基于并联机构的多维隔振平台设计理论与应用研究上.docx

分类号THlI2密级公开UDC621.9编号10299B0503001基于并联机构的多维隔振平台设计理论与应用研究指导教师申请学位级别博士专业名称机械设计及理论论文提交日期2009年3月5日论文答辩日期2009年6月5日学位授予单位和日期江苏大学2009年6月答辩委员会主席评阅人2009年5月ClassifiedIndexiTHl12UDC:621.9Ph.D.DissertationReSearChSiIDeSigiITheOryandADaliCationOfMultidimensionalVibratiOlIISOIatioilPIatformBaSedonParallelMeChanSmSByYudaguoMajorMechanicalDesignandTheorySupervisoriProfMaLvzhongJiangsuUniversityMay,2009学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密口,在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密口。指导教师签名:学位论文作者签名:独创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名:摘要多维振动是一种普遍现象，在多数情况下对人员或设备产生不良影响，造成各种不同的损害。然而，国内外对多维隔振研究非常薄弱。如将一维隔振方法用于多维隔振，结构复杂，且容易干涉；用弹性材料实现多维隔振，易老化，寿命短，性能不稳定。因此，对多维隔振开展研究，减少多维振动的不良影响，具有重大理论意义和应用价值。本文在国家自然科学基金项目“仿橡胶多维减振平台设计的系统理论与非线性解耦控制（50375067）”的资助下，系统阐述多维隔振原理，对隔振机型进行探讨，提出将两个六自由度直角并联机构用于多维隔振平台，并对影响平台隔振效果的多种因素、平台的振动方程进行了研究，实现了五维隔振，使多维隔振研究向前迈进了一步。第一，从单自由度隔振的成功经验出发，对于多维振动，提出基于并联机构的被动隔振原理：隔振平台由上平台、下平台和并联机构组成，隔振平台的自由度与振动的维数应该相匹配。多维振动包括6、5、4、3、2等维数，因此，多维被动隔振平台的自由度F应该分别为：F=6,F>5,F4,F>3,F>2o在上、下平台之间设置弹簧和阻尼，弹簧用于缓和冲击，阻尼用于消耗激励能量和调节隔振效果。第二，将理论分析与大型机械动态分析软件ADAMS仿真相结合，首次提出将两个“相背布置”的“六自由度直角并联机构”用于多维隔振平台，开始了将一个以上并联机构联合布置于上、下平台之间进行隔振的新探索。该多维隔振平台高度低，设计制造容易，稳定性、解耦性好。第三，以ADAMS仿真为手段，以传递系数为依据，以救护车隔振病床为实例，研究多维隔振平台隔振效果及其影响因素，如弹簧刚度、阻尼系数等。研究表明，本文隔振原理正确，所提出的多维隔振平台对于不同时间长度的脉冲激励和正弦激励均具有隔振效果，实现了除绕竖直轴转动外的五维隔振。绕竖直轴上、下平台角加速度接近相等。提出除了以加速度传递系数、角加速度传递系数评价隔振效果外，还应以位移传递系数、角位移传递系数、速度传递系数、角速度传递系数等指标全面评价隔振效果，给出了将各个传递系数加权相加的综合评价指标。第四，以MATLAB为手段，研究多维隔振平台自身的特性。利用D-H矩阵和齐次坐标变换，求运动学反解；通过一阶影响系数矩阵求速度正解，利用MATLAB程序的运算，相互验证正反解求解结果的正确性。在MATLAB中求得上平台中心点的工作空间为一个规则的几何体。第五，阻尼是影响振动响应的重要因素。成功地将微型气缸使用为移动副和阻尼器。对于用于运输的多维隔振平台，如救护车多维隔振病床来说，瞬态振动对于载荷（病人）具有最大的影响。由于“控制工程”研究系统的瞬态响应，本文提出参照“控制工程”学科“二阶系统瞬态响应性能指标”理论中最佳阻尼比0.707确定多维隔振平台支腿的阻尼。“控制工程”表明：在控制瞬态振动方面，阻尼比0.707对于一维振动是最佳阻尼比。在控制瞬态振动方面，阻尼比0.707对于多维振动是否也是最佳阻尼比，还缺乏理论证明，本文仅借助于仿真和实验对比在0.2阻尼比和0.707阻尼比条件下的不同隔振效果。仿真和实验表明，采用0.707阻尼比的隔振效果优于采用0.2阻尼比的隔振效果。第六，研究了多维隔振平台自由振动和强迫振动方程及其解。在建立振动方程时，将两个6自由度直角并联机构的12条支腿视为可拉压、可扭转的弹簧，由Lagrange方程求上平台的运动方程。