并联机器人的研究现状及发展探究

并联机器人的研究现状及发展探究

侯琨

杭州申昊科技股份有限公司 浙江省杭州市 311121

摘要：直到90年代，并联机器人才开始受到人们的重视，它具有高刚度、高速度、高柔性和轻重量等特点，是工业机器人中重要部分。在食品、医药、电子等轻工业领域具有不可替代的优越性。近年来，由于市场上越来越多地使用并联机器人，为此做好并联机器人研究非常有必要。基于此，本文主要分析并联机器人各结构学与力学研究情况，并提出未来发展带须解决的实际问题，以供参考。

关键词：并联机器人；研究；运动学；未来发展

引言：当前，在食品包装、3C电子、医药、日化等行业，并联机器人的应用基础仍较低，而机器人价格的增速和下降促使了制造业企业引入机器人成为发展可能，以各项目研究切实完善其后续服务系统。

1、并联机器人机构学与运动学研究

并联机器人机构与运动学研究内容包括：运动学、奇异形位、工作空间及柔性分析。

1.1运动学

运动学研究主要涉及两个方面：位置正解与反解。位置正解是指通过给定的关节参数来确定机械手姿态，而逆求解则是根据机械手位姿来确定各个关节的运动参数。对并联机构来说，位置逆解比较简单，但正解比较复杂。

1.2奇异位形

由于并联机构处于奇异位置，使其操纵平台存在过大的自由度，使机构失控，同时，由于关节驱动力会变得无穷大，导致机械机构受到损伤，所以在设计与使用时，必须避免奇异位形。理论上，当并联机构处在奇异位置时，它的雅克比矩阵就会形成奇异阵列，一般来说行列式是0，而不是机构速度反解。事实上，并联机器人不仅要避开奇异位置，还要避免靠近奇异位置地方，这是因为在这个区域中，机器人移动传递能力很弱。因此，对并联机器人的奇异形位进行深入研究非常有必要。目前，众多学者对奇异位形计算与判断都有多种方法^[1]。

1.3工作空间和灵活度

工作区是机器人操控重要参数，它反映了机器人的工作环境。基于输入转换法，我国学者对并联式机械手工作空间的各个剖面进行了分析，探讨了其与作业空间之间的关系，提出了改变平台上、上平台半径或平台半径、最小油缸长度四个方面的变化。我国学者对并联机机器人工作空间极限边界进行了数值求解，并对其工作空间、工作空间关节约束内空间问题进行了探讨；对并联机器人工作空间边界及弹性分析进行了深入探讨，在弹性分析部分，先构造雅克比矩阵，再给出弹性指数，并对其进行了局部灵活度及各向同性分析，得出了其结构是局部最优弹性结构，其分析方法在我国已有较好的代表性^[2]。

2. 并联机器人动力学控制研究

2.1动力学

机械动力学主要内容有：惯性力计算、力分析、力矩分析、反力分析、建立动力学模型、计算机动态模拟、动态参数辨识等。动态分析分为两种类型：正反两种。并联机构结构复杂，其动态建模往往是一个多自由度、多变量、高度非线性、多参数耦合的复杂系统。拉格朗日法建立的动力学方程是基于系统动能和势能，其推导过程复杂，计算量大，但由矩阵表示的动态模型既可以进行动态控制，为此应依据该办法进行系统动态仿真，进而清晰地反映各个部件之间的耦合特征，便于进一步研究其耦合性能，确保得到广泛应用。

2.2控制

在当今社会，科技发展迅速，我国对智能机械臂进行了深入的探索，包括各类高精度组装、力/位复合控制、多臂协同、高精度加工等。近年来，我国在并联式机器人控制领域也取得了一些成果。

2. 并联机器人仿真实现研究

并联机器人仿真是机器人领域中的热点问题，其主要内容包括机构学、运动学、零件建模、三维仿真、机器人运动控制等。通过运用计算机可视和面向对象技术，可以实现对机器人的动力学行为，使研究者能够更好地理解机器人工作区的形状和限制，并能找到合适机器人的移动方式，以此设置好有效的控制策略，处理机器人在设计、制造和运行中遇到的问题。避免因直接操作而引起的意外和不必要损失。随着机器人的研究和应用发展，计算机技术的进步，使机器人模拟成为安全、可靠、灵活、方便的机械设计与研究工具^[3]。

2. 并联机器人未来发展

(1)目前，并联机器人在结构和运动学方面研究已取得了很大的进展，其中很多理论研究已达国际水准，但对工作空间拓展和灵活性分析尚不完善。在实际应用中，如何确定机器人的姿态参数，如何确定机器人的工作空间；给出了位置参数后，机器人定位性能如何调整；在给定轨道下，机器人能否在工作空间中重新进行运动，上述都为未来发展需要探讨的重点问题。

(2)并联机器人动态和控制技术还不多见，因此，在今后发展中，需要寻找一种能充分发挥并联机构特性的特殊控制方法。同时，本文还对并联机器人可控性和可视性进行了研究。

(3)在并联机器人仿真中，使用的工具越来越多，其实用性也在不断提升，但距离真正使用，还有很长一段路要走，为此在未来发展中应重点研究并联机器人仿真方面。

结束语：综上所述，并联机器人机构使用范围和广阔的发展空间，已然受到了世界各国的关注。该技术推广加速了工业发展，也反映出了当今科技的飞速发展现状，在此我国应积极对并联机器人进行综合、系统的探索，将其推向现实，在各领域充分发挥其作用，并逐步朝着智能化和多样化方向发展。

参考文献：

[1]赵俊杰. 并联机器人机构的创新与应用研究进展分析[J]. 商品与质量,2020(44):288.

[2]叶鹏达,尤晶晶,仇鑫,等. 并联机器人运动性能的研究现状及发展趋势[J]. 南京航空航天大学学报,2020,52(3):363-377.

[3]于珊珊,张建军,李为民,等. 农业机器人并联视觉云台研究[J]. 农业机械学报,2020,51(8):406-413.

作者简介：侯琨，出生年月1986.3，男，籍贯陕西岐山，汉族，学历：硕士研究生，职称：工程师，研究方向：智能制造、智能产品