3sps＋1ps髋关节并联仿生试验系统工作空间优化

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1、第49卷第23期机械工程学报Vl01．49NO．232013年l2月JOIRNAI，OFMECHANICALENGINEERINGDec．2O13DoI：lO．3901／JME．2013．23．0883SPS+IPS髋关节并联仿生试验系统工作空间优化水程刚于敬利袁欣庞宇松2徐鹏(1．中国矿业大学机电工程学院徐州221116；2．代尔夫特工业大学机械、海事及材料工程学院代尔夫特2628CD荷兰)摘要：为使人工髋关节试验系统具有仿生模拟人体髋关节运动特性的能力，不但要使其能模拟髋关节各种运动形式，而且其运动输出空间应完全覆盖实际

2、人体髋关节的运动范围，这也使得对其运动空间进行深入分析成为必要。针对作为髋关节并联仿生试验系统核心运动模块的3SPS+IPS并联机构，利用四元数法建立其逆／正解运动学模型，基于动平台三点构造法构建了3SPS+IPS并联机构的量纲统一速度Jacobian矩阵，分别比较了该矩阵条件数在不同运动空间及结构参数下的取值变化情况，得到条件数平均值与机构定、动平台上球副中心连线长度比值、球副许用转角及动平台中心位置高度等参数之间关系，优化了机构结构参数，进而得到了运动性能良好的运动空间区域。髋关节并联仿生试验系统运动空间的研究对其运动路

3、径规划、动态特性分析及控制系统设计具有重要的意义。关键词：3SPS+IPS并联机构仿生试验系统四元数运动空间优化中图分类号：TH112TP242StudyonWorkspaceOptimizationof3SPS+lPSParallelHipJointSimulatorCHENGGangYUJingliYUANXinPANGYusongXUPeng(1．CollegeofMechanical&ElectricalEngineering，ChinaUniversityofMining＆Technology,Xuzhou2211

4、16；2．FacultyMechanical，MaritimeandMaterialsEngineering，DelftUniversityofTechnology,Delft2628CD，Netherlands)Abstract：Inordertoevaluatekinematicsperformanceofanartificialhipjoint，anovelhipjointsimulatorhasbeenproposed，andtheworkspaceanalysisisnecessarytoensurethecapa

5、cityofsimulatingvariousactivitiesandtheirmotionrangesindailyhumanlife．Comparingwiththecurrentsimulatorsestablishedbysomeserialmanipulators，3SPS+IPSparallelmanipulatorisdesignedasthekeycomponentofthehipjointsimulator．BasedonQuaternionmethod，theformulaeforsolvingthei

6、nverse／forwardkinematicsequationsarederived．ThehomogeneousvelocityJacobianmatrixof3SPS+IPSparallelmanipulatorhasbeenestablishedbyconstructingthreerelatedpointsonmovingplatform．Comparingtheconditionnumbervariationsindifferentworkspaceareasandstructureparametersrespe

7、ctively，thestructureparametersofthemanipulatorareoptimizedbyanalyzingtherelationshipsamongthemeanvaluesoftheconditionnumberandthedesignsizeratioofbaseandmovingplatform，theallowableanglesofsphericaljoints，thecentralheightofmovingplatformareobtained．Furthermore，thesu

8、itableworkspacetomeetwiththebionicessentialityofthehipjointhasbeenobtained．Theworkspaceoptimizationprovidedhasgreatsignificancefortrajectoryplann