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六自由度并联机器人的研究现状分析

作者：范潍日期：2015-11-14 10:30 来源：未知

0 前言
在广泛的领域中，机器人技术由于具有可靠性高、更灵活、信息储存量大、反应和处理能力快等优点，开始逐渐替代人力劳动。机器人技术已经开始逐渐的改变人类的生产、生活方式。机器人技术是一门综合技术，囊括了力学、计算机技术、机械工程技术、传感技术等，可以根据要求进行编程进行作业完成既定目标，该项技术更加智能和自动化。
简单来讲，机器人是一个众多相互管理的构件组成的机构，各个构件组成了一个多维自由度的空间。机器人就是由这些相互连接的连杆、关节等彼此之间相互联动实现控制。机器人根据这些相互关联的构件的运动方向的数目来划分，可以分为2个自由度（向两个方向运动）、3个自由度（运动方向为三个）、4个自由度（运动方向为4个）、5个自由度（运动方向为五个）和6个自由度（运动方向为六个）。目前，六自由度并联机器人由于其显著优势在当前应用较为广泛。
1 六自由度并联机器人的发展
1.1 六自由度并联结构的发展历程
六自由度并联结构最早应该追溯到上世纪四十年代，Gough提出了这种结构应用于轮胎测试领域。但是该类型机构关注人少，并没有受到足够重视。直到上世纪七十年代初，Stewart开始将上述并联机构应用于模拟飞行器上，才引起学术界的关注。并以Stewart为名称命名六自由度平台。上世纪七十年底末，六自由度（6-DOF）的 Stewart 平台机构由澳大利亚的 Hunt 教授提出的，并开始应用于机器人领域。之后的二十年来，受到人们的广泛关注，并成为热点课题开展研究。上世纪八十年代以来，美、德、英、日、韩等国家的科研机构和企业开始采用六度自由度结构的并联机器人进行研究。在六自由度结构研究方面，国内研究较晚，1982 年燕山大学开始有学者进行六自由度平台的研究。
从结构上来分析，六自由度结构式通过以下方式实现六个独立运动的，即上下两个独立的平台通过六根支杆相连，六根支杆通过球铰和虎克铰将上下两个平台连接起来，而六个支杆又可以独立自由伸缩，实现在三维空间内做多方位的移动或者转动。
1.2 六自由度并联结构的优势及问题
六自由度并联方式为可以实现向六个方向运行的并联机构。与串联结构相比，并联式虽然其灵活度仅在平台三维空间活动范围小于60°、角度也到不了90°。但是它具有更突出的优点：
1.2.1六自由度并联结构更加稳定。由于该结构上下两个平台同六个支杆支撑，相对刚度大、结构稳定；
1.2.2六自由度并联结构承受的载荷量大。即由于该并联机构具有较强的刚度，比串联式结构在相同条件情况下，具有高的多的承受载荷的能力；
1.2.3误差小、精度高。与串联机构相比，串联式能将误差不断积累和放大；
1.2.4可载重量大、实现精度高等优点，在很多行业得到了广泛应用；
1.2.5与串联式将动力系统放在运动臂上相比，六自由度机构将动力放到了机座，减少了运动带来的惯性，使其动力性能更好。
1.2.6反解计算计算更加容易。在多自由度机构中，需要适时求解计算串联式这种计算十分困难，六自由度并联可以解决这一问题。
然而，目前六自由度并联方式存在一些问题或者关键性棘手没有完全解决，例如，一部分六自由度并联机器人并未实现严格意义上六个方向的运动，而是只能实现三个方向。
2 六自由度并联机器人运动学研究
目前，关于并联机器人的理论研究主要集中在如运动学、动力学等方面。在运动学方面，一般要解决两个子问题，即运动学正向解和运动学逆向解问题。所谓运动学正向解问题，即已知六自由度并联机构各个输入节点的位置，求解上平台的位置参数。所谓的运动学逆向解问题，已知上平台各个位置的餐厨，求解各个输入端环节的位置参数。上世纪八十年代，Fichter对并联结构进行了分析，推导出了正解模型。
对于六自由度并联机构的机器人，求解运动学问题时，逆向解问题较简单，而正向解问题却相对困难。因此，运动学正向解问题是当前六自由度并联机器人研究的热点和难点。目前，求解正向解问题的简易方法为数值方法，即通过数值方法求解一组非线性模型，进而求出各输入端位置的参数。数值法的优点是使用普遍，可以应用于各种形式的并联方式。然而，该方法计算速度较慢，且无法解决所有的问题。
解析法是另外一种解决办法。该种方法是寻找运动学的封闭解。该方法可以将输入、输出的误差都能定量的描述出来，进而求出全部的解。目前，国内外研究正向解的过程常采用解析的方法，采用特殊构型到一般构型的思路。
另外，解析正向解的方法还有附加传感器法。该方法是通过布置一定数量的传感器在结构内部，以简化求解过程。
3 结论及展望
六自由度并联的机器人是一种可以实现向六个方向运行的并联机构，该方法较为先进，是当前应用较多的机构。而在解决六自由度并联机器人过程中运动学求解问题中正向解问题较困难。在以后解决六自由度并联机器人方面应该更加注意求解正向解问题。
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