delta并联机器人的并联机构。
解：图1-9所示的3D打印并联机器人采用滑块和平行四 边行机构连接的三条支链，图1-14所示的三移动自由度的 Delta并联机器人采用摇臂和平行四边行机构连接的三条支链。
12.3 并联机器人的驱动系统的设计
12.3.1 并联机器人的液压驱动系统的设计 12.3.2 并联机器人的电机-减速器驱动系统
的设计 12.3.3 并联机器人的直线电机的设计
12.3.1 并联机器人的液压驱动系统的设计
液压缸安装在连杆上，为连杆的一部分，如图1-21所示， 液压缸通过电磁阀与电动液压泵连接，油箱与电磁阀、电动 液压泵连接，油箱中有液压油。并联机器人的控制系统控制 电磁阀和电动液压泵，三位两通的电磁阀有中位、液压缸与 电动液压泵相通位、液压缸与油箱相通位。
设计性能要求包括：工作空间、奇异位形、速度、载荷及 其变化、刚度、振动、重量和精度等。在并联机器人的设计中， 要满足并联机器人的经济性及性能要求，多考虑使用者。
12.1.1 并联机器人的设计要求
3. 满足整体性的要求 从系统的角度来说，并联机器人是一个典型的完整的机电
一体化系统，包括机械系统和控制系统，机械系统包括并联机构、 操作器和驱动系统等，控制系统包括控制器、传感器、控制软件 等。机械系统和控制系统紧密结合，共同影响并联机器人的性能、 设计、制造和使用等，在并联机器人的设计中，要将并联机器人 的机械系统和控制系统作为一个整体，进行设计，全面考虑和重 视。 4. 满足可靠性的要求