王紅州，王楠楠，陳潤六，鄒曉暉

（1.江西省機(jī)械科學(xué)研究所，江西南昌330002；2.大連吉田拉鏈有限公司，遼寧大連116600）

新產(chǎn)品開發(fā)

3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)的新型驅(qū)動(dòng)方式

王紅州1，王楠楠2，陳潤六1，鄒曉暉1

（1.江西省機(jī)械科學(xué)研究所，江西南昌330002；2.大連吉田拉鏈有限公司，遼寧大連116600）

采用3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)上一個(gè)點(diǎn)作為機(jī)構(gòu)的動(dòng)力輸入，實(shí)現(xiàn)了與三個(gè)移動(dòng)副作為主動(dòng)件的3-RPS機(jī)構(gòu)一樣的運(yùn)動(dòng)功能。這種新型驅(qū)動(dòng)方式可實(shí)現(xiàn)一個(gè)三平動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為運(yùn)動(dòng)輸入多個(gè)3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)同步運(yùn)動(dòng)輸出的功能，這個(gè)功能恰好應(yīng)用在動(dòng)感影院的特效座椅設(shè)備上，可以有效降低此類動(dòng)感座椅設(shè)備的成本。

并聯(lián)機(jī)構(gòu)；動(dòng)感座椅；同步運(yùn)動(dòng)

1983年Hunt提出了3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)，這種空間結(jié)構(gòu)引起了國際上眾多學(xué)者的關(guān)注與研究[1]。Tsai對3-RPS機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析[2]，Lee將3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)應(yīng)用在機(jī)器人的主臂和手腕上[3]，Peundsehuh研究了一種基于3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)的氣動(dòng)手腕[4]，Waldrom和Roth設(shè)計(jì)了一種基于3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)的ARTISAN手腕[5]，黃真研究了3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)性質(zhì)[6]，安梓銘研究了基于3-RPS型并聯(lián)機(jī)器人的模糊PID控制[7]，霍電輝設(shè)計(jì)了一種新型三自由度動(dòng)感模擬平臺(tái)[8]。王旭明研究了3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)在動(dòng)感影院特效座椅設(shè)備上的應(yīng)用[9]。一般3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)的在工程上的應(yīng)用都是將三條RPS支鏈中的P副作為主動(dòng)運(yùn)動(dòng)副來實(shí)現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)的。

2014年，王紅州發(fā)明了一種三平動(dòng)運(yùn)動(dòng)輸入多重3-RPS機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)輸出的動(dòng)感座椅設(shè)備[10]，該動(dòng)感座椅設(shè)備的座椅安裝在3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)上，驅(qū)動(dòng)裝置采用了一個(gè)三平動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)。江西省機(jī)械科學(xué)研究所與上海嬴浩機(jī)電設(shè)備有限公司聯(lián)合開發(fā)成功了這種新型的動(dòng)感座椅設(shè)備。此設(shè)備由安裝座椅的動(dòng)平臺(tái)上的一個(gè)點(diǎn)的空間運(yùn)動(dòng)作為動(dòng)力輸入，實(shí)現(xiàn)3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)的兩轉(zhuǎn)一移的運(yùn)動(dòng)輸出。本文從結(jié)構(gòu)方面分析了這種形式的可行性。

1 3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)及其常規(guī)驅(qū)動(dòng)方式

一般來說，3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)由3條RPS支鏈聯(lián)接動(dòng)靜平臺(tái)構(gòu)成，3條支鏈上的移動(dòng)副為機(jī)構(gòu)的主動(dòng)副，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)平臺(tái)兩轉(zhuǎn)一移的空間三自由度運(yùn)動(dòng)。如圖1所示，3-RPS可看成由機(jī)架、動(dòng)平臺(tái)及3個(gè)直線驅(qū)動(dòng)器組成。第一直線驅(qū)動(dòng)器一端通過第一轉(zhuǎn)動(dòng)副與機(jī)架聯(lián)接，另一端通過第一球面副與動(dòng)平臺(tái)聯(lián)接。第二直線驅(qū)動(dòng)器一端通過第二轉(zhuǎn)動(dòng)副與機(jī)架聯(lián)接，另一端通過第二球面副與動(dòng)平臺(tái)聯(lián)接。第三直線驅(qū)動(dòng)器一端通過第三轉(zhuǎn)動(dòng)副與機(jī)架聯(lián)接，另一端通過第三球面副與動(dòng)平臺(tái)聯(lián)接。3個(gè)直線驅(qū)動(dòng)器配合運(yùn)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)動(dòng)平臺(tái)兩轉(zhuǎn)一移的空間三自由度運(yùn)動(dòng)。

圖1 3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)