双并联机构隔振平台振动方程远比单并联机构隔振平台振动方程复杂，面对新问题，本文首先求出两个并联机构动平台中心点与上平台中心点的广义位移、广义速度、广义加速度之间的关系（变形协调条件），然后，建立各个并联机构移动副移动速度与动平台中心点广义速度的关系，移动副弹性力与动平台中心点广义位移的关系，移动副阻尼力与动平台中心点广义速度的关系，进行力的合成，并利用变形协调条件，进行化简。在经历选择不同坐标系，采用不同运算方式的多次探索后，终于实现了双并联机构隔振平台振动方程的部分解耦。求出了一组给定参数多维隔振平台的固有频率为5Hz以下。方程的解和特征值表达式揭示了振动衰减速度及其影响因素。在建立强迫振动方程时，将上平台视为振体，将车体视为基础，将上平台的振动视为基础运动下的强迫振动。多维隔振平台和载荷（病人）质量与车体相比很小，在分析车体运动时，可不考虑隔振平台和载荷对车体运动的影响，使问题简化，便于掌握车体运动规律。第七，本文隔振实验利用加速度传感器测量上、下平台在多维隔振平台纵向、横向、竖直方向的加速度分量。实验表明：在纵向、横向、竖直方向三个方向均具有良好的隔振效果。总之，本文的研究是多维隔振领域理论和应用上的新努力，新成果。本文多维隔振平台具有很大的实用价值，将有望在救护车病床、精密仪器仪表运输等多个行业得到推广应用。关键词：振动，隔振，并联机构，仿真，振动方程，救护车，阻尼ABSTRACTOnedimensionalvibrationhasbeendeeplystudiedathomeandabroard.Sphereoflearninghasripetheoryandtechnologyinonedimensionalvibration.Butpeopleareverypoorinmultidimensionalvibration.Ifweputthetheoryandtechnologywhichareusedinsingledimensionalvibrationintomultidimensionalvibration,thestructurewillbecomplicatedanditmaydon,twork.Soitisveryimportanttostudymultidimensionalvibrationandseekfortheoryandtechnologyformultidimensionalvibrationisolation.Thebasicvibrationisolationprincipleformultidimensionalvibrationwasputforwardatthebeginningofthepaper.Multidimensionalvibrationisolationplatformiscomposedofupplatform,downplatformandparallelmechanisms.Theparallelmechanismsshouldbeputbetweentheupplatformandthedownplatform.Thefreedomoftheparallelmechanismshouldbeaccordancewiththedimensionofthevibration.Thenumberofthedimensionofvibrationmaybe6,5,4,3,2so,numberofthefreedomoftheparallelmechanismshouldbe6,>5,>4,>3,2.Thematrixoflocationandposturewasintroducedandtheindependentoutputnumberwasgiven.Dependencejudgementonthemotionofmechanismanddemarcationofindependentoutputwerediscussed.Thepaperalsointroducedvirtualrestraintofmechanism,inactivejoint,drivingjoint,singleopenchainrestraintdegree,andparallelmechanismcouplingdegreetolayafoundationtomechanismtypesynthesis.ThemultidimensionalvibrationisolationplatformwaschosenbytypesynthesisandADAMSsimulation.lthas6freedoms.Itsmechanism,sadjoininglegsmeetatrightangles.Thelegsofthemechanismare6-SoC-S-P-S-.Thetwomechanismsareputbacktoback.Theplatformiseasytodesignandmake,hastheadvantageofstability.Theplatformcanisolatevibrationalongxaxis,alongyaxis,alongzaxis,roundxaxis,roundZaxis.TheaccelerationamplitudealongyaxisismuchlessthanLTheplatformcan'tisolatevibrationroundyaxis(verticalaxis).Theplatformhasmuchvaluethoughitcan,tisolatevibrationroundverticalaxis.Inthefirstplace,angularaccelerationofupplatformisalmostthesameasthatofthedownplatform.Secondly,theangularaccelerationsoftheupplatformanddownplatformaremuchlessthantheangularaccelerationroundotheraxis.So,weneedn,tattachmuchimportancetotheangularaccelerationroundverticalaxis.Thirdly,ascomparedwithtranslationalongyaxis,theprobabilityofrotationroundverticalaxisislow.Simulationshowsthatspringstiffnesscoefficientanddampingcoefficienthaveinfluenceonthevibrationoftheplatformanddampingcoefficienthasmoreinfluencethanthespringstiffnesscoefficient.Theplatformcanalsoisolatevibrationwhenitisdrivenbysineforce,sinetorsionandwhenitisdrivenbydifferentlengthimpulse.Theforwardandinversepositionanalysesaredonewithcoordinatestransition,andthecalculationisdonebyprogrammingwithMATLABtoverifyforwardandinversepositionanalyses.TheworkspaceissearchedwithMATLABprograminright-anglecoordinatespace.It'snessessarytoadjustdampingbecauseithasinfluenceonvibrationisolation.Theminaturecylinderisusedasatranslationaljointaswellasadamper.Getridofthegaspipe,fixflowregulatingvalvesat"airin","airouf,andmakethecylinderbecomeadamper.Asamultidimensionalvibrationisolationplatformwhichisusedinvehicle,forexample,amultidimensionalvibrationisolationsichbed,transientresponsehasmostinfluenceonsystem.Toreducetheinstantaneousamplitudeoftheupplatformandtomakeitdecayrapidlyareimportant.So,thedampingratiooftheplatformisdecidedaccordingtoperformanceindexoftransientresponseoftwoordersystem.Experimentsshowtheplatformisolatevibrationbetterwhenthedampingratioofthelegis0.707.Freevibrationequationoftheplatformwasestablishedandthesolutionwasfbund.Naturefrequencyislowerthan5Hz.Theplatformcanavoidresonancebychangingspringstiffnesscoefficientandthelengthoftheparallelmechanism.Thesolutionshowsthatthevibrationoftheupplatformdecaysrapidly.Thecharacteristicvalvesdisplaythetheparameterswhichisrelatedwithdecay.Inordertoestablishtheforcedvibrationequationeasily,whenwefoundthevehicle,svibrationwedidn,ttakeintoaccountthemassofsickbedandpatientbecauseitismuchlighterthanthatofvehicle.Afterwefoundthevehicle,svibration,weregardedtheupplatformasvibratorandregardedthevehicleasamovingbasement.Theaccelerationsoftheupplatform,downplatformweremeasuredinlength,inwidth,inheight.Theexperimentsshowthattheplatformisolatesvibrationinlengthenwidth,inheight.lthasbettervibrationisolationeffectwhenthedampingratiois0.707.Inaword,themultidimensionalvibrationisolationplatformisanewideaandbreakthroughinvibrationisolationfield.Theplatformissimpleandpractical.ltcanbeusedinmanyfields.KEYWORDS:vibration,vibrationisolation,parallelmechanism,simulation,vibrationequation,ambulance,damping目录第一章绪论11.1 课题背景与研究意义I1.2 多维隔振研究现状11.3 并联机构及其特点41.4 并联机构的应用51.4.1 运动模拟51.4.2 机器人71.4.3 并联机床81.4.4 其它应用101.5 并联机构学研究现状111.6 仿真技术与ADAMS简介151.7 论文主要研究内容17第二章多维振动及其被动隔振原理192.1 多维振动与多自由度振动192.2 多维隔振平台基本组成202.2.1 多维隔振平台隔振性质202.2.2 多维隔振平台的组成212.3 对多维隔振平台基本要求212.4 多维隔振平台所需自由度212.5 多维振动被动隔振原理232.6 本章小结23第三章并联机构理论与隔振机型综合243.1 运动相关性与独立输出243.1.1 位姿输出矩阵与独立输出数243.1.2 串联机构独立输出263.1.3 并联机构独立输出293.2 并联机构基础理论333.2.1 并联机构结构组成333.2.2 并联机构活动度343.2.3 并联机构解耦与耦合353.2.4 主动副位置与判定373.3 隔振并联机构的特点373.4 三平移隔振并联机构综合383.5 六自由度隔振并联机构综合453.6 本章小结48第四章多维隔振平台的仿真与研究504.1 单个并联机构隔振平台仿真504.1.1 单并联机构纵向布置504.1.2 单并联机构横向布置564.2 双并联机构隔振平台仿真594.2.1 两并联机构纵向布置594.2.2 两并联机构横向布置624.2.3 两并联机构相向布置654.2.4 两并联机构相背布置684.3 向六维隔振的努力724.4 弹簧刚度对隔振的影响754.4.1 引起共振的弹簧刚度754.4.2 弹簧刚度与加速度804.4.3 弹簧刚度与传递系数824.5 阻尼对隔振的影响844.5.1 阻尼与加速度844.5.2 阻尼与传递系数874.6 脉宽对隔振的影响904.7 力、力偶幅值与隔振934.8 正弦激励的仿真964.9 隔振效果评价指标994.10 章小结101第五章多维隔振平台的正反解与工作空间1045.1 多维隔振平台反解分析1045.2 多维隔振平台反解运算1065.3 多维隔振平台正解分析1085.4 多维隔振平台正解运算1105.5 多维隔振平台工作空间1145.6 本章小结117第六章多维隔振平台阻尼的研究1186.1 阻尼对隔振的影响1186.2 阻尼调节方法1186.2.1 基于电流变、磁流变的阻尼调节1186.2.2 基于粘性阻尼器的阻尼调节1196.2.3 基于液压缸、气缸的阻尼调节1236.3 多维隔振平台阻尼1246.3.1 按稳态确定阻尼比与按瞬态确定阻尼比1246.3.2 响应性能指标与最佳阻尼比1246.3.3 多维隔振平台阻尼系数1256.4 气缸阻尼的测定1276.5 本章小结128第七章多维隔振平台自由振动方程及其解1307.1 多维隔振平台实物模型1307.2 多维隔振平台运动分析1307.2.1 相关点坐标和向量1307.2.2 上平台&、E2、E点的相互关系错误！