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2024年3月26日发(作者：)
冗余输入并联机器人的研究
并联机器人具有刚度大、承载能力强、误差小、精度高、自重负荷比小、动
力性能好、控制容易等一系列优点,与目前广泛应用的串联机器人在应用上构成
互补关系,因而扩大了整个机器人的应用领域。冗余输入并联机器人的输入构件
(驱动构件)数一般也就多于输出构件自由度数。由于冗余输入并联机器人的输入
构件(驱动构件)较多,因此,与一般并联机器人相比具有更高的刚度、更大的承载
能力等特性,适合于重载荷和大加速度的应用场合。可以预见这类机器人在21 世
纪将有广阔的发展前景。
并联机构与串联机构相比具有一些独特的性能,如刚度高、承载能力高、速
度高、驱动电机在机架上而使活动构件的重量轻等,它早已引起了国际上众多学
者的关注。并联机器人可以作为航天上的飞船对接器、航海上的潜艇救援对接器、
工业上可以作为大件的装配机器人、精密操作的微动器。自并联机构出现,并联
机器人的应用领域不断扩大,特别是在一些需要高精度、高刚度或者高速度而无
须很大工作空间的应用领域,并联机器人机构比串联机构越来越受人们的青睐。
冗余输入并联机构是输入构件(驱动构件)数多于输出构件自由度数的并联机构。
由于冗余输入并联机构的输入构件较多,与一般并联机构相比,该类并联机构具有
更高的刚度、更大的承载能力和更大的加速度以及更优的性能等特性。冗余并联
机构有广泛应用前景,适合于重载荷和大加速度等应用场合。目前国际上缺乏系
统的冗余并联机构的构型理论和设计方法,国内也欠缺并联机构冗余问题的研
究。
由于并联机构在结构刚度、负载能力、运动精度等方面优于传统的串联机构,
故已受到广泛重视。但并联机构的几何特性有很大欠缺,如工作空间小以及工作
空间内存在奇异位形等。从理论上讲,具有六个自由度的机构在其工作空间内可
达到任意位置和姿态,但由于奇异位形存在,一些关节运动到相应位置时,会使机
构自由度退化,失去一个或几个自由度,再加上在工作空间可能存在障碍,机构就
无法满足工作要求。冗余并联机构能够消除奇异位形、避开障碍、克服关节运动
限制和改善动态特性等。它能充分提高机构的工作能力,在运动和动态性能方面
具有无可比拟的优越性。因而具有高灵活性和避障能力强的冗余机构的研究是一
项重要的课题。机构冗余分为传感冗余和机械冗余,其中机械冗余又可分为驱动
冗余和运动冗余。设一机构的任务自由度、结构自由度、驱动关节数分别为N1、
N2和N3,当N3>N2=N1时,该机构为驱动冗余机构。而传统的冗余度机构即运动
冗余机构,其结构满足N3=N2>N1。目前对冗余并联机器人的研究主要集中在驱
动冗余机器人和运动冗余机器人上。
对于具有冗余驱动器的机器人来讲,其名义运动由主动机完成,冗余驱动器可
以改善机器人的动力学性能,Thomas证明了驱动冗余可以实现刚性机器人振动力
矩的平衡。而对于弹性机器人来讲,机器人的刚体运动可由原动机实现,而其弹性
运动则可用附加冗余驱动的方法进行控制,即冗余驱动主要用来改善其弹性部分
的动力学特性。驱动冗余与运动冗余均能有效地改善机构的性能,但二者的分析
方法有一定区别,驱动冗余机构的分析要基于运动学反解,而运动冗余机构的分析
必须基于运动学正解。
冗余输入并联机器人在6-PSS型并联机器人的基础上,提出了一种具有3-2-1
结构的并联机器人的可行结构,确定了局部受力大的支链使用双电机的冗余驱动
方式,这样即可以满足机构运动中所需的驱动力,又不会增加控制的难度。使用该
机构可以真实的模拟实现各种振动波形。冗余输入并联机器人的研究需要对机构
进行运动学及静力学分析,动力学分析介绍并联机器人的运动学特点,建立该机构
的运动学模型,从而得到该并联机构位置反解的解析表达式,并利用数值方法求得
机构的正解,另外,通过对位置方程的求导得到机构速度逆雅可比矩阵的解析表达
式,最后对机构的工作空间进行解析分析。静力学分析,主要是通过矢量计算的方
法建立机构的力与力矩的传递矩阵G,并根据虚功原理建立G与速度雅可比J的
关系。最后对力的输出进行简单的仿真。
综合机器人研究现状可知,传统的冗余输入并联机器人构型主要有两种,其一
为直接在原来常规机器人机构的支链上增加驱动关节;其二为在原来常规机器人
机构上增加冗余驱动支链。本文提出一种新的冗余输入构型方式,丰富了冗余输
入并联机器人的构型方法,拓宽了冗余输入并联机器人的选型范围。一般并联机
器人的雅可比矩阵都是方阵,而采用冗余输入的并联机器人由于输入大于输出,因
此相应的雅可比矩阵不再是一个方阵,也就不能简单的通过判断雅可比矩阵行列
式是否为零来确定它的奇异性,而且所有与矩阵行列式相关的推理过程都将失去
意义。从可操作度的角度出发,用矩阵理论研究冗余输入并联机器人的奇异性条
件,分析冗余输入消除位形奇异的原理,在此基础上给出增加冗余输入支链消除位
形奇异的具体方法。
该课题的研究将为冗余输入技术在并联机器人领域的应用奠定基础,并进一
步对超大超重型锻压设备、载重设备的研制开发提出新的解决方案,必然带来巨
大的经济效益。
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