如圖1所示，3-RPS可看成由機(jī)架、動(dòng)平臺(tái)及3個(gè)直線驅(qū)動(dòng)器組成。第一直線驅(qū)動(dòng)器一端通過第一轉(zhuǎn)動(dòng)副與機(jī)架聯(lián)接，另一端通過第一球面副與動(dòng)平臺(tái)聯(lián)接。第二直線驅(qū)動(dòng)器一端通過第二轉(zhuǎn)動(dòng)副與機(jī)架聯(lián)接，另一端通過第二球面副與動(dòng)平臺(tái)聯(lián)接。第三直線驅(qū)動(dòng)器一端通過第三轉(zhuǎn)動(dòng)副與機(jī)架聯(lián)接，另一端通過第三球面副與動(dòng)平臺(tái)聯(lián)接。3個(gè)直線驅(qū)動(dòng)器配合運(yùn)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)動(dòng)平臺(tái)兩轉(zhuǎn)一移的空間三自由度運(yùn)動(dòng)。

2 3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)及其新型驅(qū)動(dòng)方式

本文分析了一種3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)的新型驅(qū)動(dòng)方式，采用控制動(dòng)平臺(tái)上一個(gè)點(diǎn)在空間上的位置來實(shí)現(xiàn)動(dòng)平臺(tái)兩轉(zhuǎn)一移的運(yùn)動(dòng)。將常規(guī)3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)的直線驅(qū)動(dòng)器換成伸縮桿并在動(dòng)平臺(tái)上選取驅(qū)動(dòng)點(diǎn)即可采用新型驅(qū)動(dòng)方式來實(shí)現(xiàn)該機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)兩轉(zhuǎn)一移的空間三自由度運(yùn)動(dòng)。如圖2所示，采用新型驅(qū)動(dòng)方式的3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)由機(jī)架、動(dòng)平臺(tái)及3個(gè)伸縮桿組成。第一伸縮桿一端通過第一轉(zhuǎn)動(dòng)副與機(jī)架聯(lián)接，另一端通過第一球面副與動(dòng)平臺(tái)聯(lián)接。第二伸縮桿一端通過第二轉(zhuǎn)動(dòng)副與機(jī)架聯(lián)接，另一端通過第二球面副與動(dòng)平臺(tái)聯(lián)接。第三伸縮桿一端通過第三轉(zhuǎn)動(dòng)副與機(jī)架聯(lián)接，另一端通過第三球面副與動(dòng)平臺(tái)聯(lián)接。通過控制動(dòng)平臺(tái)上驅(qū)動(dòng)點(diǎn)在空間的位置可實(shí)現(xiàn)動(dòng)平臺(tái)兩轉(zhuǎn)一移的運(yùn)動(dòng)。其原理為：在3條RPS支鏈的約束下動(dòng)平臺(tái)只能實(shí)現(xiàn)空間兩轉(zhuǎn)一移的三自由度運(yùn)動(dòng)，而動(dòng)平臺(tái)的位姿和驅(qū)動(dòng)點(diǎn)在空間上的位置是一一對應(yīng)的關(guān)系，即通過控制驅(qū)動(dòng)點(diǎn)在空間的位置可實(shí)現(xiàn)動(dòng)平臺(tái)的位姿，因此可通過控制驅(qū)動(dòng)點(diǎn)的方式來實(shí)現(xiàn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)。

圖2 3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)新型驅(qū)動(dòng)方式

3 3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)新型驅(qū)動(dòng)方式的實(shí)現(xiàn)方法

雖然控制3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)上驅(qū)動(dòng)點(diǎn)的空間位置就可以實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)三自由度的運(yùn)動(dòng)，但實(shí)際上常規(guī)的驅(qū)動(dòng)方式是不能直接實(shí)現(xiàn)點(diǎn)的三維運(yùn)動(dòng)控制的。本文采用了一種三平動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)（3-PR（4R）R構(gòu)型）作為實(shí)現(xiàn)控制驅(qū)動(dòng)點(diǎn)三維運(yùn)動(dòng)的載體。

如圖3所示PR（4R）R支鏈由滑塊、第一轉(zhuǎn)軸、第一連桿、第二連桿及第二轉(zhuǎn)軸組成?；瑝K通過第一轉(zhuǎn)動(dòng)副與第一轉(zhuǎn)軸聯(lián)接，第一轉(zhuǎn)軸通過第二轉(zhuǎn)動(dòng)副、第三轉(zhuǎn)動(dòng)副分別與第一連桿、第二連桿聯(lián)接，第二轉(zhuǎn)軸通過第四轉(zhuǎn)動(dòng)副、第五轉(zhuǎn)動(dòng)副分別與第一連桿、第二連桿聯(lián)接。

