并联机器人历史

并联机器人历史
并联机器人历史、应用及发展
浙江理工大学机电研究所李秦川
并联机构英文名为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，它的出现可以回溯至20世纪30年代。

1931年，Gwinnett在其专利中提出了一种基于球面并联机构的娱乐装置，如图1-1所示；1940年，Pollard在其专利中提出了一种空间工业并联机构，用于汽车的喷漆，如图1-2所示；之后，Gough在1962年发明了一种基于并联机构的六自由度轮胎检测装置，如图1-3所示；三年后，Stewart
图1-1 并联娱乐装置图1-2 Pollard的并联机构
Figure 1-1 Parallel amusement device Figure 1-2 Pollard’s PM 首次对Gough发明的这种机构进行了机构学意义上的研究，并将其推广应用为飞行模拟器的运动产生装置，如图1-4所示，这种机构也是目前应用最广的并联机构，被称为
Gough-Stewart机构或Stewart机构。

从结构上看，Stewart机构的动平台通过六个相同的
独立分支与定平台相联接，每个分支中含有一个联接动平台的球铰、一个移动副和一个
连接定平台的球铰，为避免绕两个球铰中心连线的自传运动，通常也用一个万向铰来代
替其中一个球铰。

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，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 (图1-6)，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。

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
1
[7]比较，并联机器人具有以下特点：
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；
结构紧凑，刚度高，承载能力大；
完全对称的并联机构具有较好的各向同性；
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。

图1-3 Gough并联机构图1-4 Stewart并联机构
Figure 1-3 Gough PM Figure 1-4 Stewart PM
图1-5 燕山大学研制的我国首台六自由度图1-6 具有弹性球铰的六自由度并联误差
并联样机补偿器
Figure 1-5 First 6-DOF PM developed in Figure 1-6 6-DOF parallel error compensater
Yanshan University in China with plastic joints
[4]Stewart在1965年首次提出把六自由度并联机构作为飞行模拟器，开此应用的先河。

目前，国际上有大约67家公司生产基于并联机构的各种运动模拟器。

图1-7是Frasca
2
公司生产的波音737-400型客机的六自由度飞行模拟器；图1-8是CAE公司生产的飞行模拟器。

图1-7 波音737-400飞行模拟器图1-8 CAE 飞行模拟器
Figure 1-7 Boeing 737-400 flight simulator Figure 1-8 CAE flight simulator
并联机器人在工业上的一个突出应用是作为数控加工中心，又被称为并联机床或虚
[9-14]拟轴机床，是机器人技术与机床技术结合的产物。

和传统的串联式加工中心相比，
并联机床具有结构简单，传动链短，刚度/重量比大，环境适应性强，响应速度快等特点，
特别是很容易实现六轴联动，可用来加工复杂的三维曲面。

因此，并联机床又被称为“21世纪的机床”。

九十年代初以来，国际学术界和工程界对并联机床的研究和开发非常重
视，投入大量人力物力积极开发，相继推出多种并联机床产品化样机。

图1-9是美国Giddings & Lewis公司1994年在美国芝加哥IMTS’94博览会上推出的VARIAX虚拟轴机床，标志着并联机构正式进入机床领域。

1997年在德国汉诺威国际机床博览会(EMO97)和1999年巴黎国际机床博览会(EMO99)上，又推出了多种并联机床样机。

图1-10是瑞典Neos Robotics公司生产的Tricept 600型并联机床。

图1-11是德国Mikromat公司生产的6X型高速立式加工中心。

图1-12是瑞士联邦技术学院研制的HexaGlide并联机床，可以加工长工件。

国内第一台并联机床是清华大学和天津大学在1997年合作研制的大型镗床类并联
样机VAMT1Y(图1-13)。

东北大学于1998年研制了五轴联动三杆并联机床
DSX5-70(图1-14)，该机床严格说来应属并串联机构，是在一个三自由度移动平台上串联一个两自由
度的串联机构而成。

天津大学和天津第一机床总厂合作于1999年研制了三坐标并联机床商品化样机LINAPOD(图1-15)，哈尔滨工业大学也研制了一台六自由度并联机床样
机(图1-16)。

应该指出，并联机床在以下几个方面还需要做进一步的工作：
(1)提高加工精度。

(2)减弱运动耦合。

(3)有效地检测位姿误差，实现闭环控制。

(4)提高实现姿态的能力，扩大工作空间。

3
图1-9 VARIAX 并联机床图1-10 Tricpet 600 并联机床 Figure 1-9 VARIAX PKM Figure 1-10 Tricpet 600 PKM
图1-11 Mikromat并联机床图1-12 HexaGlide 并联机床
Figure 1-9 Mikromat PKM Figure 1-12 HexaGlide PKM
图1-14 DSX5-70并联机床图1-13 VAMT1Y并联机床
Figure 1-14 DSX5-70 PKM Figure 1-13 VAMT1Y PKM
近年来，面向生物工程、医学工程及微加工等领域的微操作机器人技术受到国内外学术界和工程界的广泛关注，发展速度极快，已被应用于实现细胞的注射和分割，微机
4
电产品的加工和装配和微外科手术等。

微操作机器人必须具有无摩擦无间隙、响应快、
结构紧凑、刚性好、误差积累和放大小等特点。

以柔性铰链代替传统铰链后，并联机构
就正好具备以上特点，适合用作微操作机器人。

图1-17是德国PI公司研制的Nonapod六自由度微动并联机器人。

在国内，燕山大学黄真等在1994年首次研制了以柔性铰链代替球副的并联式六自
[7,8]由度机器人误差补偿器，如图1-6所示；
图1-17 Nonapod微动并联机器人图1-18 六维并联力传感器
Figure 1-17 Nonapod micro-motion PM Figure 1-18 6-D parallel force sensor
机器人要实现智能化必须具备“触觉”和“力觉”，这就需要借助力(包括力矩)传感器来实现。

二十世纪七十年代以来，机器人用六维力传感器成为国内外研究的热点问题。

在六维力传感器的设计中，核心问题是力敏感元件的结构设计，结构是否合理直接决定
传感器性能的优劣。

国内外很多学者把并联机构结构的思想引用到六维力传感器的力敏
感元件结构设计上，燕山大学首次提出用弹性铰链来替代球面副，大大减小了Stewart平台结构的尺寸，从而可设计出可用于机器人手腕和手指上的六维力传感器，如图1-18所示，该设计思想实现了力传感器力敏感元件的一体化，即力敏感元件是非组装结构，
从而提高了力传感器的灵敏度和精度。

并联机器人还广泛应用于其他领域，包括：
军事领域中的潜艇、坦克驾驶运动模拟器，下一代战斗机的矢量喷管、潜艇及空间
飞行器的对接装置、姿态控制器等；
生物医学工程中的细胞操作机器人、可实现细胞的注射和分割；微外科手术机器人
大型射电天文望远镜的姿态调整装置
混联装备等，如SMT公司的Tricept混联机械手模块是基于并联机构单元的模块化
设计的成功典范。

5
6
7。