兩種并聯(lián)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)性能分析與運(yùn)動(dòng)控制研究兩種并聯(lián)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)性能分析與運(yùn)動(dòng)控制研究

摘要：本文對(duì)兩種常見的并聯(lián)機(jī)器人——三自由度重疊型并聯(lián)機(jī)器人和六自由度Stewart平臺(tái)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)性能進(jìn)行了分析并研究了其運(yùn)動(dòng)控制方法。首先，通過分析并聯(lián)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理，探討了它們?cè)跈C(jī)構(gòu)剛度、承載能力和運(yùn)動(dòng)自由度等方面的優(yōu)勢和局限性。然后，針對(duì)這些優(yōu)勢和局限性，提出了相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制策略和方法，并通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其有效性。最后，對(duì)比分析了這兩種并聯(lián)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)性能和運(yùn)動(dòng)控制方法，為未來的研究和應(yīng)用提供了參考。

關(guān)鍵詞：并聯(lián)機(jī)器人；重疊型并聯(lián)機(jī)器人；Stewart平臺(tái)機(jī)器人；機(jī)構(gòu)性能；運(yùn)動(dòng)控制

引言

并聯(lián)機(jī)器人由于其具有剛度高、機(jī)構(gòu)緊湊、負(fù)載能力大等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)領(lǐng)域和科研領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。它們可以通過多個(gè)自由度的同時(shí)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)高精度的定位和運(yùn)動(dòng)控制，因此在精密立體定位、航空航天領(lǐng)域等對(duì)位置和速度要求較高的任務(wù)中得到了廣泛應(yīng)用。

本文選取了兩種常見的并聯(lián)機(jī)器人進(jìn)行研究：三自由度重疊型并聯(lián)機(jī)器人和六自由度Stewart平臺(tái)機(jī)器人。重疊型并聯(lián)機(jī)器人由于其結(jié)構(gòu)簡單，易于控制，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)線上。Stewart平臺(tái)機(jī)器人則以其高精度、高剛度和負(fù)載能力大而著稱，廣泛應(yīng)用于飛行模擬器和醫(yī)療機(jī)器人等領(lǐng)域。本文將對(duì)這兩種機(jī)器人的機(jī)構(gòu)性能進(jìn)行分析，并研究其運(yùn)動(dòng)控制方法，為進(jìn)一步的研究和應(yīng)用提供參考。

一、三自由度重疊型并聯(lián)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)性能分析與運(yùn)動(dòng)控制研究

1.結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與工作原理

三自由度重疊型并聯(lián)機(jī)器人由一個(gè)固定基座和一個(gè)能夠相對(duì)基座運(yùn)動(dòng)的平臺(tái)組成，平臺(tái)上有三組相交的平動(dòng)副件使得平臺(tái)可以做三個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。該機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單、剛度高，在工業(yè)生產(chǎn)線上得到廣泛應(yīng)用。

該機(jī)器人的工作原理是通過控制每個(gè)平動(dòng)副件的長度變化，從而實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)。平動(dòng)副件的長度變化可以通過液壓、電機(jī)等方式控制。此外，還需要進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，以消除由于副件間配合間隙和機(jī)構(gòu)剛度等因素產(chǎn)生的誤差。

2.機(jī)構(gòu)性能分析

（1）機(jī)構(gòu)剛度：重疊型并聯(lián)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)剛度主要取決于平動(dòng)副件的剛度和連接點(diǎn)的數(shù)量。平動(dòng)副件的剛度越大，機(jī)器人的剛度就越高，對(duì)外力的響應(yīng)能力也越強(qiáng)。而連接點(diǎn)的數(shù)量越多，機(jī)器人的剛度也越高。因此，在設(shè)計(jì)和制造過程中，需要選擇高剛度的材料和合理分布連接點(diǎn)，以確保機(jī)器人的剛度滿足要求。

（2）承載能力：重疊型并聯(lián)機(jī)器人的承載能力取決于平動(dòng)副件的承載能力和連接點(diǎn)的數(shù)量。承載能力的大小直接影響到機(jī)器人在實(shí)際工作中的應(yīng)用范圍和負(fù)載能力。因此，在設(shè)計(jì)和制造過程中，需要根據(jù)實(shí)際使用需求選擇合適的平動(dòng)副件和連接點(diǎn)，以確保機(jī)器人的承載能力滿足要求。