圖3 PR（4R）R支鏈

如圖4所示，3-PR（4R）R并聯(lián)機(jī)構(gòu)由機(jī)架、第一支鏈、第二支鏈、第三支鏈及平動(dòng)臺(tái)組成。第一支鏈一端通過第一移動(dòng)副與機(jī)架聯(lián)接，另一端通過第六轉(zhuǎn)動(dòng)副與平動(dòng)臺(tái)聯(lián)接。第二支鏈一端通過第二移動(dòng)副與機(jī)架聯(lián)接，另一端通過第七轉(zhuǎn)動(dòng)副與平動(dòng)臺(tái)聯(lián)接。第三支鏈一端通過第三移動(dòng)副與機(jī)架聯(lián)接，另一端通過第八轉(zhuǎn)動(dòng)副與平動(dòng)臺(tái)聯(lián)接。

圖4 3-PR（4R）R并聯(lián)機(jī)構(gòu)

3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)上的驅(qū)動(dòng)點(diǎn)通過球面副與3-PR（4R）R并聯(lián)機(jī)構(gòu)的平動(dòng)臺(tái)聯(lián)接，因平動(dòng)臺(tái)為平動(dòng)運(yùn)動(dòng)，故可用一個(gè)平動(dòng)臺(tái)驅(qū)動(dòng)多個(gè)尺寸及位姿相同的3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)完全相同的運(yùn)動(dòng)輸出，圖5所示為平動(dòng)臺(tái)同時(shí)驅(qū)動(dòng)3套3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的情況。由此可見采用平動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的一個(gè)優(yōu)勢是可實(shí)現(xiàn)一套運(yùn)動(dòng)輸入多套運(yùn)動(dòng)同步輸出的功能。

圖5 三平動(dòng)輸入3-RPS機(jī)構(gòu)輸出的機(jī)構(gòu)

4結(jié)束語

本文介紹了一種3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)的新型驅(qū)動(dòng)方式，采用這種驅(qū)動(dòng)方式可以實(shí)現(xiàn)1套平動(dòng)輸入多套3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)同步輸出的功能。若將此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到動(dòng)感影院特效座椅設(shè)備上，可實(shí)現(xiàn)1套平動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為動(dòng)力輸入，多套3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)座椅同步聯(lián)動(dòng)的功能，可有效降低原有設(shè)備的成本。

[1]仲明.改進(jìn)型3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.

[2]Tsai L W．Direct kinematic analysis of a 3-RPS parallel ma nipulator[J].Mechanical and Machine Theory，2003，38（1）：71-83.

[3]K.M.Lee，et al.A new Robot Arm Design[J].IEEE Journal of Robotics and Automatization，1988，4（3）：304-306.

[4]G.H.Pfreundsehuh，et al.A New Pneumatic Wrist Design[J]. IEEE Journal of Robotics and Automatization，1991，6（5）：1659-1664.

[5]K.S.Waldron，et al.Analysis and Application of a Three Degree of Freedom In-ParallelMechanism[J].ASMEJournal of Dynamic System Measurement and Control，1989，111（2）：211-221.

[6]方躍法，黃真.三自由度3-RPS并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2013，16（1）：82-88.

[7]安梓銘，朱大昌，李雅瓊，等.基于3-RPS型并聯(lián)機(jī)器人模糊PID控制研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2014，36（8）：15-18.

[8]霍電輝.新型三自由度動(dòng)感模擬平臺(tái)的研發(fā)[D].太原：太原科技大學(xué)機(jī)械電子工程，2013.

[9]王旭明.動(dòng)感影院系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[D].武漢：華中科技大學(xué)，2013.

[10]王紅州.三平動(dòng)輸入多重3-RPS機(jī)構(gòu)輸出的4D特效座椅[P].中國：ZL201410319373.5，2016-01-20.

The New Drive Method of3-RPS ParallelMechanism

WANG Hong-zhou1，WANG Nan-nan2，CHEN Run-liu1，ZOU Xiao-hui1
（1.JiangxiMechanical Scientific Institute，Nanchang Jiangxi 330002，China；2.Dalian Jitian Limited Company，Dalian Liaoning 116600，China）

Use a point ofmoving platform of 3-RPS parallelmechanism as input power，it can achieved themove function of 3-RPS parallelmachanism that use three sliding pairs as input power.This new type of drive method make the function of using a three translation parallel manipulator as input power and multiple 3-RPS parallel mechanism as outputmotions a reality，and this special function can be applied in themoving platform，and italso can reduce the cost of this type of device.

parallelmechanism；moving platform；synchronousmotion

TH 112

A

1672-545X（2016）12-0137-03

2016-09-14

江西省科技支撐重點(diǎn)項(xiàng)目（20151BBE50125）

王紅州（1986-），男，河北邯鄲人，碩士，助理工程師，研究方向：機(jī)器人與并聯(lián)機(jī)構(gòu)。