中圖分類號:TH112 DOI:10.16578/j.issn.1004.2539.2025.07.010
0 引言
對于動平臺具有移動輸出特性的三平移(3T)空間并聯(lián)機構(gòu)而言,由于其具有工作空間大、所需驅(qū)動元件少、易于加工制造等優(yōu)點,在水果采集與分揀系統(tǒng)中具有廣泛的理論研究和實際應用價值。
當前,國內(nèi)外學者針對三平移并聯(lián)機構(gòu)的研究已取得一定成果。CLAVEL發(fā)明了著名的Delta并聯(lián)機構(gòu),該機構(gòu)在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應用。楊廷力等[2]I51-162基于單開鏈單元得到了多種新型3T機構(gòu)。TSAI等3對3-UPU并聯(lián)機構(gòu)進行了運動學分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化。李菊等基于方位特征集理論,設(shè)計了一種新型的3T并聯(lián)機構(gòu),對其進行了動力學分析及性能優(yōu)化。ZHU等設(shè)計了一種新型三平移柔性機構(gòu)。MACHO等設(shè)計了一種無浮動移動關(guān)節(jié)、無冗余約束的新型三平移機構(gòu)。ZENG等7-8設(shè)計了一種直線型驅(qū)動的三平移機構(gòu),并對此類機構(gòu)進行了衍生拓展。PRAUSE等針對多種直線驅(qū)動三平移空間機構(gòu),采用數(shù)據(jù)綜合、邊界狀況等方法進行分析比較,并且挑選出性能較好的機構(gòu)。沈惠平等設(shè)計了兩個部分運動解耦的新型三平移并聯(lián)機構(gòu),并對其進行了剛度及工作空間分析。李菊等綜合考慮子工作空間,運用疊加原理,提出一種包含運動位置正解的3T并聯(lián)機構(gòu)。沈惠平等2基于方位特征的并聯(lián)機構(gòu)設(shè)計方法,設(shè)計了一種低耦合度半對稱三平移并聯(lián)機構(gòu)。PAN等[3設(shè)計了一種具有三平移特性的柔順并聯(lián)機構(gòu),并通過分析給出所設(shè)計機構(gòu)的位姿精度及空間平移特性。MENG等[14-15]對Delta-CU并聯(lián)機構(gòu)進行優(yōu)化,并對所設(shè)計機構(gòu)的靈敏度進行了分析。
通過分析上述文獻中空間并聯(lián)機構(gòu)的運動特性可以發(fā)現(xiàn),上述文獻中涉及的三平移并聯(lián)機構(gòu)在平面上進行平移時,平移的形式均為平直移動;在需要沿著曲線方向平移(彎曲平移)時,需要不同維度的平直運動進行繁雜的線性擬合。在完成曲線擬合時,各個驅(qū)動副需要完成復雜的控制算法。
本文綜合運用方位特征(PositionandOrientationCharacteristics,POC)集理論,提出了一種包含平直運動與彎曲平移兩種運動特性的3自由度并聯(lián)機構(gòu)。該機構(gòu)未來能夠應用于工業(yè)領(lǐng)域中的貨物自動分揀、快速避障、農(nóng)業(yè)機械化智能采摘;與只存在平直運動的并聯(lián)機構(gòu)相比,該機構(gòu)的研發(fā)能夠降低機構(gòu)的復雜程度,簡化驅(qū)動副控制的算法。
1并聯(lián)機構(gòu)設(shè)計及其拓撲特性分析
1.1并聯(lián)機構(gòu)的特征描述
本文基于方位特征集理論,提出的三平移空間并聯(lián)機構(gòu)簡圖如圖1所示。
該并聯(lián)機構(gòu)由4部分組成:動平臺1、靜平臺0、支鏈I、混合支鏈 I 。支鏈I與混合支鏈Ⅱ?qū)C構(gòu)的靜平臺與動平臺連接起來。支鏈I由 P11 副、 R12 副、 R13 副、 R14 副組成,且 P11 副、 R12 副、 R13 副、R14 副的軸線保持相互平行。混合支鏈Ⅱ由 P21 副、P22 副、 P31 副、平行四邊形機構(gòu) Pal 、平行四邊形機構(gòu)Pa2 組成, P21 副、 P31 副軸線保持共線關(guān)系,平行四邊形機構(gòu) Pal 與 P21 副保持共面的關(guān)系,且兩者為剛性連接;同理,平行四邊形機構(gòu) Pa2 與 P31 副保持共面的關(guān)系,且兩者為剛性連接; P22 副與 Pal 、 Pa2 保持垂直關(guān)系,且與 Pal 、 Pa2 均為剛性連接。 P11 副、 P21 副以及P31 副始終與靜平臺0相連,且 P11 副與 P21 副、 P31 副保持垂直關(guān)系。 R14 副、 P22 副兩個運動副保持共線的關(guān)系。動平臺1與靜平臺0保持平行的關(guān)系。
