基于螺旋理论的转动解耦并联机构型综合_曾达幸

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

SCIENCE CHINA PRESS

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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.

关键词 并联机构 螺旋理论 转动解耦 型综合

并联机构与串联机构在结构和性能特点上呈对偶关系, 故其在诸多领域得到独特应用. 作为并联机构的重要分支, 转动并联机构在诸如机器人[1]、照相机[2]、医疗器械[3]、目标追踪[4]等需空间定向领域应用广泛, 得到国际众多学者的关注. Gosselin和Angeles分析了球面三自由度并联机构运动学, 并提出3条设计准则, 即对称、工作空间最大化和各向同性[5]. Sylvie等人[6]讨论了具有冗余驱动的球面并联机构运动学优化设计问题. 基于螺旋理论, Kong和Gosselin[7]以及Fang和Tsai[8]分别对球面并联机构和4、5自由度过约束并联机构进行了型综合. 黄真等人建立了系统的约束螺旋综合理论体系, 对3-5自由度

构具有不同于串联机构的特殊性质, 比如承载能力强、累积误差小、刚度大等; 也正是强耦合性使得并联机构的构型设计、分析计算、机构装配及控制系统的开发等存在很大的难度[20, 21], 一定程度上影响了其应用范围和使用效果. 而若并联机构可实现运动解耦, 即机构运动传递矩阵为非奇异对角矩阵或三角矩阵, 则其刚度和承载能力等仍然优于串联机构, 且较耦合并联机构理论分析简洁、工作空间更大、各向同性良好、装配便捷、控制容易, 可达更高的运动精度[22].

解耦并联机构的研究是当前机构学领域的热点Gogu[24]以及Xie等人[25]之一. Marco和Vincenzo[23]、

均对其进行了探讨, 先后提出U-PUR-PRRU机构(U表示虎克铰, P表示移动副, R表示转动副)以及RR- PRRRR和RR-PRPRR机构等两自由度转动解耦机构. 然而, 综合完全解耦的转动并联机构还是比较困难, 目前可实现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.

对称并联机构进行了全面的综合, 得到三移一转四自由度对称4-URU机构[9], 并得到可实现连续运动的具有3个转动和2个移动5自由度的对称结构并联机构, 系统地综合出这类机构共30种, 证实了这类对称五自由度机构的存在[10~13]. 还有一些学者分别提出不同种类的转动并联机构并进行了相关分析[14~19].

强耦合性是并联机构的突出特点, 其使并联机

英文版发表信息: Zeng D X, Huang Z. Type synthesis of the rotational decoupled parallel mechanism based on screw theory. Sci China Tech Sci, 2011, 54: 998

1004, doi: 10.1007/s11431-010-4239-2

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