文章导读
近日，清华大学刘辛军教授、德国杜伊斯堡-埃森大学Andres Kecskemethy教授和洪堡学者孟齐志博士在SmartBot杂志上发表了题为Motion-Force Interaction Performance of Parallel Robotic Mechanisms 的综述文章。
该论文系统地回顾了并联机器人机构在运动和力交互特性方面的研究进展，深入剖析了其理论范式演化、核心研究策略、评价方法、性能指标及在机器人机构设计中的实际应用，并探讨了未来发展方向，为该领域的持续研究和创新发展提供了重要的理论参考。
图文概要
自然界中，生命体的构成法则和行为规律本质上是串联与并联机制的有机融合。师法自然，机器人机构的设计亦遵循这一原则，通常可分为串联、并联及混联三类（图1A），以适应不同的功能需求与应用场景（图1B）。相较于串联机构，并联机器人机构的研究起步晚，早期研究往往借鉴串联机构的理论方法。然而，随着研究的深入，学界逐渐认识到并联机构具有其特殊性，串联机构相关理论难以以一概全，迫切需要探索新的理论范式。
并联机器人机构研究有三个核心问题，即：构型综合、性能评价和尺度综合（图1C），其中，性能评价是联接构型综合和尺度综合的纽带，占据核心地位。并联机器人机构的本质功能是在驱动空间和任务空间之间传递运动和力（图1D）。具体而言，空间六自由度并联机器人机构需要通过支链内力在自由度空间内传递运动并抵抗外部载荷；而对于少自由度并联机构，其支链内力不仅要传递自由度空间内的期望运动，还须约束非自由度空间内的受限运动。因此，运动和力的交互特性反映了并联机器人机构的本质属性，是其性能评价的首要关键。
图1 并联机器人机构研究背景
该综述文章将机器人机构的运动和力交互特性研究追述至平面四杆机构的传动角特征参量，后发展为旋量理论框架下以能效系数为范式的非冗余并联机构的运动和力传递与约束指标体系（图2），进而构建了以输入传递指标ITI、输出传递指标OTI、输入约束指标ICI和输出约束指标OCI为核心的并联机器人机构性能评价理论框架。相比于借鉴串联机构的理论方法，所构建的指标体系具有独立于坐标系、物理意义清晰、数量级一致等优点（图3），更利于并联机器人机构局域和全域的性能分析、比较及优选等。
图2 并联机器人机构运动和力传递与约束机制及指标体系
图3 采用LTI和LCI指标的典型并联机器人机构性能分析和比较
随着并联机器人机构构型的不断创新和丰富，运动和力交互特性研究被相继推广至冗余驱动和过约束并联机器人机构，取得了丰硕的研究成果。随即又进一步拓展至具有相对特殊结构的机器人机构中，如铰接平台型、闭环支链型并联机器人机构等。此外，研究表明运动和力交互特性这一本质属性不仅能有效辨识并联机器人机构奇异位形，还对机器人的加速能力和精度特性产生重要影响。在运动和力交互特性评价指标的发展主线外，文章还对性能评价过程中涉及的重要概念、研究策略、求解方法等进行了系统回顾，其中包括压力角、传动角、虚拟系数、功率系数、锁定和驱动策略、力旋量和运动旋量辨识、最大虚拟系数求解、性能指标求解等。
在上述并联机器人机构运动和力交互特性理论贡献基础上，进一步全面回顾了相关理论方法在领域内的推广应用情况，典型案例为高速并联机器人和并联加工机器人（图4和图5）。
图4 高速并联机器人设计、研发及推广应用
图5 并联加工机器人设计、研发及推广应用
总结与展望
过去数十年间，并联机器人机构在学术界与工程应用中获得了广泛关注。研究人员在探索其相较于串联机构优势的同时，也面临着其复杂性带来的诸多挑战。随着认知的不断深入，并联机器人机构性能评价工作取得了突破性进展，文章围绕运动和力交互特性展开系统性综述，不仅为领域提供了全面详实的研究进展报告，也为后续研究人员理解当前理论体系、探索未来发展方向提供了参考。
展望未来，并联机器人机构在理论层面，需进一步完善基础理论体系，推动并联机器人及装备在高精度、大承载及高动态特性等方面实现性能突破；在应用层面，不仅要关注并联机构的本质特性，充分发挥其结构优势，还应与串联机构相辅相成、协同演进，共同推动机器人机构学研究体系的发展。
未来可能的发展趋势和研究方向有：突破复杂多闭环机构旋量快速精准辨识、揭示运动和力交互本质特性对机器人性能的影响机理并指导实践应用、探索共融机器人及系统中更为一般性的运动和力交互机理、探究人工智能背景下的并联机器人机构的设计与研发新范式等。
全文链接：
https://doi.org/10.1002/smb2.12006
To cite this article:
Meng, Q., Kecskeméthy, A. and Liu, X.-J. (2025), Motion–Force Interaction Performance of Parallel Robotic Mechanisms. SmartBot e12006. https://doi.org/10.1002/smb2.12006
作者简介
刘辛军
清华大学长聘教授、博士生导师，国家高层次人才。现任国际机构学与机器科学联合会(IFToMM)中国委员会主席、中国机械工程学会第十二届理事会理事、变革性高端制造装备与技术北京市重点实验室主任、清华大学机械工程系设计工程研究所所长。主要从事机器人与机构学、先进与智能制造装备等领域的科研工作。发表论文200余篇，2014-2023连续十年入选爱思唯尔中国高被引学者榜单，授权发明专利100余件，获得国家自然科学二等奖、中国机械工业科学技术发明一等奖、北京市科学技术发明一等奖、教育部自然科学奖二等奖等。兼任机械工程学会机器人分会副主任、自动化学会共融机器人专业委员会副主任、Mechanism and Machine Theory和ASME Journal of Mechanical Design副主编、《机械工程学报》英文版编委、《机器人》编委等。
Andres Kecskemethy
德国杜伊斯堡-埃森大学教授，国际机构学与机器科学联合会(IFToMM)主席。曾任杜伊斯堡-埃森大学工程学院院长、Mechanism and Machine Theory期刊主编(2004-2015)。长期从事多体系统运动学与动力学、生物力学和机器人等领域研究工作。
孟齐志
博士，德国洪堡学者、日本JSPS研究员、清华大学水木学者。研究方向为高性能并联机器人与可折展、变形态机构设计与应用。研究成果获北京市优秀博士学位论文、中国机械工业科学技术发明一等奖、北京市科学技术发明一等奖等，担任IFToMM Young Faculty Group和Technical Committee for Linkages and Mechanical Controls委员、SmartBot青年编委等。
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