未定义书签。1357.2.3 运动雅可比矩阵错误！未定义书签。1387.3 多维隔振平台力分析错误！未定义书签。1407.3.1 刚度矩阵和阻尼矩阵错误！未定义书签。1407.3.2 隔振装置受力分析错误!未定义书签。1427.3.3 阻尼力向E点平移的附加力矩错误!未定义书签。1427.3.4 弹性力向E点平移的附加力矩错误！未定义书签。1447.4 自由振动方程错误!未定义书签。1477.5 无阻尼自由振动方程的解错误!未定义书签。1487.5.1 方程特征值错误！未定义书签。1487.5.2 方程特征向量和解错误!未定义书签。1517.6 有阻尼自由振动方程的解错误!未定义书签。1527.6.1 方程特征值错误!未定义书签。1527.6.2 方程特征向量和解错误!未定义书签。1547.7 本章小结错误！未定义书签。156第八章多维隔振平台强迫振动方程及其解错误!未定义书签。1598.1 强迫振动方程通式错误!未定义书签。1608.2 正弦激励下强迫振动方程及其解错误!未定义书签。1608.3 脉冲激励下强迫振动方程及其解错误！未定义书签。1678.4 本章小结错误!未定义书签。176第九章多维隔振平台模型与实验错误！未定义书签。1779.1 多维隔振平台模型错误！未定义书签。1779.2 多维隔振平台实验错误！未定义书签。1799.2.1 纵向隔振错误！未定义书签。1809.2.2 横向隔振错误！未定义书签。1829.2.3 竖直方向的隔振错误！未定义书签。1849.3 本章小结错误！未定义书签。186结论与展望错误!未定义书签。187参考文献错误!未定义书签。189致谢错误!未定义书签。196附录求多维隔振平台上平台中心点工作空间程序错误！未定义书签。197攻读博士学位期间参加的科研项目和发表的论文错误!未定义书签。207第一章绪论1.1 课题背景与研究意义多维振动是一种普遍现象。例如，车辆在不少情况下发生复杂的振动，其振动常常发生于多个方向，兼有移动、转动两种形式。刹车或加速所引起的前后往复直线振动常常与路基不平所引起的上下跳跃振动同时并存，这两种振动有时还会与车辆左右摇摆形式的旋转振动相叠加。不难理解，以车辆重心为原点建立坐标系，车辆实际振动可能是沿三个坐标轴直线往复振动和绕三个坐标轴旋转往复振动6种振动形式部分或全部的组合。我们称发生于多个方向的振动为多维振动。多维振动在多数情况下对人员或设备产生不良影响，造成各种不同的损害。例如，救护车的多维振动将加重病人的痛苦。随着技术的发展，设备运转速度加快，功率增大，多维振动的损害将越来越严重。一维单自由度振动和一维多自由度振动，人们均已作了较为深入的研究，有比较成熟的理论和成熟的隔振技术方法。而对于多维振动和多维隔振方法，国内、外研究非常薄弱。如果按一维隔振方案解决多维隔振问题，需采用多方位多层次的组合结构，方案复杂且易干涉。如以特殊橡胶或塑料为主体实现多维隔振，易老化、易失去弹性、性能不稳定。因此，多维隔振需寻求新的方案。在国家自然科学基金项目“仿橡胶多维减振平台设计的系统理论与非线性解耦控制（50375067）”的资助下，对多维隔振平台设计理论及其应用进行研究具有重大理论意义和现实意义。本文结合救护车多维隔振病床进行研究，但多维振动不限于救护车和其它车辆，广泛存在于各个领域，例如，船舶也有多维振动。在船舶航行过程中，风和海浪使船舶发生上下、前后、左右的振动，同时，船体还发生回转、俯仰和偏转的旋转振动。所以，车辆多维隔振方法是船舶多维隔振的重要参考。本研究是对多维隔振基本原理、技术方法的重要探索，其理论成果对于减少救护车病床的振动，保证精密仪器仪表的运输，提高导航系统、定位系统、嗜准器的工作稳定性具有重要参考价值。1.2 多维隔振研究现状振动隔离控制的实质就是通过在振源与受控对象之间串加上一个子系统（即隔振器），来减小受控对象对振源激励的响应。被动隔振控制是一种无外加能源的控制，其控制力是由振源与系统之间安置的弹性元件、阻尼元件甚至惯性元件，以及它们组合构成的子系统等控制装置产生的，优点是结构简单、易于实现、经济性好、可靠性高，不消耗附加能量，具有普遍适用性。到目前为止，被动隔振控制已经在精密仪器和车辆、船舶等方面得到广泛应用。