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摘要：本文结合申请人天津大学的专利申请对并联机构的6自由度Stewart平台及其变异机构、少自由度并联机构以及混联式并联机构三个技术发展阶段进行梳理。
关键词：并联机构 技术路线 天津大学
并联机构（Parallel Mechanism，简称 PM）是指由运动平台和固定平台以及连接两者的若干独立的运动支链组成，一般具有两个或两个以上自由度，并且以并联方式驱动的一种闭环机构，该类型机构是机器人机构学中一个非常重要的分支，结构。由于并联机构具有刚度高、承载能力强、累积误差小、精度高、响应速度快、动态性能好等优点使其在结构和性能上与传统的串联式机器人机构形成对偶关系，极大地扩展了机器人机构的应用领域。
中国从1990年开始有关于并联机构的专利申请，共有1433件， 第一件发明专利于1999年申请，从时间上看，中国对于并联机构的研究主要集中在21世纪。从表1中可以明显看出：1）1990-1998，每年并联机构的专利申请量非常少，并专利类型全部为实用新型，说明国内还没有对并联机构进行研究，仅有少量单位从国外学习并联机构;2）1999-2008，国内单位对并联机构的研究开始初步取得效果，申请量开始逐渐上涨;3）2009-2013，国内单位对并联机构的研究有所成就，申请量过百。
申请人天津大学对于并联机构的申请共有96件，占总数的6.7%。时间从2001到2013年，属于国内较早对并联机构进行研究的单位。
自1965年Stewart 发明了六自由度并联机构以来，并联机构总共经历了三个技术发展阶段，为20世纪80-90年代的6自由度Stewart平台及其变异机构、20世纪90年代开始的少自由度并联机构以及2000年后快速发展的混联式并联机构。申请人天津大学对于并联机构的申的内容主要集中在第二技术发展阶段，申请量为79，占全部总量的82.30%;第三技术发展阶段的研究集中在近两年，受到时间的限制，申请量为17，占全部总量的17.70%，如表2所示。
1.6自由度Stewart平台及其变异机构（全球研究时间集中在20世纪80-90年代，天津大学无相关专利）
世界各国学者对并联机构的研究的重点主要集中于 6 自由度的Stewart平台（图1）及其变异机构（图2和3）。这一期间的研究成果主要体现在两个方面：一是对Stewart平台的相关理论研究;二是基于实际需要提出基于Stewart平台的各种变异机构。对于第一方面的理论研究工作，主要有：机构运动学正解分析、工作空间、奇异性分析与规避、刚度及精度的分析与设计、静力分析、动力学分析等相关理论研究工作。在这些理论研究的基础上，结合具体的应用场合，一些新型的Stewart平台变异机构被众多学者相继提出并进行了研究与应用。
2.少自由度并联机构（全球研究时间集中在20世纪90年代）
基于 Stewart 平台的 6 自由度并联机构虽然静刚度较大，但存在工作空间小、加工精度不易保证、机构的运动学、动力学设计较为复杂、实现姿态能力差等一系列问题，这在很大程度上限制了并联机构的工程应用，而在在一些实际的应用场合如焊接、切削加工、搬運等，并不需要空间 6 个自由度，这样并联机构研究遂渐渐转向结构更简单、自由度数目较少的少自由度并联机构。相比于第一阶段的 6 自由度并联机构，少自由度并联机构具有结构简单、驱动件少、工作空间大、控制简单，精度高等优点，其应用领域也要比 6自由度并联机构更为广泛。
少自由度并联机构（自由度介于 2～5） ，在研究和应用上取得了一定的成果，其中3 自由度并联机构的理论研究与工程应用最为深入和广泛，其应用前景也最为广阔。申请人天津大学的对于3自由度的专利申请比其他少自由度的研究多，申请量为26，占少自由度申请量的32.91%。将少自由并联机构分为 3 自由度并联机构以及除 3 自由度并联机构以外的其它少自由度并联机构两大类进行介绍。
2.13 自由度并联机构
3 自由度并联机构是少自由度并联机构中非常重要的一类机构。以下将对天津大学所提出的几款典型的 3 自由度并联机构的研究进行简要论述。
选择支链全对称布局几乎成为机构学研究者的下意识选择，这种支链全对称布局机构具有良好的输出对称性，但是在工程实际中有相当部分的场合并不需要全对称布局，这就衍生出来基于性能需求的设计，而不仅仅为追求对称而选择支链全对称布局。天津大学在2003年提出了具有非对称支链的并联机构，将传统对称并联机构中的主动支链与从动支链合并成一条鼐支链，使之同时具有提供运动和提供约束的功能（申请号CN03144282）。为了解决动平台姿态误差的问题，天津大学又提出了一种带有钢丝的并联机构，通过限制动平台的三个回转自由度来实现空间三个平动自由度（申请号CN200510015750）。而为了进一步保证动平台姿态精度，天津大学在钢丝并联机构的基础上提出了在支链近架杆处形成平行四边形结构的并联机构（申请号CN201010505933）。在2012年，为了提高动平台的保持度和降低机构整体重量，天津大学提出了由四支链组成的过约束并联机构（申请号CN201210006893）。
