摘 要：隨著機器人技術(shù)的迅速發(fā)展和社會需求的不斷提高，機器人與人共融、協(xié)同作業(yè)，將成為下一代機器人的本質(zhì)特征，也是當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點問題。然而，在人機協(xié)同作業(yè)過程中，如何確保人與機器的安全是共融機器人技術(shù)研發(fā)中亟待解決的關(guān)鍵和難點問題之一。并聯(lián)機器人是一種特殊的并聯(lián)機器人，其動平臺是由繩索代替剛性桿進行驅(qū)動。索并聯(lián)機器人因具有優(yōu)良的運動性能、較高的負載能力以及較大的工作空間等優(yōu)點，受到了學(xué)者的青睞。
　　關(guān)鍵詞：并聯(lián)；機器人；剛度；靜力學(xué)；
　　剛度問題是改善和提高機器人性能極為重要的方面。通過研究機器人末端剛度與姿態(tài)之間的關(guān)系，得出了其最優(yōu)剛度姿態(tài)和增加剛度的方法。杜敬利等在充分考慮懸索因自重而產(chǎn)生垂度以及存在彈性變形等因素的條件下，對機器人的剛度進行了有效分析。Yeo等提出一種新型的變剛度索驅(qū)動機器人，通過在其驅(qū)動繩索上安裝變剛度設(shè)備以大幅度改變機器人的剛度。Wen等提出一種基于梯度投影法的索力優(yōu)化分配算法，在避免繩索虛牽的同時對機器人的剛度進行有效調(diào)整。Wang等針對八索驅(qū)動的6自由度懸吊系統(tǒng)，提出一種基于剛度優(yōu)化的力位混合控制方法應(yīng)用于飛機風(fēng)洞實驗測試系統(tǒng)。上述研究主要是為了保證索機器人的位置精度，從提高其剛度的角度進行相關(guān)研究，并沒有研究其剛度的精確控制。而從人機交互的角度出發(fā)，需要對機器人的可控剛度特性進行充分研究，并對其剛度進行精確控制。
　　一、剛度分析
　　剛度包括了靜剛度和動剛度。作為一項重要的性能評價指標，剛度不僅與機器人機構(gòu)的拓撲結(jié)構(gòu)有關(guān)，還與機構(gòu)的尺度參數(shù)和截面參數(shù)密切相關(guān)。顯而易見，一種由細桿組成的并聯(lián)機構(gòu)不一定比粗桿構(gòu)成的串聯(lián)機構(gòu)剛度高。于是，為設(shè)計出大剛度的并聯(lián)機器人，基于剛度性能分析和設(shè)計的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計研究至關(guān)重要。
　　（一）有限元分析法
　　隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，有限元分析法成為了并聯(lián)機構(gòu)設(shè)計和靜剛度性能預(yù)估的重要手段。為研究新型四自由度并聯(lián)機床的剛度，Cor-radini等和Company等采用一種用多梁表達模型的有限單元分析方法。對于典型機構(gòu)6-UPS并聯(lián)機床的靜剛度問題，李育文等是基于該機床的有限元模型，通過過渡點并利用Matrix27單元來定義鉸鏈本身的剛度，以表現(xiàn)鉸鏈本身的變形情況。在研究并聯(lián)刨床時，劉紅軍等采用有限元軟件對其床身框架及平面約束機構(gòu)進行剛度分析，并以仿真和實驗方式進行剛度特性研究的驗證。陳光偉等建立了新型龍門式并聯(lián)機床平面并聯(lián)機構(gòu)整機靜剛度的有限元模型，得到動平臺在廣義工作空間下的剛度分布規(guī)律。
　　（二）靜剛度解析模型
