01 什么是并联机器人

    并联机器人，英文名为Parallel Mechanism，相比于开环结构布置的串联机构，并联机器人为多路闭环控制结构，即动平台和定平台之间通过两条或以上独立运动支链相连接而成。其特点有：结构紧凑，刚度高，承载能力大；无累计误差，精度高；占用空间小；速度快，运动性能佳，部件磨损小，寿命长。并联机器人早在上世纪的90年代就已崭露头角，现在更是工业机器人的新生代力量。

02 并联机器人的发展史

    并联机器人的最早概念可以追溯到1931年，当时Gwinnett提出了一种基于球面并联机器人的娱乐装置，如图1所示。随后在工业应用方面，Pollard在1940年提出了一种用于汽车喷涂的空间并联机器人，如图2所示。Gough在1962年发明了一种用于汽车工业轮胎部分检测的六自由度并联机器人，如图3所示。

    此后，Stewart提出了一种与Gough相似的并联机器人，即经典的Stewart机构。由于这种机构与Gough的机构过于相似，有些学者也称这种机构为Stewart-Gough机构。Stewart机构由六个相同的独立分支连接动平台与定平台，且每个分支都由一个连接动平台的球铰，一个移动副以及一个连接定平台的球铰组成，如图4所示。这些早期的并联机器人设计为满足特定的娱乐或工业需求，为后来更广泛应用的并联机器人技术奠定了基础。

    1991年，国内关于并联机器人的研究迈出了第一步，燕山大学的黄真教授成功研制了六自由度的并联机器人样机。随后的1997年，清华大学和天津大学合作完成了大型镗床类并联机器人VAMTIY的研制。东北大学在1998年推出了五轴联动的三杆并联机床DSX5-70。1999年，天津大学与天津第一机床总厂的合作研制成功了三坐标并联机床商品化样机LINAPOD，同时哈尔滨工业大学也研制了一台六自由度的并联机床样机。

    尽管我国并联机器人的起步相对较晚，与国外相比存在一些技术差距，但近年来在该领域的研究不断发展。国产并联机器人的应用水平逐渐提高，得到了企业的认可与广泛使用。这一发展趋势表明国内并联机器人领域正逐步迎头赶上，并在技术创新和产业应用方面取得了显著的进展。

03 并联机器人的分类

    根据机器人在执行任务时的结构和运动方式进行分类，可分为非冗余并联机器人和冗余并联机器人。

    非冗余并联机器人具有相同的输入自由度和输出自由度。比较常见的并联机器人如Delta机器人（图5）、Stewart机器人等，都属于非冗余并联机器人。非冗余并联机器人具有高速、高刚度、高承载、高精度等特点，因此在工业生产中得到了广泛应用。但是，也存在一些不足，比如工作空间小、奇异位型多等。通过研究，学者们发现可以利用驱动冗余或者运动冗余来改善这一问题。

图5 Delta机器人

   【关于冗余的说明：当并联机器人输入自由度和输出自由度不一致时称之为冗余。冗余又分为两类，如果增加驱动关节后机构自身自由度也增加，称运动冗余；如果机构自由度不变，称驱动冗余。】

    运动冗余

    在运动冗余中，机器人的结构自由度超过了执行任务所需的最小自由度。换句话说，机器人有多余的关节，可以以不同的方式移动末端执行器，而仍能完成相同的任务。

• 特点：结构自由度增加。通过不同的关节运动组合实现相同的末端效果。

• 优势：更大的灵活性和适应性。可以在执行任务时优化特定性能，如避免障碍物或优化运动轨迹。

    一个典型的运动冗余平面并联机器人如图6所示，这个机器人由Gosselin团队提出，发表在TRO期刊上。该机器人具有（3+1）个自由度，存在1个冗余自由度，在工作空间内无奇异，且具有无限转动能力。

图6 3+1 DOFs平面机器人

    驱动冗余

    在驱动冗余中，机器人的结构自由度保持不变，但增加了驱动关节。这意味着机器人具有多余的驱动能力，可以通过不同的关节运动方式实现相同的末端效果。通常来说，驱动冗余可分为两种形式，如图7所示：

    （1）分支内冗余，即将分支内的其中一个或多个被动关节转化为驱动关节；

    （2）附加分支冗余，即将额外的驱动分支加到机构自由度所需最少分支数机构上。研究者通常使用后者，因为这种方法能改善静力分配，提高刚度。

• 特点：结构自由度不变，但增加了驱动关节。多个驱动方式实现相同的结构末端位置和方向。

• 优势：在执行任务时可以通过不同的驱动策略优化性能，如能耗、速度等。

图7 驱动冗余的两种不同方式

04 结语

    并联机器人的设计和控制涉及到机械工程、电气工程和计算机科学等多个领域，是现代自动化技术的重要组成部分。因其具有高载荷、低惯量和高精度等特点，目前已被广泛应用于工业自动化、装配线、医疗手术、精密加工等领域，以提高生产效率、精度和适应性。随着技术的不断发展，相信并联机器人将在未来继续发挥着重要的作用，推动自动化技术的进一步进步。