2.2 其它少自由度并联机构
除上述 3 自由度并联机构之外，天津大学研究团队在 2、4、5 自由度并联机构研究与应用上亦取得了一些成果。
2 自由度并联机构是少自由度并联机构中自由度数目最少的一类机构，可分为平面结构和球面结构两类，主要应用于平面或球面定位，具有广泛的应用领域。在2001年，天津大学提出了两驱动两支链二平动并联机构（申请号CN01145160）。为了解决平面侧向刚度不足的问题，天津大学提出了两驱动三支链二平动并联机构（申请号CN201110428428）。
在 4 和5自由度并联机构研究方面，天津大学对于4和5自由度并联机构的研究主要集中在动平台上。在并联机构的前期研究中，所以并联机构的动平台均为一块完整的平面，天津大学提出一种由两部分组成的动平台结构，从而通过两部分的相对移动来实现绕 z 轴的转动（申请号CN200910118104）。为了克服驱动性能较差的缺点，天津大学又提出了一种双动平台的并联机构，该机构同时也具有容易实现高速抓取的特点（申请号CN201010212312）。更进一步地，为了解决动平台传递效果差、寿命短的情况，天津大学提出了运用平行四边形结构约束作用的菱形动平台（申请号CN201110149529）。
3.混联并联机构（（全球研究时间集中在2000年后）
基于串联机构与并联机构的混联机构由于其在应用中既弥补了串联机构在刚度、精度、实时—控制等方面的不足，又克服了并联机构工作空间小、运动耦合的缺点，使得混联机器人在5轴加工方面具有单纯的并联机构和串联机构所无法比拟的优势，该类结构形式的机构具有结构紧凑、可重构能力强的优点。在目前对加工高速化技术要求的背景下，这也是并联机构的一个重要的发展趋势。
混联并联机构一般由上部并联机构和下部串联转头（定位头）组成，天津大学对于混联并联机构的研究主要集中在上部并联机构。在2005年，天津大学提出了一种将长度调节装置的末端通过滑移副与动平台相连，提供一个冗余自由度，使得定位头产生较大的工作空间（申请号CN200510015095）。为了克服整体刚度、精度和负载能力，天津大学又提出了三支链空间轴对称布置的混联机器人（申请号CN200710057178）和过约束混联机器人（申请号CN201210185405）。
综上所述，几十年来，并联机构的研究大体经过了6自由度Stewart 平台及其变异机构、少自由度并联机构以及混联式机械手三个阶段。就目前的情况来看，第一阶段的研究已经相对成熟，少自由度和混联机构将是未来国内外并联机构的主要方向。
国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心 广东省 广州市 510530
关键词：并联机构 技术路线 天津大学
并联机构（Parallel Mechanism，简称 PM）是指由运动平台和固定平台以及连接两者的若干独立的运动支链组成，一般具有两个或两个以上自由度，并且以并联方式驱动的一种闭环机构，该类型机构是机器人机构学中一个非常重要的分支，结构。由于并联机构具有刚度高、承载能力强、累积误差小、精度高、响应速度快、动态性能好等优点使其在结构和性能上与传统的串联式机器人机构形成对偶关系，极大地扩展了机器人机构的应用领域。
中国从1990年开始有关于并联机构的专利申请，共有1433件， 第一件发明专利于1999年申请，从时间上看，中国对于并联机构的研究主要集中在21世纪。从表1中可以明显看出：1）1990-1998，每年并联机构的专利申请量非常少，并专利类型全部为实用新型，说明国内还没有对并联机构进行研究，仅有少量单位从国外学习并联机构;2）1999-2008，国内单位对并联机构的研究开始初步取得效果，申请量开始逐渐上涨;3）2009-2013，国内单位对并联机构的研究有所成就，申请量过百。
申请人天津大学对于并联机构的申请共有96件，占总数的6.7%。时间从2001到2013年，属于国内较早对并联机构进行研究的单位。
自1965年Stewart 发明了六自由度并联机构以来，并联机构总共经历了三个技术发展阶段，为20世纪80-90年代的6自由度Stewart平台及其变异机构、20世纪90年代开始的少自由度并联机构以及2000年后快速发展的混联式并联机构。申请人天津大学对于并联机构的申的内容主要集中在第二技术发展阶段，申请量为79，占全部总量的82.30%;第三技术发展阶段的研究集中在近两年，受到时间的限制，申请量为17，占全部总量的17.70%，如表2所示。
1.6自由度Stewart平台及其变异机构（全球研究时间集中在20世纪80-90年代，天津大学无相关专利）
世界各国学者对并联机构的研究的重点主要集中于 6 自由度的Stewart平台（图1）及其变异机构（图2和3）。这一期间的研究成果主要体现在两个方面：一是对Stewart平台的相关理论研究;二是基于实际需要提出基于Stewart平台的各种变异机构。对于第一方面的理论研究工作，主要有：机构运动学正解分析、工作空间、奇异性分析与规避、刚度及精度的分析与设计、静力分析、动力学分析等相关理论研究工作。在这些理论研究的基础上，结合具体的应用场合，一些新型的Stewart平台变异机构被众多学者相继提出并进行了研究与应用。
