并联式机械手

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并联式机械手（英语：parallel manipulator），也称为并联式机器人，或泛用史都华平台（generalized Stewart platforms）。是用数个串联机械手（serial manipulator）支持一平台（或末端效应器 end-effector）的机器。知名度最高的并联式机械手，是飞行模拟器中用六个线性致动器驱动的史都华平台（Stewart platform，或Gough-Stewart platform），其名称是为了纪念最早开发及使用此机械的工程师。

在MeKin2D驱动的过度致动平面平行机械手

并联式机械手这种机器人属于多关节机器人（articulated robot），利用类似的机械构使机器人运动，或使平台运动，也可能使其中一个机械手运动。名称中的“并联”是指其末端效应器是由数个独立的连杆及线性致动器连结到本身，而且各连杆可以独立运作。

设计特点

并联式机械手的设计方式会使运动链较短、较简单，相较于串联式机械手，此结构的刚性较强，比较不会出现不想要的运动。各运动链因为最终连到同一个工件，其位置误差可以互相平均，不会像串联式机械手出现误差累计的情形。和串联式机器人类似，每一个致动器仍然可以有其运动的自由度，不过因为其他运动链的影响，其枢纽的轴外挠性会受到限制。并联式机械手有封闭回路的的刚性，让整个并联式机械手的刚性比个别元件要强，相反的，串联式机器人的手的刚性比个别元件要弱。

史都华平台属于并联式机械手

这种互相的强化也使得结构可以简化。史都华平台的运动链会用棱柱接点的线性致动器（linear actuator），末端则是万向球接头（ball joint）。球接头是被动件，本身没有致动器或是煞车，可以自由移动。最终的形状只受其他运动链所限制。Delta机器人有安装在基底的转动致动器（rotary actuator），会移动一个质量轻且坚硬的平行臂。致动器装在三个平行臂和基底之间，两者是用球接头连接。并联式机械手的静力学模型多半是类似球接头桁架：其连杆和致动器只受到张力或压缩力，不会受到弯矩或是转矩，也减少了非轴向力挠性的效应。

并联式机械手有另个好处，是重的致动器可以放在平台的中央，臂的移动是发生在支柱和接点上，臂上质量的减少可以让臂的结构更轻巧，也可以运动的更快。重点在中心点也可以减少机械手的整体转动惯量，在步行机器人（walking robot）或移动机器人身上会是优势。

上述特点使得并联式机械手有广泛的运动能力。因为其运动速度会是受到其刚性限制，而不是受到其出力所限制。并联式机械手可以快速运动，速度比串联式机械手要快。

少运动度

机械手最多可以用六个自由度（DoF）的方式移动物体，其中包括三个移动自由度（3T）及三个转动自由度（3R），可以组成3T3R运动度。不过有些运勋不需要六个自由度，此时使用少于六个运动度的机械，自由度较小，好处是结构简单、控制容易、运动较快，且价格较价宜。例如3自由度的Delta机器人其运动度只有3T，在快速的平移定位取放应用上非常的成功。较低运动度的工作空间可以分解为“运动”及“限制条件”子空间。例如，三个定位轴组成3自由度delta机器人的运动子空间，而三个转向轴即为其限制子空间。较低运动度机械手的运动子空间可以再分解为独立（希望）的子空间以及相依的子空间：其中包括了机械手运动时伴随出现，不希望发生的运勋。在设计少运动度机械手时，需减轻或消除寄生运动的影响。例如delta机器人不会有转动的寄生运动，因为其致动器不会旋转。

和串联式机械手的比较

史都华平台

大部份的机器人应用会要求刚性。串联式机械手达到刚性的方式是用高品质的转动接点，只允许在一个轴上转动，不允许在其他轴上的转动。任何允许运动的接点也需要在致动器的刻意控制下，可以产生对应的运动。多轴的运动也需要相同个数的接点。若有一个接点出现不想要的柔韧性或松弛度，其机械手也会有类似的松弛度，而且会因为接点和致动器之间的距离而有放大效果。无法让一个接点的运动去支撑另一个接点的运动。其中无法避免的迟滞现象以及不在轴上的挠度会在运动链上累积。精准的串联式机械手是在精确度、复杂度、质量（致动器以及受控物体上的质量）以及成本上的取舍。另一方面，并联式机械手可以用小的质量（比要控制的物体轻的质量）达到高刚性。因此可以有高准度且快速的运动，也让并联式机械手用在飞行模拟器（较大质量的高速运动）以及粒子加速器中的静电透镜及磁镜（magnetic lens）（大质量物体的高速定位）。

五连杆（Five-bar linkage）并联式机器人

并联式机械手相较于串联式机械手有一个缺点，是工作区域的受限。相较于串联式机械手，并联式机械手的工作区域会受到设计的几何限制以及机械限制而影响。工作区域中也会存在“奇异点”，在这些位置，某些运动的轨迹，机械臂长度的变异远小于位置的变异。相对而言，在这些奇异点上，末端效果产生的力（例如重力）会造成臂上无穷大的限制，让机械手无法运作。奇异点很难确定其位置（针对通用的并联式机械手，这是未解的开放式问题）。这表示并联式机械手的工作区间会人为限制在一块已知没有奇点的区域内。

并联式机械手的另个缺点是其非线性行为。终端效果器进行直线运动或是圆周运动的命令会随位置有剧烈的变化，不会随运动而线性变化。

应用

并联式机械手的主要应用有：

以下应用也越来越盛行：

  • 在有限空间内高速、高精度的定位，例如印刷电路板的组装
  • 装在较大但较慢串联式机械手末端效应器上的微致动器
  • 高速／高精度铣床（milling machine）

并联式机械手在操作空间会比较受限，例如不能绕过障碍。要进行所需运动所要的计算（正向运动学）会比较困难，而且可能会有非唯一解。

PAR4的原形，4自由度高速的并联式机械手

常见并联式机械手的例子有史都华平台及Delta机器人。

参见


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