2-并联机器人机构的构型研究

2 并联机器人机构的构型研究

2.1 概述

并联机器人机构是由运动副和构件按一定的方式连接而成的闭环机构。机构组成原理是并联机器人机构类型研究的复杂而困难的关键问题。机构的创新是机械设计中永恒的主题，人们要设计出新颖、合理、有用的并联机器人机构，不仅要有丰富的实践经验，而且要熟悉机构的组成原理，即并联机器人机构的自由度、运动副的类型。支链的类型与并联机构的类型的关系。目前人们熟知的并联机器人机构的类型有平面二自由度、平面三自由度、球面三自由度、纯移动三自由度和六自由度并联机构。从国内外的研究现状看，实用的少自由度并联机构较少，或者说非常缺乏，原因在于并联机构构型原理还不完善。

为了探讨并联机器人机构的类型，研究并联机器人机构构型方法是十分重要的，因为并联机器人机构的组成不能简单的按空间机构组成原理来研究，它与每条支链的运动特性有直接的关系。

2. 2运动副类型

并联机器人机构是由运动副和构件按一定的方式连接而成的闭环机构。组成并联机器人机构的运动副可分为简单运动副和复合运动副两大类，如表2.1所示。常见的简单运动副有：转动副 R （revolute pair ）、移动副 P （prismatic pair ）、螺旋副 H （helix pair ）圆柱副 C （cylinder pair ）、球面副 S （spherical pair ）。球销副 S ’（ball-and-spigot pair ）。

为了设计出具有己知运动特性的支链，我们提出以下一些复合运动副，即：万向铰或虚克铰 U （universa Uoint ，已有的复合副）、纯平动万向铰 U*（pure －translation universal Joint ）、转一平动万向铰 ^U 和 U^(translation and rotation universal joint)、平面移动万向铰U 和 U p

。由于复合运动副U 可实现二维转动，U *可实现二维独立纯移动，^U 和U^可实现一维移动和一维转动，U 和 U p

可实现二维平面移动，因此复合运动副U 、U*、^U 、p

U 、 U 是组成并联少自由度机器人机构的非常有用的运动副。图2.l 给出了复合运动副U 、U*、^U 、U 、U 的具体结构。

p

p

p

p

p

^U

U U^ U p

p

U* U S S

图2.1 复合运动副^U 、U 、U^、U 、U*、U 、S 的具体结构

p

p

S

表2.1并联机器人机构的运动副类型

2.3 运动支链类型

由于并联机器人机构是由多于一条的支链将上下平台连接而成的，因此研究机构支链的型是探讨并联机器人机构类型设计的关键问题之一。本节讨论的每条并联机器人机构支链中仅含有三只或少于三只简单运动副和复合运动副。根据表2.l给出的运动副，我们可设计出多种2-6自由度的并联机器人机构简单支链（如表2.2和图2.2所示）和复合支链(如表2.3

和图2.3所示)。简单支链是由简单运动副(R 、P 、S 、C 、H) 和虎克铰（U ）构成；复合支链中至少含有一个复合运动副。

表2.2 并联机器人机构的简单支链类型 自由度

运动副

支链类型举例

自由度

运动副

支链类型举例

P 、S 、S SPS ，PSS 4

P 、U 、R PUR ，PRU ，UPR ，

RPU

U 、P 、S UPS ，PUS R 、R 、R RRR （平面或球面）R 、S 、S RSS ，SRS R 、P 、R RPR 、PRR 6

U 、R 、S URS ，RUS

3 H 、R 、P

HRP 、PRH 、RPH

R 、R 、S RRS ，RSR R 、R

R 、P 、S RPS ，RSP ，PRS ，PSR P 、R PR 、RP 5 P 、U 、U PUU ，UPU

2

表2.3 并联机器人机构的简单支链类 自由度

运动副

支链类型举例

自由

度

运动副

支链类型举例 P 、U*、U PU*U ，UPU*，U*PU P 、^U 、R P^UR 、RP^U 、R^UP R 、U*、U

RU*U ，U*RU ，UU*R

R 、^U 、R

R^UR 、RR^U 、U^RR P 、^U 、U P^UU ，UP^U ，^UPU P 、U P 、R PU P R 、RU P P 、U P PR P 、U^、U PU^U ，U^PU ，UU^P R 、U P 、R RU P R 、RU P R 、U P PR

R 、^U 、U R^UU ，U^RU ，U^UR C 、U* CU*、U*C R 、U^、U RU^U ，U^RU ，UU^R

4

C 、U^ CU^、U^C

R 、P U 、U R P UU ，UR P U ，P URU P 、U* PU*、U*P R 、U P 、U RU P U ，U P RU ，UU P R R 、U* RU*、U*R

R 、U*、C CU*R 、RU*C 、CRU* P 、U^ PU^、U^P 5

C 、U^、R CU^R ，RU^C ，RCU^

3

R 、U^ RU^、U^R

P 、U*、R PU*R 、U*PR 、RU*P P

U 、U P 、^U 、U^、

U*

4 R 、R 、U* RU*R 、U*RR 、RRU*

2

为了设计出具有已知运动自由度的并联机器人机构，关键问题是要明确知道各种运动副

支链的运动特性，即支链可实现的运动和被约束的运动，以便确定设计的并联机器人机构自由度。