完全解耦3T2R并联机器人构型综合方法

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaJun．252016V01．37No．61983-1991ISSN1000—6893ON11．1929／Vhttp：Hhkxb．buaa．edu．cahkxb@buaa．edu．cn完全解耦3T2R并联机器人构型综合方法秦友蕾1，曹毅1’2’3一，陈海1，葛姝翌1，周辉11．江南大学机械工程学院，无锡2141222．上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室，上海2002403．江南大学江苏省食品先进制造装备技术重点实验室，无锡21

2、4122摘要：针对并联机构内部耦合性带来运动学和动力学分析困难的问题，基于Gr集理论提出一种简单而有效的三移动两转动(3T2R)完全解耦构型综合方法。首先，阐述G，集并联机器人构型理论；其次，根据Gr集的求和运算和转动轴线迁移定理，给出了机构输人运动副选择原则以及解耦支链设计准则；按照完全解耦并联机构设计步骤，列举出了3T2R并联机构各解耦分支运动链，综合出了含有单、双驱动支链的3T2R五自由度完全解耦并联机构，得到了大量新构型；通过所综合出的一种新型并联机构，运用约束螺旋法对机构的自由度数目和运动特性进行

3、分析，根据机构输入与输出参数间关系式，求解得到机构雅可比矩阵，验证了机构的解耦特性，进一步证明了该构型方法的有效性。研究对解耦并联机构的构型设计具有理论指导意义。关键词：并联机构；构型设计；G，集；完全解耦；雅可比矩阵中图分类号：THll2；TP242文献标识码：A文章编号：1000—6893(2016)06—1983—09航空技术的发展对空问技术的要求越来越高，并联机构因其高刚度、高精度、低惯性广泛应用于飞行训练、空间对接过程模拟等装置的动态模拟器[1。2]、风洞试验[3。]和空间探测领域。由于并联机构各

4、驱动单元之间的运动是耦合的，且并联机构输入与输出之间是非线性关系，因此导致并联机构控制复杂，标定困难，同时也制约了机构精度和成本。所以，实现并联机构解耦，以简化并联机构控制和标定，提高机构运动的精度和降低成本，一直是一个富于挑战性的课题拍]。给定期望自由度和类型下的并联机器人构型综合问题已经得到解决¨曲]。但结合特殊运动性能的并联机构型综合问题并没有完善的解决。已有不少国内外学者对于解耦并联机构的设计和分析做了大量工作，Kong和Gosselin[I叩利用几何描述法对2～4自由度解耦并联机构进行了型综合，G

5、ogu[11]基于线性变换的思想研究了解耦并联机构，Glazunov[12

6、、曾达幸和黄真[13

7、、张彦斌等[14删基于螺旋理论对2～4自由度解耦并联机构进行研究；张帆和张丹[1阳基于支链驱动理论对解耦球面转动并联机构进行了型综合。综上所述，目前可实现三移动两转动解耦的并联机构数量仍很有限，且多数是研究者凭借个人经验综合所得，不具有普遍理论指导意义。本文基于G，集理论提出完全解耦并联机构型综合方法，根据该方法完成了3T2R完全解耦收稿日期：2015—06—25；退修日期：2015．07—25；录用日期：20

8、15—08—28；网络出版时间：2015—09-0610：16网络出版地址：WWWcnkinet／kcms／detail／11．1929．V．201509061016004htmI基金项目：国家自然科学基金(50905075)；机械系统与振动国家重点实验室开放课题(MSV201407)；江苏省食品先进制造装备技术重点实验室开放课题(FM．201402)；江苏省普通高校学术学位研究生科研创新计划项目(KYLX一1115)*通讯作者．Tel：0510-85910526E—mail：caoyi@jiangnan．

9、edu．cn}l用撂武t秦友营．曹毅，睬海。等完全解耦3T2R并联机器人构型综合方法LJ]．航空学报．2016，37(6)：1983-1991．QINYL．CAOY，CHENH，eta1．Structuralsynthesismethodoffullydecoupled3陀开parallelroboticmanipulators[JJActaAeronauticaetAs—tronauticaSinica．2016．37(6)：1983—1991．航空学报dun．252016VoI．37No．6并联机器人构

10、型综合设计步骤并综合出具体构型，最后实例验证了其有效性。1G，集理论1．1G，集的基本概念描述机器人末端一般运动特征的集合称之为G，集。G，集由六个元素构成，即GF一(To，T6，Tc；R。，R8，R，)(1)式中：Ti(i—a，b，c)为机器人末端移动特征；R，(．j—a，p，_y)为机器人转动特征。根据移动特征对转动特征的影响将G，集分成两大类¨7

11、：第一类如图1(a)所示，转动中心随移动的变化而变化的G，集