前言

并联机器人是一种“知识密集”型机器人，并联机器人技术是近几十年来迅速发展起来的一门交叉学科，它涵盖了机构学、机械设计、力学、计算机工程学等多门学科的知识和最新研究成果，具有刚度大、精度高、承载力强和使用性能好等优点，代表着机电一体化的最高成就[1]。 

1 并联机构的特点 

并联机构是由两个或两个以上的独立运动链，分别连接末端输出即为动平台和固定不动的静平台，驱动方式为并联的闭环系统。与串联机构在机构连接方式、运动学、动力学、控制等方面有较大的差异，而在某些方面与串联机构形成对偶关系。与串联机构相比较并联机构的存在以下的特点： 

（1）并联机构可将驱动装置安装在静平台或靠近静平台的位置，使机构的运动部件质量与惯量大大减小，可实现高速运动且具有良好的动态性能，而串联机构的驱动安装在运动部件，增加了运动部件的质量以及惯量。由于并联机构的驱动装置安装位置可实现良好的密封，从而使并联机构可在高温、具有辐射、潮湿、太空和水下等恶劣的环境中工作，而串联机构实现驱动装置的良好密封比较困难。 

（2）并联机构的运动特性使得其运动反解的求解较为容易，而正解求解复杂；串联机构与之刚好相反，串联机构的正解容易且唯一，而反解复杂且多值，对并联机构的位置控制较容易，而串联机构末端输出的位置相对较易。 

（3）并联机构的驱动器误差不累积，则其的位置精度较高，而串联机构的驱动器在输出末端误差会累积，使得其的位置精度较差。 

（4）并联机构的动平台以并联方式与静平台相连接，其承载能力强、刚性较好、结构紧凑，而串联机构由组成杆件以串联的形式连接，刚性较差，在一些刚度要求高的场合，则需要通过增加杆件的尺寸满足刚度要求，最终使得整体机构的质量增加以及惯量增大，进而使得机构的动力学性能降低。

（5）并联机构大多是采用对称式结构，故其较串联机构具有较好的各向同性。 

（6）并联机构在给定驱动输入时，动平台末端输出所有运动区域，即并联机构的工作空间。由动平台末端的输出位姿情况，并联机构的工作空间分为：可达、定姿态、灵活工作空间。并联机构的工作空间相比于串联机构则小的多且可操作性差。

2 并联机器人设计方法

2.1 设计流程

图1 基于功能的并联机构创新设计方法流程图

2.2 创新设计方法详细分析 

（1）功能描述 

该种方法是基于用户的实际需要而实施的创新型设计，从运动件位置耦合的层面入手，在满足具体要求的状况下，尽可能选取少自由度的机构，如此能够有效简化后面运动学相关的分析内容，并联机器人的生产加工成本及投入也会有所降低。比如，对于搬运机器人，只需满足空间上三个方向的自由度便可，但针对需要调整角度的摆放式机器人而言，除了应保证空间上三个方向的自由度，还需要具有一个转动自由度。创建坐标系，通常在固定平台上设置 XY平面，Z轴方向和固定平台之间呈垂直关系。以三平移机构的描述为例：第一，沿着X轴方向的运动；第二，沿着Y轴方向的运动；第三，沿着Z轴方向的运动。 

（2）受限运动描述 

受限运动指的是除了功能描述以外的自由度，结合功能描述进行列举，依然以三平移机构为例：第一，绕X轴方向的转动；第二，绕Y轴方向的转动；第三，绕Z轴方向的转动。 

（3）运动平台反螺旋系 

结合上述关于受限运动的描述，参照不同反螺旋对物体的约束及允许运动的特点，可以给出机构经过（a,b,c）点的反螺旋系及一个基础解系（$1,$2…$n）。关于运动平台，其自由度个数用n表示。通过这一基础解系，可以看出运动平台在坐标系内受力的位置及方向。因为具体分析过程中并不计约束螺旋的实际的大小，只是对相互之间具有的线性或是非线性关系加以考虑。比如，围绕X轴运动的螺旋$1＝（S1；So1），在这其中S1＝（100），因为经过 （a,b,c），故r=（a,b,c），So1＝r×S，从中可得So1＝(0–cb)，所以$1＝（100；0–cb），利用同样的方法可以求出其它螺旋。 

（4）判断是否合理 

首先，一些情况下机构的示意图给出并无问题，然而有可能只是具有瞬时自由度，或是仅仅在一定范围中可以使实际运动的需要得到满足，我们需要对机构整体是否具备整周的自由度做出相应判定。其次，运动副的分配是否科学。机构形成过程中应对给定主动件和从动件加以考虑。以规避不能够驱动的情况出现[2]。

3 阻抗算法研究

机器人的阻抗控制一般划分为三种基本形式：基于力矩的阻抗控制，基于位置的阻抗控制和基于刚度变化的阻抗控制，分别称为阻抗控制，导纳控制和刚度控制[3]。机器人的阻抗控制的数学模型描述的是机器人末端执行器的位姿和工作空间接触力之间的理想化的动态关系。阻抗控制器的主要作用是调整机器人的运动状态，使机器人安全可靠的完成工作任务。

如图 2 为阻抗控制系统框图，将机器人期望位置 Xd 和实际位置 X 之间的偏差输入到期望的目标阻抗特性计算出由位置偏差产生的力/矩，与期望力叠加后输入到机器人力柔顺系统，再与环境产生的负反馈外力相加而后输入到力控制器对机器人的每个关节进行控制，这样就实现了机器人的柔顺控制效果。阻抗控制最重要的就是设计一个以位置为反馈的关节力控制器。由于力控制器设计方法的不同，阻抗控制又可以划分为两种方式：一种是需要对机器人的关节力进行测量和估算，然后执行力反馈以形成闭环系统的机器人力控制；另一种不需要对关节力进行测量与估计，无力反馈，为开环系统的力控制方法。

图2 基于力矩的阻抗控制框图

导纳控制系统框图如图 3 所示。首先将机器人与环境的交互力与期望力的差输入到目标导纳控制器计算得到位置偏差量，然后将位置偏差量与期望位置叠加后得到位姿修正值，最后将位姿修正值与实际位姿反馈值做差输入到位置控制器计算出控制电机的转角和转速，实现了机器人的柔顺性控制。导纳控制的本质就是以力为反馈的位置控制，所以这种控制方法最重要的一步就是设计好位置控制器。

图3 基于位置的阻抗控制框图

机器人阻抗控制实现的技术难题：

（1）系统动力学建模（需要考虑机器人的关节摩擦）；

（2）力的检测（利用电机驱动器反馈信息）；

（3）阻抗参数的选取。

4 结论

并联机器人刚度大、精度高、承载力强和使用性能好等优点，使其广泛应用在姿态模拟，并联机床等等复杂系统，其控制方法日臻完善，必将大大的推进科技的进步。