CATIA被动铰为球铰的二自由度并联平移机器人机构运动分析与结构设计(3)

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近年来少自由度并联机器人的研究成果丰硕，许多研究人员提出了各种各样的少自由度并联机器人。八十年代，亨特发明了一种三自由度的空间并联机构；九十年代，Delta提出了著名的Delta机构[7]。二自由度并联机构是自由度最少的并联机构，它可以完成平面内任意二自由度的运动以及指定点的定位，既可以采用平面机构的布置方式，也可以采用空间机构来完成。有多种机构形式可以构成二自由度并联机器人，目前应用较多的有RPRPR、RRRPR、RPRRR、RPRRP、PRRRP等，其中平面5R（RRRRR）对称并联机器人机构最具代表性，如图1.3所示，它由5根连杆和5个转动副构成，两根与驱动滑块相连的连杆作为驱动杆[8]。很多国内外学者都研究过这种平面5R机构，提出了很多衍生机够并完善了它的机构学理论、运动学和动力学分析、控制算法、姿态控制，以及研究可能出现的奇异位置。孙立人[9]用移动副来替换平面5R机构的部分转动副提出了如图1.4所示的平面RRRPR并联机器人，以及如图1.5所示的由两根连杆三个转动副发明的平面两自由度机器人，其刚度和精度性能都不错。

平面5R并联机器人平面RPRPR并联机器人

两自由度并联机器人二自由度平动并联机器人

如图1.6所示，袁剑锋[10]等人发明了一种采用平行四边形支链结构约束的二自由度并联平移机器人，可以在运动平面内进行平移运动。如图1.7所示，王忠飞[11]等发明了一种仅含转动副的二自由度平动机器人，这种并联机器人在垂直于运动平面方向的刚度有所提高，并且结构刚度可以通过可控阻尼杆来调节。但是这种机构没能彻底解决平行四边形机构的结构缺陷，所以不能彻底解决结构刚度方面的问题，由于需要两根可控阻尼杆来调节，所以使得机构难以控制，并且制造成本高昂。如图1.8所示,杜正春，高峰[12]等发明了一种二自由度并联机构，利用滑动平台和连杆来约束机构使其可以在滑动平面内实现二自由度运动，并且可以输出运动解耦。但是这种机构在本质上还是一种平面机构，也无法根本解决在垂直于运动平台方向的刚度不足的问题。

图1.7 二自由度平动机器人图1.8两自由度平面并联机器人

黄田[13]发明了一种可以实现拾取和放置功能的二自由度平移并联机器人，这种机器人采用被动平行四边形之链结构，并且具有一对摆动臂，并命名为Diamond机器人。如图1.9(a)和图1.9(b)所示，Diamond机器人可以具有一个或两个平行四边形支链。两个平行四边形支链结构的机器人具有对称性，并且提高了系统刚度。李秦川[14]发明了一种横向尺寸比较小的二自由度并联平移机器人，如图1.10所示，这种机器人将两个平行四边形支链互相交叉起来，加强了系统刚度。除此之外，有些不采用平行四边形支链结构的平面二自由度并联机器人，比如范顺成[15]发明了这一种实现输出解耦的二自由度并联平移机器人，这种结构利用了两个互相垂直的移动副，结构新颖。

（a）仅有1个平行四边形支链机构（b）含2个平行四边形支链机构

图1.9Diamond机器人

图1.10二自由度交叉型平移机器人图1.11二自由度运动解耦并联机器人

唐晓强[16]为了约束平台的转动自由度，在运动平面内采用了含伸缩杆的支链，发明了图1.12所示的二自由度平移并联机器人，这种结构的刚度可调，性能较好。Li Z B,Lou Y J[17]等在六连杆并联机构的基础上，采用P式被动约束支链发明了如图1.13(a)所示的PP支链的二自由度并联机器人；添加RRPR被动约束发明了如图1.13(b)所示的二自由度并联机器人。然而,图1.13所示的二自由度并联机器人形式上空间并联机构，但是在垂直于运动平面上被动约束支链并不承担载荷，只是约束运动平台使其不能转动，所以这种机器人实质上还是平面结构。平面结构的并联机器人通过各种运动副与构件相连，当垂直于运动平面上有附加载荷时，构件必定发生弯曲变形来抵抗外载荷，这也是机构在垂直于运动平面方向刚度不足的原因。Baradat[18]发明了一种空间结构的二自由度并联机器人，如图1.14所示；这种机器人有两个互相耦合的被动约束支链，两个约束支链的摆动臂运动方向相反，但是通过齿轮副等机构可以保证两个摆动臂同步运动，从而实现了机构的平移运动，这种空间结构也使垂直于运动平面方向上的刚度有所提高。