被动隔振设计已逐渐趋于成熟，主要包括单层隔振、双层隔振以及浮筏隔振技术。主动隔振技术是一种“以动治动”的控制方式，又称为有源控制。主动隔振在被控系统中引入次级振源，并通过一定的控制方法调节次级振源的输出，使其产生的振动与主振源（干扰）的振动相抵消，从而达到隔振的目的。与被动隔振技术相比，主动隔振技术具有更大的灵活性和适应性，并且具有抑制超低频振动和宽带随机振动的能力等优点。在多维隔振方面，理论性研究较多的是多维柔性隔振系统的功率流理论。功率流适合对柔性隔振系统的隔振性能进行综合评价1。与传统的仅以力或速度作为研究变量的方法相比，应用功率流方法，以功率流作为研究变量，同时考虑力和速度两个量值，便于用单一量值对隔振效果进行评价。振动的传递是能量的传递，功率流是一个标量，可以给出振动传递能量的绝对量值，不仅便于计算通过不同隔振元件的多维振动传递的能量总和，而且易于分析振动传输机理和比较各隔振元件振动传递特性的差异。多维隔振象单自由度隔振一样，也分主动隔振和被动隔振。现介绍主动控制的实例。普通救护车行使时，车内设备会随车运动，避免不了前后颠簸，左右摇摆。为了战争中救护的需要，GGM-I野战救护车车内手术台系统采用液压稳定器和单片机控制手术台系统的纵向振动和横向振动，达到该系统双向稳定的目的2,使手术得以进行。坦克在不断颠簸的的运动和振动中瞄准，需要一套火炮稳定系统，火炮稳定系统涉及对多维振动的控制3。在坦克炮塔内，陀螺仪、加速度计及角度传感器不断测定各种运动载荷，车载计算机根据这些信息计算并发出控制指令，通过伺服系统使炮塔相对于底盘水平旋转，让火炮相对于炮塔高低俯仰。稳定系统既要补偿因路面崎岖不平而引起的垂直向振动所造成的系统失衡，又要解决车辆前后俯仰、倾斜即左右摇摆对火炮稳定所带来的影响，同时还必须消除作用在有关部件上的摩擦力及驱动电机本身的惯性对火炮稳定所带来的影响。坦克的稳定系统包括电动稳定系统和液压稳定系统，电动稳定系统，火灾危险性小，受到更多的重视。早期的坦克缺少性能优良的稳定系统，行进中的命中率低。现代坦克普遍装备了火炮稳定系统，行进中命中率得到提高。但是坦克火炮稳定系统成本高，要完全将其技术推广到民用产品，还有一定难度。根据国、内外资料检索结果，传统的多维被动隔振方法可分三类4：第一类采用单纯的弹性材料（如橡胶、海绵、特殊塑料），利用弹性材料的多维弹性变形实现一定程度上的多维隔振。但是，无论是天然橡胶或是人造橡胶或其它弹性材料，都存在一些固有的缺陷，如耐油性差，散热不良，易老化，性能不稳定，寿命有限等；第二类采用单纯的机械结构进行隔振，如扭杆摆杆减振器5。第三类是将机械结构与弹性元件及阻尼元件结合在一起实施隔振。下面介绍国内、国外进行多维隔振的一些具体实例。国内的实例：坦克雷达箱通过多个钢丝绳圈支撑在箱座上，达到多维隔振的目的。一般救护车病床仅利用被褥实现多维隔振。文献6介绍的减振座椅使人坐着既舒适，又可避免大幅度的上下振动和人体左右摇摆。张顺心、檀润华等人申请了中国专利“医用救护车担架减振装置”7（图1T）,其主体部分有气缸，缸内气体可压缩，因此有弹性。气流的阻尼衰减振幅，两气缸充气量的调节可控制顶架的俯仰。该装置可实现竖直方向及俯仰的隔振。图医用救护车担架减振装置Fig.l-1Dampingdeviceforambulancestretcher国外的实例3:日本坂本丰申请了日本专利“防振担架床”8（图1-2）,可实现上下、前后方向的隔振。图1-2防振担架床Fig.1-2Stretcherofantivibration藤田悦则、坂本丰等人申请的中国专利“救护车用防振架"19（图1-3）,则通过三层结构分别实现上下、左右、前后三个方向的隔振。9a 30 I2 IOo 图13救护车用防振架Fig.1-3Stretcherofantivibrationforambulance此外，美、德、新西兰也有有关研究，但其结构大多采用多层单自由度隔振装置叠加而成。由上述介绍看出，主动控制多维振动，系统复杂，成本高。传统的机械式被动隔振方法，比较适用于一维减振，当应用于二维、三维或三维以上的隔振时，需采用多层结构，结构复杂，应用很不方便。本文的任务之一是寻求一种可用于多维隔振的合适的机构。1.3 并联机构及其特点并联机构由动、静平台以及若干个支路并联而成，它与传统的串联机构相比，优点有3:（1）并联机构动平台同时经由多根杆支撑，而串联机构末端执行器相当于悬臂梁，显然并联机构刚度大，结构稳定；（2）两者在自重或体积相同的情况下，并联机构刚度大，承载能力强；（3）串联机构末端构件上的误差是各个关节误差的积累和放大，而并联机构的误差没有那样的关系，因此后者精度高；（4）串联机构的驱动元件及传动系统大都放在运动着的悬臂上，系统惯性大，动力性能相对差，而并联机构很容易将驱动元件放置机座上，因此减小了动力负荷；（5）在机构位置分析中，串联机构正解容易反解难，而并联机构反解容易正解难，这对机构的在线实时控制非常有利10o并联机构缺点有：（1）活动空间相对较小，（2）动平台不如串联机构末端执行器来得灵活，对比串、并联机构的特点，不难看出两者结构和性能上的对偶关系，在应用上两者也互为补充，因此并联机构的出现，扩大了机器人的应用范围。