【利元亨 | 科普】并联机器人的前世今生

摘要：Delta机器人。Delta机器人。

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依据运动学结构，可将机器人分为串联机器人、并联机器人和混合机器人三大类别。其中，串联机器人由一组开环运动链组成，并联机器人由一些闭环运动链组成，混合机器人则同时包含了开环和闭环运动链。

虽然并联机器人出现时间较串联机器人晚，但其无论在学术理论，还是实际应用上都填补了一些行业空白。在发展历史中，并联机器人的优点正被慢慢凸显出来。

具体来看，串联机器人是工业应用场景中最常用的类别，其主要优点是对于自身体积和所占的地面范围，具有很大的工作空间，缺点是其由于开环运动学结构所带来的较低刚度和较大惯性。

反观并联机器人，由于其闭链的运动结构，具有高刚度，高承载力；且驱动电机多安装于定平台，故具有惯性小，速度快的优点。再加上某些机器人的特定工作空间，并联机器人在实际工程中找到了独特的用武之地。

Stewart机器人

Stewart机器人可以说是最经典的并联机器人，也是世界上出现的第一种并联机器人。这类机器人最初由Gough在1947年发明，被用于检测各种载荷条件下的轮胎磨损。

将Stewart与Gough联系在一起是源于Stewart在1965年发表的一篇论文中，提及了Gough的工作和这种平台的图像，这篇论文对并联机器人运动学的发展产生了重要的影响。基于此，这类构型的并联机器人也被称为Gough-Stewart机器人。

Gough发明的六自由度平台

该机器人为六自由度，有六条支链，每条支链的两端为球副，中间由一移动副联接两杆。由于其刚度高和重负载的优点，Stewart机器人常被用于各种重载的模拟台，例如飞行模拟器、地震模拟台、航天对接装置，以及用于确定组合载荷下轮胎的性能等；在民用方面的应用包括电影座椅等。

Stewart机器人

飞行模拟器

运动模拟台

现在国内生产Stewart平台相关产品的机构主要有航天科技集团（航天器对接机构）、福云天翼（模拟台）、若贝特（模拟台）等。

Delta机器人

另一种具有跨时代意义的并联机器人——Delta机器人发明于20世纪80年代，发明人为Reyrnond Clavel。这种新型机器人发明的初衷是，以非常高的速度操纵轻而小的物体。1991年，Reyrnond Clavel提交了自己的博士论文，同时为Delta机器人申请了专利。他在1999年获得了金机器人奖，以表彰其在Delta机器人领域的贡献。

1999年，ABB开始销售Delta机器人。直到其专利在2012年解禁后，国内的机器人企业才开始生产并销售Delta机器人。ABB也成为了现在国际上做delta机器人最成熟的公司，目前国内出货量比较多的厂商有阿童木机器人、勃肯特机器人、李群自动化等。

Delta机器人是最经典的少自由度机器人，也是在实际工业中应用最广泛的一种并联机器人。三自由度Delta机器人由三条支链组成，其关键之处在于使用了平行四边形结构，可以保证末端执行器的姿态。

Delta机器人

Delta机器人的最大优势是速度快，业内勃肯特的高速并联机器人标准节拍已达到433次／min，超过了国外品牌，可见Delta机器人很适合用于抓取搬运小重量物体，所以被大规模应用于食品、医药、3C等领域。

不仅如此，在传统Delta机器人的基础上，还有许多变种，在保留其高速的情况下，给予机器人更多的自由度，以满足工程需要。

（1）在机器人的定平台中心加一个UPU支链，使其变成一个四支链四自由度的机器人，增加了一个垂直于动平台的转动。

（2）在动平台上增加一个小转动电机等，从而增加机器人的自由度，其在自由度上与上一种变种机器人相同。

（3）Adept Quattro机器人，在Delta机器人三支链基础上增加一个支链，使其变成四驱动三自由度的冗余机器人，与同类型机器人相比，其高效率可节省23%的能耗，同时速度在delta的基础上还可以大大增加。

Adept Quattro机器人

（4）Delta机器人还可以将其提供驱动的转动副变为移动副，移动副可以与动平台形成不同的角度，分别为移动副与动平台平行、移动副与动平台成任意角度、移动副与动平台垂直。其中前两者仍然用于搬运抓取，而后者常用于3D打印机。

（图片来源：Kinematic Modeling of Reconfigurable Parallel Robots Based onDelta concept。期刊：Journalof Production Engineering, ）

3D打印机

（5）此外，在将驱动关节改成移动副的基础上，三条移动副还可以设计为不对称的形状，将三条移动副轴线设计为三条平行的直线，也是Delta机器人的变种之一。

直线delta

（图片来源：The Linear Delta:Developments and Applications Robotics (ISR), 2010 41st International Symposiumon and 2010 6th German Conference on Robotics (ROBOTIK). VDE, 2010.）

五杆机器人

五杆机器人是最简单的并联机器人，具有两个自由度，可以在平面上做二维移动，通常与平行四边形机构配合使用，以保证末端执行器的姿态不变。在实际工业应用中，主要应用于食品、医药、3C等领域的搬运。