山西中北大學(xué)　張斌

3-PUPU并聯(lián)機(jī)器人研究現(xiàn)狀及未來憧憬

山西中北大學(xué)張斌

近年來，隨著對(duì)微控理論和微動(dòng)平臺(tái)研究的不斷深入，各種針對(duì)性強(qiáng)、工作性能突出的專業(yè)機(jī)構(gòu)如雨后春筍般不斷涌現(xiàn)。3-PUPU并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為其中之一，由于其工作范圍大、微調(diào)性能好、保險(xiǎn)系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，逐漸走進(jìn)研究人員的視野。其運(yùn)動(dòng)模型也可以通過具有大工作范圍柔性鉸鏈的剛性模型和矢量環(huán)方程來建立［1］。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，還可以實(shí)現(xiàn)其工作空間大、運(yùn)動(dòng)性能好等優(yōu)勢(shì)的強(qiáng)勢(shì)結(jié)合。

微動(dòng)平臺(tái)；工作空間；優(yōu)化設(shè)計(jì)；運(yùn)動(dòng)性能

1　引言

并聯(lián)機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)剛度大，承載能力高，動(dòng)力響應(yīng)快，結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)［2］。因而，其在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用前景極為廣闊，現(xiàn)已作為機(jī)構(gòu)學(xué)的一個(gè)獨(dú)立分支，進(jìn)行專項(xiàng)研究。伴隨著工業(yè)化進(jìn)程腳步的加快，靈活度高、專項(xiàng)性能突出、制作簡(jiǎn)便、應(yīng)用性能強(qiáng)的并聯(lián)微動(dòng)平臺(tái)得到了前所未有的發(fā)展契機(jī)。Stewart平臺(tái)作為其中最具代表性的結(jié)構(gòu)一直受到多方學(xué)者的研究學(xué)習(xí)及再開發(fā)。

3-PUPU并聯(lián)機(jī)構(gòu)就是在Stewart工作平臺(tái)基礎(chǔ)上，針對(duì)具體工況要求，研究開發(fā)而產(chǎn)生的新構(gòu)型。該構(gòu)型由兩級(jí)驅(qū)動(dòng)完成綜合運(yùn)動(dòng)，第一級(jí)線性驅(qū)動(dòng)部分負(fù)責(zé)大范圍長(zhǎng)距離的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)移，二級(jí)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)微動(dòng)控制。這樣既能實(shí)現(xiàn)較高的運(yùn)動(dòng)效率，又能兼顧較精確的工作終端運(yùn)動(dòng)線路，達(dá)到精確與高效相結(jié)合。在精密工程很多應(yīng)用都需要仔細(xì)隔離振動(dòng)源的儀器，本構(gòu)型采用主動(dòng)隔振系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了非常低的剩余振動(dòng)水平，尤其是對(duì)于頻率非常低的10赫茲的振動(dòng)信號(hào)［3］。該機(jī)構(gòu)針對(duì)此種工況，被設(shè)計(jì)為一種宏/微混合機(jī)器人。

2　結(jié)構(gòu)分析

3-PUPU機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示。它是由前期驅(qū)動(dòng)線性導(dǎo)軌，兩級(jí)大范圍柔性鉸鏈，微調(diào)線性導(dǎo)軌組合而成。通過兩級(jí)驅(qū)動(dòng)的相互配合來完成移動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)既定運(yùn)動(dòng)的任務(wù)。第一級(jí)驅(qū)動(dòng)通過三個(gè)移動(dòng)副與機(jī)架相連，主要實(shí)現(xiàn)的是大范圍快速移動(dòng)。通過萬(wàn)向鉸與二級(jí)驅(qū)動(dòng)部件連接，二級(jí)驅(qū)動(dòng)部件主要實(shí)現(xiàn)微動(dòng)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行精確控制，因而其驅(qū)動(dòng)功率及承載能力會(huì)有所限制。最終通過三個(gè)大范圍柔性鉸與工作平臺(tái)相連。既減少了剛性沖擊造成的震動(dòng)對(duì)機(jī)構(gòu)的影響，又能保證驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)工作終端的精準(zhǔn)控制，還能兼顧工作平臺(tái)的工作空間，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)勢(shì)方面的多點(diǎn)融合，保證了該構(gòu)型的優(yōu)勢(shì)競(jìng)爭(zhēng)力。