　　靜剛度解析模型就是建立機構(gòu)操作力與末端器變形之間映射關(guān)系。早在20世紀90年代，Cho等就根據(jù)運動影響系數(shù)，給出了一種通用運動并聯(lián)系統(tǒng)的完整解析模型和反驅(qū)動系統(tǒng)的剛度公式解析方法，解決了混聯(lián)操作器系統(tǒng)的系統(tǒng)化建模問題。通過幾何關(guān)系Lee等推導(dǎo)出了并聯(lián)機器人靜剛度模型的計算公式Pham等將柔性部件以串聯(lián)或并聯(lián)的方式連接起來，建立剛度解析模型。該模型允許建立剛度與尺寸之間的函數(shù)關(guān)系，但排除了在設(shè)計過程中柔性并聯(lián)機構(gòu)的自由變形。
　�。ㄈ�）靜剛度性能分析
　　周玉林等分別對2-RRR+RRS球面并聯(lián)機構(gòu)、3-RRR三自由度球面并聯(lián)機構(gòu)和3-RRS三自由度球面并聯(lián)機構(gòu)進行分析，并以機構(gòu)靜力學(xué)分析結(jié)果為基礎(chǔ)，建立整體靜剛?cè)岫染仃嚥⒎治鲈谡麄�工作空間內(nèi)其靜剛度性能和6個主剛度指標及所在主方向。對上述3種機構(gòu)的研究表明，它們的主剛度在3個主方向上較大、另3個方向較小，而零點附近剛度較小，離零點越遠剛度越大。
　　二、靜力學(xué)分析
　　目前關(guān)于并聯(lián)機構(gòu)靜力學(xué)研究方面的文獻相對較少。但是靜力學(xué)分析是機構(gòu)分析的必要環(huán)節(jié)，是機構(gòu)剛度分析和動力學(xué)分析的基礎(chǔ)。文獻中提到的靜力學(xué)分析方法有螺旋理論法、有限元法、矢量法、坐標變換、影響系數(shù)法等，其中以螺旋理論法、影響因數(shù)法與有限元法的運用最廣。
　　鑒于鋼帶并聯(lián)機構(gòu)自身結(jié)構(gòu)特殊性，鋼帶并聯(lián)機構(gòu)的靜力學(xué)分析針對的是鋼帶在未失穩(wěn)情況下的靜力關(guān)系。蘇先義等采用有限元方法對六自由度鋼帶并聯(lián)機器人進行了失穩(wěn)分析，為其承壓能力計算打下了一定的理論基礎(chǔ)。蘇先義還基于螺旋理論建立了鋼帶并聯(lián)機器人靜力學(xué)數(shù)學(xué)模型，并進行了簡單的仿真。但該仿真是針對鋼帶并聯(lián)機構(gòu)在一定的位姿和受力條件下進行的，而且他沒有將靜力學(xué)分析與有限元分析聯(lián)系起來，因此目前還沒有人系統(tǒng)地研究鋼帶并聯(lián)機器人的靜力學(xué)特性。
　　在對鋼帶并聯(lián)機構(gòu)進行靜力學(xué)分析的過程中，大家關(guān)心的是機構(gòu)末端器輸出力與多個驅(qū)動器輸入力之間建立的靜力關(guān)系，從而可以得到機構(gòu)的荷載值。同時，也應(yīng)該將鋼帶運動副的結(jié)構(gòu)特性考慮進去。一般情況下鋼帶能承受很高的拉力，不能承受壓力，但彎曲截面的鋼帶能承受一定的壓力，其作用相當(dāng)于可伸縮二力桿。因此在鋼帶受壓且未失穩(wěn)情況下，鋼帶并聯(lián)機構(gòu)的靜力學(xué)分析與桿支撐并聯(lián)機構(gòu)的靜力學(xué)分析相似。但當(dāng)鋼帶所受壓力超過臨界壓力時，機構(gòu)將失穩(wěn)產(chǎn)生大變形，從而破壞機構(gòu)形態(tài)，此時鋼帶并聯(lián)機構(gòu)的靜力學(xué)分析將無意義。而鋼帶受拉力時機構(gòu)的靜力學(xué)分析與繩牽引并聯(lián)機構(gòu)的靜力學(xué)分析相似。
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