千百年来, 人类不断地发明了各种机构(机械) , 机构早已同人类生活息息相关。随着机器人、宇航工程、海洋工程等高新技术领域的开发, 以及工业自动化、交通、邮电、医疗等事业的发展, 研制能够满足高精度、重负载、高效率要求的新机构已迫在眉睫。。
机构的发展大致经历了从一杆到多杆、从平面到空间、从串联到并联的过程。1965 年, 英国高级工程师Stewart 发表了《一个具有六个自由度的平台》的文章, 在工程界引起轰动, 人们很快注意到了这种机构具备很多优点, 如输出精度高、结构刚性好、承载能力强、便于控制、部件简单等等。时到今日, 很多人把这种机构称为Stewart 机构。如图1 所示, Stewart 机构是最典型的并联机器人机构, 简称并联机构, 又称多环路机构。
1 并联机构
并联机构由最初的Stewart 平台不断发展, 到今天已形成了一个庞大的体系。近年来, 随着应用的深入和研究手段的加强, 并联机构的分析研究已经成为机构学者的热门课题。各国机构学者争相在各类刊物上发表文章。他们的研究从低级机构到高级机构, 不断深入研究。
并联机器人是一个知识密集型的机构"并联机器人机构学问题属于空间多自由度多环机构学理论,是随着对并联机器人的研究而发展起来的"所以研究并联机器人机构学理论对掌握研制和控制并联机器人有着特殊重要的意义"此外并联机器人机构学还覆盖了多足步行机多关节多指手爪和多机器人协调,它们也都属于同一的机构学范畴。
1 机器人机构的优化综合
运动精度是衡量工业机器人的主要性能指标之一,一般包括绝对精度和重复精度两种"近年来,对上述两种精度误差的研究已较多,主要集中在位姿误差分析和位姿误差的识别与补偿"误差分析主要是误差建模"对于一个特定的机器人机构,绝对位姿误差是系统误差"根据对机器人系统的测量,所获取的数据信息,可通过重新调整关节变量来校准这一误差"，对于机器人机构的设计,重要的是如何根据其设计精度分配连杆参数公差和关节伺服定位精度公差"在误差概率分析
的基础上,建立了以连杆参数公差或关节伺服定位精度公差为设计变量!公差制造成本为目标函数!绝对位姿误差或重复位姿误差满足设计精度为约束条件的机器人机构精度的概率优化综合的数学模型"。
优化综合的机器人机构的连杆参数公差,可以最低成本将机器人的绝对位姿误差控制在一定的精度范围内,并可能免除对机器人绝对误差的校正或补偿"按重复位姿精度分配的最优关节伺服定位精度公差,为选择恰当精度的关节伺服定位装置提供了依据"。
2 精度概率优化综合的数学模型
机器人的精度综合,就是选择合理的连杆参数公差或关节伺服定位精度公差,使其所产生的手部绝对位姿误差或重复位姿误差满足相应的精度要求"以公差成本最小为目标,确定最优连杆参数公差及关节伺服定位精度公差"。
3 步行机的驱动仿生和机构学仿生
我们提出了驱动仿生和结构的参数仿生的新思想,在研究海中螃蟹和陆上昆虫之后,将步行机的仿生研究从步态仿生、结构仿生(以腿代轮,以铰链代滑副等)推到新的高度"建立陆上和水下步行机模型,特别是应用多环并联机构学的影响系数和超确定输入的理论研究了有重要意义的低能耗高灵活性的机型及参数,为新一代的步行机的研制作了技术储备"。
4 在多机器人协同操作上的新思路
我们以超确定输入下的协调方程和最优解析方程的理论实现多机器人协同下的,从操作空间向和关节空间的直接映射"建立了最基本的多机器人协同操作的动力学模型,并发展了非常有意义的有我们特点的无内力控制方案"国际上所采用间接映射方案,实际上常常并不是必要的"。
二 针对于本课题的机构学问题：
1 动力学部分以及校核工作：
机器人在行走的过程中，每条腿都是抬起和着地两种状态交替变化，包括串联和并联两种机构，即抬起腿为串联机构，着地腿、躯体、地面形成并联机构，并且这种多环并联机构得环数也将随着着地腿的数目不同而不同。在此基础上，对机构进行动力学的分析，并在动力学求解的基础上解决两方面的问题，一是求解运动副的计算反力，作为下一步校核工作的理论基础和技术支持；二是对超确定输入的系统力矩进行能量的优化分配。
2 动力的有效传递问题
在动力的传递方面，行走系统往复运动的足比连续转动系统的轮子要复杂的多，这是由于大量独立运动的自由度的存在而变得更加严重。单自由度驱动的大多数轮式车辆动力传递较好，尽管三十多年以来有相当多的步行机器人问世，但是机械效率相当得低，因此，如何从机械优化设计得角度，尤其是从本课题出发大幅度的提高它的机械传动效率也是难点。
3 刚度问题
机器人的腿在行走的过程中交替地支撑机体地重量并在负重状态下推进机体向前运动，因此腿机构必须具备与整机重量相适应地刚性和承载能力，只有这样，才不至于患“软腿病”，这是一个需要引起普遍重视地问题，在步行机器人腿机构的优化设计中，还需对机器人进行刚度的分析，然而机器人系统的刚度涉及到很多因素，除考虑到杆件刚度外，还要考虑到减速系统、传动系统、伺服系统的刚度。机器人关节的挠曲刚度和传递力矩之间的关系为
为
关节的力矩；
为
关节的刚度；
为
关节的减速系统、传动系统、伺服系统变形引起的位移。
3精简计算
从机械优化设计的角度，忽略了哥氏力和向心力也可以精简动力学方程的计算，因为在实时控制机器人的过程中，动力学的计算是在所控制的力学系统的运动过程中进行的，在此时刻要求实时计算，在杆件低速运行时忽略两者节省机器运算时间。
4实时动力学问题
侦察机器人主要运用于现代战争中对敌方实施侦测，不仅要求机器人可以到达敌方前沿阵地侦察敌军部署情况，而且还要考虑到深入敌后对敌军实施电子监测甚至在必要时可搭载监听干扰设备对其进行干扰的可能性，因此，要求其对地形有较强的的适应能力能够在各种不同的地面环境下灵活稳步的移动。通过对机器人体内各个不同电机的协调控制实现侦察机器人在小扰动作业条件下的各种规定行进动作（前进、转向、加速、停止、攀爬、越障等运动）及相应的控制，因此计算量是相当大的。
目前，各技术发达国家投入了大量人力物力研究机器人机构学, 以期将这一技术尽快用于生产实际, 特别是用于研制高精度、重负载的设备上。机器人机构学已经在逐步从研究走向实用化。相信在不远的将来, 随着理论和技术问题的不断解决, 机器人机构学在我们的生活中将发挥越来越多的作用。
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