圖1　3-PUPU機(jī)構(gòu)的實(shí)例圖

圖2　3-PUPU機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖

3　優(yōu)缺點(diǎn)分析

3-PUPU并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為一個(gè)相對(duì)來說針對(duì)性較強(qiáng)的構(gòu)型，有其獨(dú)特的性質(zhì)，當(dāng)然也有其應(yīng)用范圍的限制。首先，我們了解一下它的優(yōu)點(diǎn)。

（1）安全系數(shù)高。3-PUPU機(jī)構(gòu)是一個(gè)二級(jí)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，這就給了它較高的安全系數(shù)，在某一級(jí)驅(qū)動(dòng)發(fā)生故障時(shí)，其在一定范圍內(nèi)仍有一定的工作能力，從而能繼續(xù)完成部分任務(wù)。

（2）運(yùn)動(dòng)效率高。兩級(jí)驅(qū)動(dòng)各司其職，既有快速移動(dòng)驅(qū)動(dòng)，又有精準(zhǔn)微動(dòng)驅(qū)動(dòng)，能根據(jù)不同的工況做出相應(yīng)的調(diào)整，保證了時(shí)間的節(jié)約和工作性能達(dá)標(biāo)的兼容。

（3）精確度好。伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，能做到令行禁止。通過微調(diào)驅(qū)動(dòng)的精準(zhǔn)輸出實(shí)現(xiàn)工作平臺(tái)的相應(yīng)運(yùn)動(dòng)，保證了其較高的精確度。

下面我們介紹一下其受限情況。

（1）機(jī)構(gòu)尺寸限制。由于運(yùn)動(dòng)鏈驅(qū)動(dòng)多，二級(jí)精準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)精確性要求較高，現(xiàn)階段零件材料性能受限，本構(gòu)型尺寸不宜過大否則可能會(huì)由于重力重心等原因?qū)е聢?zhí)行終端穩(wěn)定性減弱，實(shí)際執(zhí)行端與設(shè)計(jì)執(zhí)行端不重合等現(xiàn)象，從而影響其應(yīng)用性能

（2）工作功率受限。由于伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率，構(gòu)型尺寸結(jié)構(gòu)等方面的限制，此構(gòu)型不適用于承載較大的工作場(chǎng)合。

4　前景展望

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，材料科學(xué)的不斷發(fā)展，材料性能和零件加工精度的提升，伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率也將得到大幅提升，此機(jī)構(gòu)的承載能力和結(jié)構(gòu)尺寸必將取得喜人的改進(jìn)成果，因而其應(yīng)用領(lǐng)域也將進(jìn)一步擴(kuò)大。同時(shí)，由于其效率與工作性能兼顧，工作空間大等優(yōu)勢(shì)，其前景必將更為廣闊。

［1］Yun，Y（Yun，Yuan）［1］；Li，YM（Li，Yangmin）［1］.Optimaldesignofa 3-PUPUparallelrobotwithcompliant hinges for micromanipulation in a cubic workspace［J］.ROBOTICS AND COMPUTER-INTEGRATEDMANUFACTURING，2011.

［2］車林仙.3-PSS/S三轉(zhuǎn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的位置分析［J］.機(jī)械傳動(dòng)，2008，32 （3）：15-18.

［3］Yun，Y（Yun，Y.）［1］Li，Y（Li，Y.）［1，2］. ModelingandControlAnalysiso a3-PUPUDualCompliantParalle ManipulatorforMicroPositioningand Active Vibration Isolation［J］.JOURNAL OF DYNAMIC SYSTEMS MEASUREMENT ANDCONTROL-TRANSACTIONS OF THE ASME，2012.