并联机构综合

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1、中国科学:技术科学2011年第41卷第5期:585~591《中国科学》杂志社www.scichina.comtech.scichina.comSCIENCECHINAPRESS论文基于螺旋理论的转动解耦并联机构型综合*曾达幸,黄真燕山大学机械工程学院,秦皇岛066004*E-mail:dx_zeng@ysu.edu.cn收稿日期:2010-04-08;接受日期:2010-11-26国家自然科学基金(批准号:50875227,51005195)资助项目摘要随着并联机构研究的逐步深入,其内部耦合性的存在给其理论分析和实际应用所带来关

2、键词的困难愈发凸显.而作为在空间定向领域已获广泛应用的转动并联机构,目前绝大多数并不解并联机构螺旋理论耦.基于螺旋理论,通过分析转动并联机构自由度与分支自由度间关系,确定了并联机构转动条转动解耦件;由分支运动螺旋系建立了分支型综合准则,保证了分支中转动的解耦;提出了输入运动副选型综合择原则,形成了转动解耦并联机构型综合方法,并依此对转动解耦并联机构进行了综合.并联机构与串联机构在结构和性能特点上呈对构具有不同于串联机构的特殊性质,比如承载能力偶关系,故其在诸多领域得到独特应用.作为并联机强、累积误差小、刚度大等;也正是强耦合性使

3、得并[1]构的重要分支,转动并联机构在诸如机器人、照相联机构的构型设计、分析计算、机构装配及控制系统[2][3][4][20,21]机、医疗器械、目标追踪等需空间定向领域应的开发等存在很大的难度,一定程度上影响了用广泛,得到国际众多学者的关注.Gosselin和其应用范围和使用效果.而若并联机构可实现运动Angeles分析了球面三自由度并联机构运动学,并提解耦,即机构运动传递矩阵为非奇异对角矩阵或三出3条设计准则,即对称、工作空间最大化和各向同角矩阵,则其刚度和承载能力等仍然优于串联机构,[5][6]性.Sylvie等人讨论了具

4、有冗余驱动的球面并联且较耦合并联机构理论分析简洁、工作空间更大、各机构运动学优化设计问题.基于螺旋理论,Kong和向同性良好、装配便捷、控制容易,可达更高的运动[7][8][22]Gosselin以及Fang和Tsai分别对球面并联机构和精度.4、5自由度过约束并联机构进行了型综合.黄真等人解耦并联机构的研究是当前机构学领域的热点[23][24][25]建立了系统的约束螺旋综合理论体系,对3-5自由度之一.Marco和Vincenzo、Gogu以及Xie等人对称并联机构进行了全面的综合,得到三移一转四自均对其进行了探讨,先后提出

5、U-PUR-PRRU机构(U[9]由度对称4-URU机构,并得到可实现连续运动的具表示虎克铰,P表示移动副,R表示转动副)以及RR-有3个转动和2个移动5自由度的对称结构并联机构,PRRRR和RR-PRPRR机构等两自由度转动解耦机构.系统地综合出这类机构共30种,证实了这类对称五自然而,综合完全解耦的转动并联机构还是比较困难,[10~13]由度机构的存在.还有一些学者分别提出不同种目前可实现转动解耦的并联机构数量仍很有限,且[14~19]类的转动并联机构并进行了相关分析.多数是研究者凭借个人经验综合所得,不具有普遍强耦合性是并

6、联机构的突出特点,其使并联机理论指导意义.英文版发表信息:ZengDX,HuangZ.Typesynthesisoftherotationaldecoupledparallelmechanismbasedonscrewtheory.SciChinaTechSci,2011,54:9981004,doi:10.1007/s11431-010-4239-2曾达幸等:基于螺旋理论的转动解耦并联机构型综合为此,本文将基于螺旋理论,建立约束螺旋型综(4)式表明,分支约束螺旋系为机构约束螺旋系的子合方法的数学模型,根据运动综合法思想,揭示

7、分支集,机构约束螺旋系为所有分支约束螺旋系的并集,运动和机构动平台运动之间的关系,进而提出转动而机构运动螺旋系则为所有分支运动螺旋系的交集.解耦并联机构的机型综合方法,并依此方法对转动解耦并联机构进行综合,从而为具有自主知识产权2转动解耦并联机构型综合方法的并联机构新机型的开发提供参考和借鉴.2.1机构转动自由度实现条件1约束螺旋综合原理的数学描述由于并联机构动平台与每个分支均相连,因此,其所能实现的运动是全部分支所能实现运动的交集,根据螺旋理论,假设机构所期待的自由度为这即是运动综合法的基本思想.这一表述对于并联M(w,p)(

8、其中w表示机构所要求的自由度数目,p表机构动平台所能实现的移动自由度而言是正确的,示机构所要求的自由度性质),则由基螺旋构成的机但对于转动并联机构,却并非始终如此.如图1所示mmm构运动螺旋系为{$$$$

9、(,,,)};反之,如果知Mw12的U-URR并联机构