3-prrs型微动并联机构工作空间分析及结构优化

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1、万方数据234机械设计与制造MachineryDesign＆Manufacture第10期2012年10月文章编号：1001—3997(2012)10—0234—033-PRRS型微动并联机构工作空间分析及结构优化邱冰静程刚顾伟于敬利(中国矿业大学机电工程学院，徐州221116)WorkspaceAnalysisandStructureOptimizationof3-PRRSParallelManipulatorQIUBing-jing，CHENGGang，GUWei，YUJing-li(CollegeofMechanical&Electric

2、alEngineering，ChinaUniversityofMining&Technology，Xuzhou221116，China)嚏”’"M”1qp’^t十’舯叶、t4～4㈣M4—d"1d”"to¨^娜⋯l^+4，”q"州$十'^^1谭^_q^～一§4’q¨qqp’^^，_qp’‘{^■qh’“t4‘～【摘要】微动机器人在生物工程和光学工程等领域有着广泛的应用前景。针对国内各种微动机j器人结构复杂、不易控制等问题，提出了一种新型6自由度3-PRRS局部解耦柔性微动并联机构。通过建立恰当的坐标系，依据欧拉变换的思想求出机构的位姿逆解，并在逆

3、运动学方程的基础上通过Mat-lab三维边界搜索法仿真出不同姿态下的工作空间，工作范围可达微米级。矿A．．T--作空间的大小作为优化目标，运用单元素法对影响工作空间的结构参数进行分析，结果表明与主动转动副相连的支链长度的变化对工作空问的影响更大，与从动支链的变化相比，峰值可以提升33％，且当下平台与上平台外接圆半径之比为1．7时微动机构的工作空间最大。关键词：柔性微动并联机构；位姿逆解；三维边界搜索法；工作空间；单元素法【Abstract】Micto-actuatorhasawideapplicationprospectinbioenginee

4、ringandopticalengineering．Aimingattheproblemofcomplicatedstructureanduneasycontrol,acategoryofpartiallydecoupled6de——greesoffreedom3一PRRSmanipulatorisproposed．Theequationofinversekinematicswasestablished中图分类号：THl6；TP273文献标识码：A1引言近年来面向生物工程、医学．]：程及微加工领域的微操作机器人受到国内外学术界和工程界的广泛关注

5、，发展速度极快，已被应用于实现细胞的注射分割，微机电产品和装配以及微外科手术等∽J。微动机器人具有无摩擦、无间隙、响应快、结构紧凑、误差积累小等优点，以柔性铰链代替传统铰链后并联机构就正好具备以上特点适合用作微动机器人。由于在相同整体尺寸下相比串联机构，并联机构的T作空问相对较小，因此如何优化结构尺寸以期得到更大的工作空间对柔性并联机构的应用有着重要的基础性作用。从上世纽60年代至今，国内外学者q蝴究并提出了多种不同结构的微动机器人，并基于一般机器人理论，提出了相关理论并对微动并联机构进行了初步的研究。然而目前柔性微动并联机构的种类很少，缺少理

6、想的运动解耦机构，且大多数的微操作机构的自由度少于6，不能满足一些情况下机构运动的需要。提出一种新型的结构简单可用于精密运动的3-PRRS柔性微动机构，具有一定的运动解耦性，有便于控制的优点。针对此微动机构建立其三维模型，在分析其结构特点的基础上建立位置方程，然后通过Matlab软件运用边界搜索法对其T作空间进行数值仿真，并通过单元素法分析出结构参数对工作空间的影响关系图。2机构模型(MechanicalModel)提出一种三支链的六自由度柔性并联机构，机构的三维结构模型，如图l(a)所示。机构包括上平台、下平台以及连接两平台的三条支链，每个支

7、链包括一个移动副(P)、两个转动副(月)、一个球副(Js)以及三个连杆，且通过移动剐与下平台相连，通过球副与上平台相连，通过给予驱动每个支链底端的移动副和转动副得到上平台的运动输出。本机构中，三个移动副的输入用于控制上平台的一个移动自由度和两个转动自由度，三个转动副的输入用于控制上平台的两个移动自由度和一个转动自由度。★来稿日期：201l-12—30★基会项目：国家自然科学基金资助项目(50905180)万方数据第10期邱冰静等：3-PRRS型微动并联机构．X-作空间分析及结构优化2353-PRRS微动}f：联机器人机构的等效拓扑结构简图，如同

8、l(I，)所永l：下甲白的顶点构成的均为化：伯形．其外接网半径分别记为r、尺一建莎琏一胯标系0一Yrz柏：下、}，台I：．啦标系。一』Kf口丁ji平台