2.少自由度并联机构（全球研究时间集中在20世纪90年代）
基于 Stewart 平台的 6 自由度并联机构虽然静刚度较大，但存在工作空间小、加工精度不易保证、机构的运动学、动力学设计较为复杂、实现姿态能力差等一系列问题，这在很大程度上限制了并联机构的工程应用，而在在一些实际的应用场合如焊接、切削加工、搬運等，并不需要空间 6 个自由度，这样并联机构研究遂渐渐转向结构更简单、自由度数目较少的少自由度并联机构。相比于第一阶段的 6 自由度并联机构，少自由度并联机构具有结构简单、驱动件少、工作空间大、控制简单，精度高等优点，其应用领域也要比 6自由度并联机构更为广泛。
少自由度并联机构（自由度介于 2～5） ，在研究和应用上取得了一定的成果，其中3 自由度并联机构的理论研究与工程应用最为深入和广泛，其应用前景也最为广阔。申请人天津大学的对于3自由度的专利申请比其他少自由度的研究多，申请量为26，占少自由度申请量的32.91%。将少自由并联机构分为 3 自由度并联机构以及除 3 自由度并联机构以外的其它少自由度并联机构两大类进行介绍。
2.13 自由度并联机构
3 自由度并联机构是少自由度并联机构中非常重要的一类机构。以下将对天津大学所提出的几款典型的 3 自由度并联机构的研究进行简要论述。
选择支链全对称布局几乎成为机构学研究者的下意识选择，这种支链全对称布局机构具有良好的输出对称性，但是在工程实际中有相当部分的场合并不需要全对称布局，这就衍生出来基于性能需求的设计，而不仅仅为追求对称而选择支链全对称布局。天津大学在2003年提出了具有非对称支链的并联机构，将传统对称并联机构中的主动支链与从动支链合并成一条鼐支链，使之同时具有提供运动和提供约束的功能（申请号CN03144282）。为了解决动平台姿态误差的问题，天津大学又提出了一种带有钢丝的并联机构，通过限制动平台的三个回转自由度来实现空间三个平动自由度（申请号CN200510015750）。而为了进一步保证动平台姿态精度，天津大学在钢丝并联机构的基础上提出了在支链近架杆处形成平行四边形结构的并联机构（申请号CN201010505933）。在2012年，为了提高动平台的保持度和降低机构整体重量，天津大学提出了由四支链组成的过约束并联机构（申请号CN201210006893）。
2.2 其它少自由度并联机构
除上述 3 自由度并联机构之外，天津大学研究团队在 2、4、5 自由度并联机构研究与应用上亦取得了一些成果。
2 自由度并联机构是少自由度并联机构中自由度数目最少的一类机构，可分为平面结构和球面结构两类，主要应用于平面或球面定位，具有广泛的应用领域。在2001年，天津大学提出了两驱动两支链二平动并联机构（申请号CN01145160）。为了解决平面侧向刚度不足的问题，天津大学提出了两驱动三支链二平动并联机构（申请号CN201110428428）。
在 4 和5自由度并联机构研究方面，天津大学对于4和5自由度并联机构的研究主要集中在动平台上。在并联机构的前期研究中，所以并联机构的动平台均为一块完整的平面，天津大学提出一种由两部分组成的动平台结构，从而通过两部分的相对移动来实现绕 z 轴的转动（申请号CN200910118104）。为了克服驱动性能较差的缺点，天津大学又提出了一种双动平台的并联机构，该机构同时也具有容易实现高速抓取的特点（申请号CN201010212312）。更进一步地，为了解决动平台传递效果差、寿命短的情况，天津大学提出了运用平行四边形结构约束作用的菱形动平台（申请号CN201110149529）。
3.混联并联机构（（全球研究时间集中在2000年后）
基于串联机构与并联机构的混联机构由于其在应用中既弥补了串联机构在刚度、精度、实时—控制等方面的不足，又克服了并联机构工作空间小、运动耦合的缺点，使得混联机器人在5轴加工方面具有单纯的并联机构和串联机构所无法比拟的优势，该类结构形式的机构具有结构紧凑、可重构能力强的优点。在目前对加工高速化技术要求的背景下，这也是并联机构的一个重要的发展趋势。
混联并联机构一般由上部并联机构和下部串联转头（定位头）组成，天津大学对于混联并联机构的研究主要集中在上部并联机构。在2005年，天津大学提出了一种将长度调节装置的末端通过滑移副与动平台相连，提供一个冗余自由度，使得定位头产生较大的工作空间（申请号CN200510015095）。为了克服整体刚度、精度和负载能力，天津大学又提出了三支链空间轴对称布置的混联机器人（申请号CN200710057178）和过约束混联机器人（申请号CN201210185405）。
综上所述，几十年来，并联机构的研究大体经过了6自由度Stewart 平台及其变异机构、少自由度并联机构以及混联式机械手三个阶段。就目前的情况来看，第一阶段的研究已经相对成熟，少自由度和混联机构将是未来国内外并联机构的主要方向。
国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心 广东省 广州市 510530