1.4 并联机构的应用并联机构源于上世纪中叶，早期的研究者有HUnt、MacCallion和PhainR等。到80年代中期，国际上研究并联机器人的人还寥寥无几，直到80年代末特别是90年代以来，并联机器人才受人青睐，各国专家学者竞相研究并联机构，许多大型会议均设多个专题讨论，逐步认识到并联机构的特点。目前，并联机构己得到较为广泛的研究与应用。1.4.1 运动模拟上个世纪60年代，德国高级工程师SteWartP3发明了六自由度并联机构，称之为Stewart并联机构（图1-4）。该并联机构被用于飞行模拟器时，在地面训练飞行驾驶员，可以承担90%的飞行训练任务，且节能、经济、安全、不受外界环境影响、训练效率高。图KStewart并联机构FigJ-4Stewartmechanism目前国际上许多公司采用并联机构研制飞行模拟器（1416）,图1-5是荷兰DeIft大学飞行模拟器。图1-5荷兰Dem大学飞行模拟器Fig1-5Flightsimulator图1-6为赛车运动员培训模拟器（17）。该模拟器是一个六自由度并联机构，在其上方放置赛车。图1-6赛车模拟器Fig.1-6racingsimulator1998年日本也研制出一种基于并联机构的机器马，模拟马的运动。图1-7为娱乐用骑马模拟器。图1-7骑马模拟器Fig.1-7Ridingsimulator1.4.2机器人随着现代化发展的高速进程，以及技术的不断进步，机器人的应用被越来越多地认识和接受。图1-8所示为日本东北大学的MaSarUUChiyama等人和丰田公司机床部于1991年联合研制的高速并联机器人HEXA。图1-8六自由度HEXA并联机器人Fig.1-8HEXArobol图1-9是由天津大学黄田教授发明的一种全校接2平动自由度高速、高精度、轻型并联机械手。图1-9DiamOnd高速并联机械手Fig.I-9Diamondparallelmechanismrobot图LlO为江苏大学研制的并联机构按摩机器人。图ITO按摩机器人Fig.1-10Massagerobot最为业内人士所熟知的DeIta并联机器人经过几代改进，已经广泛应用于化妆品、食品、药品以及电子产品的装配。Tricept并联机器人也被用于汽车装配自动线38,完成加工、装配、焊接等工序，还可作为模块化制造系统的组成部分，完成切削和激光加工。并联机器人也可用作飞船、潜艇等的对接机构，完成主动抓取、对正拉紧、柔性结合、最后锁住卡紧等工作。对于困难的地下工程，如土方挖掘、煤矿开采，也可应用并联机构承受巨大的挖掘力。1.4.3并联机床并联机构在工业上的突出应用莫过于并联运动机床。20世纪90年代中期问世的并联运动机床又称虚拟轴机床，在机床结构技术上有所突破，是机器人技术与机床结构技术相结合的产物。它与实现等同功能的传统数控机床相比，具有刚度大、响应速度快、环境适应性强、技术附加值高等优势，被认为是“21世纪的新一代数控加工设备”。目前国内外推出的结构形式各异的产品化样机数以百计，美国Giddings&Lewis公司最先展出了Hexapod和Variax并联运动机床3。此后，美国Ingersoll公司推出采用并联机构的VOHlOOO型立式加工中心和HOH600型卧式加工中心。但这几种早期的并联运动机床都因种种原因没能投入生产使用。到2000年前后，并联运动机床在运动学原理、机床设计方法、制造工艺、控制技术、动态性能研究和工业应用方面都先后取得了重大突破。德国IndeX机床公司的VloO立式车削中心是商品化的并联运动机床。法国RenaUItAutomation公司的UraneSX卧式加工中心也已经商品化。我国在并联运动机床领域的研究也取得了不少成果。清华大学与天津大学于1997年联合研制了我国第一台并联运动机床-VAMTIY虚拟轴机床1191。清华大学和昆明机床股份有限公司联合研制了新型并联机床XNZ63120,清华大学与南昌机床厂联合开发了龙门式虚拟轴机床XNZ2010211,天津大学与天津第一机床厂联合研制了我国第一台镶铳类并联机器人机床，中国科学院沈阳自动化研究所研制了五轴并联机构数控机床22,哈尔滨工业大学与哈尔滨量具刃具厂合作，推出了商品化的并联运动机床7（图图1-11哈尔滨工业大学研制的并联机床Fig.1-11Parallelmachinetooldevelopedbychina图1-12是该机床在加工气轮机叶片和模具17。图1T2加工汽轮机叶片和模具Fig.1