（3）運(yùn)動(dòng)自由度：重疊型并聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)自由度主要取決于平動(dòng)副件的數(shù)量和構(gòu)型。一般情況下，三自由度的機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)任意三軸的平動(dòng)運(yùn)動(dòng)。因此，在設(shè)計(jì)過程中，需要選擇適當(dāng)數(shù)量的平動(dòng)副件和合理的構(gòu)型，以滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

3.運(yùn)動(dòng)控制方法

三自由度重疊型并聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制方法主要包括兩個(gè)方面：位置控制和力控制。

位置控制是指通過控制平動(dòng)副件的長度變化，使得機(jī)器人平臺(tái)能夠達(dá)到所需的位置?？梢圆捎肞ID控制器對(duì)機(jī)器人進(jìn)行位置閉環(huán)控制，通過對(duì)位置誤差進(jìn)行反饋控制，使機(jī)器人能夠精確到達(dá)目標(biāo)位置。

力控制是指通過控制平動(dòng)副件的力矩變化，控制機(jī)器人的力輸出?？梢圆捎昧乜刂破鲗?duì)機(jī)器人進(jìn)行力控制，通過對(duì)力矩誤差進(jìn)行反饋控制，使機(jī)器人能夠輸出所需的力。

以上兩種控制方法可以結(jié)合使用，既可以實(shí)現(xiàn)位置控制，也可以實(shí)現(xiàn)力控制。

二、六自由度Stewart平臺(tái)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)性能分析與運(yùn)動(dòng)控制研究

1.結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與工作原理

Stewart平臺(tái)機(jī)器人由一個(gè)固定基座和一個(gè)能夠相對(duì)基座運(yùn)動(dòng)的平臺(tái)組成，平臺(tái)上有六根連桿分別連接到基座和平臺(tái)上。該機(jī)器人具有高剛度、高精度和負(fù)載能力大等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于飛行模擬器和醫(yī)療機(jī)器人等領(lǐng)域。

該機(jī)器人的工作原理是通過控制連桿的長度變化，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)。連桿的長度變化可以通過液壓或電機(jī)等方式控制。此外，還需要進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，以消除由于連桿長度變化和機(jī)構(gòu)剛度等因素產(chǎn)生的誤差。

2.機(jī)構(gòu)性能分析

（1）機(jī)構(gòu)剛度：Stewart平臺(tái)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)剛度主要取決于連桿的剛度和連接點(diǎn)的數(shù)量。連桿的剛度越大，機(jī)器人的剛度就越高，對(duì)外力的響應(yīng)能力也越強(qiáng)。而連接點(diǎn)的數(shù)量越多，機(jī)器人的剛度也越高。因此，在設(shè)計(jì)和制造過程中，需要選擇高剛度的材料和合理分布連接點(diǎn)，以確保機(jī)器人的剛度滿足要求。

（2）承載能力：Stewart平臺(tái)機(jī)器人的承載能力取決于連桿的承載能力和連接點(diǎn)的數(shù)量。承載能力的大小直接影響到機(jī)器人在實(shí)際工作中的應(yīng)用范圍和負(fù)載能力。因此，在設(shè)計(jì)和制造過程中，需要根據(jù)實(shí)際使用需求選擇合適的連桿和連接點(diǎn)，以確保機(jī)器人的承載能力滿足要求。

（3）運(yùn)動(dòng)自由度：Stewart平臺(tái)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)自由度主要取決于連桿的數(shù)量和構(gòu)型。一般情綜上所述，Stewart平臺(tái)機(jī)器人具有高剛度、高精度和負(fù)載能力大等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于飛行模擬器和醫(yī)療機(jī)器人等領(lǐng)域。機(jī)構(gòu)剛度對(duì)機(jī)器人的響應(yīng)能力至關(guān)重要，選擇高剛度的材料和合理分布連接點(diǎn)是確保機(jī)器人剛度滿足要求的關(guān)鍵。承載能力直接影響機(jī)器人的應(yīng)用范圍和負(fù)載能力，因此需要選擇合適的連桿和連接點(diǎn)