1.2并聯(lián)機構(gòu)拓撲特性分析
1.2.1 求解機構(gòu)動平臺POC集
易知,空間并聯(lián)機構(gòu)的POC集方程233-55為
Mpa=?u=1nMbu
式中, Mbu 表示第 u 條支鏈的POC集; mu 為第 u 條支鏈的運動副數(shù); MJi 表示第 i 個運動副的POC集; Mpa 表示動平臺的POC集; n 為支鏈數(shù)。
本文中,“I”表示運動副之間保持平行關(guān)系;“”表示運動副之間保持共面關(guān)系;“ ⊥ ”表示運動副之間保持垂直關(guān)系;“-”表示運動副之間是連接關(guān)系。
1)求解支鏈I末端構(gòu)件的POC集
在支鏈Ⅰ中,4個運動副之間的拓撲結(jié)構(gòu)關(guān)系是: {τ-P11||R12||R13||R14-σ} 。根據(jù)機構(gòu)的POC集方程,支鏈I末端構(gòu)件的POC集為
2)求解支鏈 I 末端構(gòu)件的POC集
在支鏈 I 中,同理,根據(jù)式(1)得到,支鏈Ⅱ末端構(gòu)件的POC集為
Mb2=[t3]
3)動平臺POC集的求解
由式(2)易得
Mpa=?u=12Mbu=[t3]
式(3)表明,該機構(gòu)的動平臺1具有三平移運動特性的輸出特點。
1.2.2求解自由度
1)空間并聯(lián)機構(gòu)自由度(DegreeOfFreedom,DOF)的計算式為
式中, F 為機構(gòu)的DOF; ξLj 為第 j 個獨立回路的獨立位移方程數(shù); v 為獨立回路數(shù); fi 為第 i 個運動副的自由度; : { M }為方位特征集的維數(shù)。
2)機構(gòu)自由度求解
該機構(gòu)包含兩個回路,具體為:
① 混合支鏈 I 中的 P21 副、 P31 副、平行四邊形機構(gòu) Pal 、 Pa2 組成第1個獨立回路,即 LOOP1 。
顯然,第1個獨立回路的獨立位移方程數(shù) ξL1=2 。
②P22 副、支鏈I與上述的第1個獨立回路組成第2個獨立回路,即 LOOP2 。
由式(4)可得
由式(4)計算出,機構(gòu)的自由度 F 為
可知,該空間并聯(lián)機構(gòu)DOF為3。如果將 P11 副、P21 副以及 P31 副作為驅(qū)動副,則該并聯(lián)機構(gòu)動平臺1可以完成三平移的運動輸出。
1.2.3 機構(gòu)耦合度 κ 的求解
1)并聯(lián)機構(gòu)約束度與耦合度的計算方法
基于序單開鏈(SingleOpenChain,SOC)機構(gòu)組成理論可知,第 j 個SOC的約束度 計算式為
式中, Ij 為第 j 個SOC的驅(qū)動副數(shù); mj 為第 j 個SOC的運動副數(shù)。
SOC能夠完成多個子運動鏈(SubKinematicChain,SKC)劃分。因此,每個SKC中耦合度 κ 的計算式為
式中, 表示基本運動鏈由 k 個
組合而成,在進行多種組合方案選擇時,通常選擇
的數(shù)值為最小的方案。
耦合度在并聯(lián)機構(gòu)學中存在的物理意義如下: κ 表示SKC內(nèi)各個回路中不同變量之間的關(guān)聯(lián)程度,其中, κ 值與機構(gòu)各個參數(shù)求解的復雜程度成正比;對于 κ=0 的SKC,每個回路的變量可以在本身獨立回路中求出;對于 κgt;0 的SKC,回路中的變量則需要聯(lián)合多個回路方程方可求出。
2)確定機構(gòu)的耦合度在第1.2.2節(jié)中已經(jīng)得到了 ξL1=2,ξL2=4C
因此,兩個回路的約束度 Δj 可以由式(5)分別計算得到,即
所以,根據(jù)式(6)可求得,機構(gòu)耦合度為
該并聯(lián)機構(gòu)的耦合度 κ=1 。因此,在該并聯(lián)機構(gòu)的求解過程中,通過兩個獨立回路聯(lián)立方程即可。在進行該機構(gòu)的正解求解時,可在約束度為 +1 的獨立回路中假設(shè)1個虛擬變量;在約束度為-1的回路中再創(chuàng)建包含前面虛擬變量的約束方程,最終可以求得機構(gòu)的位置正解表達式。
2并聯(lián)機構(gòu)的位置分析
2.1建立并聯(lián)機構(gòu)坐標系并且標注參數(shù)
為了便于表述及計算, P11 副用 A1 表示, R12 副用A2 表示, R13 副用 A3 表示, R14 副用 A4 表示, P21 副用B1 表示, P22 副用 B5 表示, P31 副用 C1 表示;平行四邊形機構(gòu) Pal 、 Pa2 的尺寸關(guān)系保持不變并將其各自連接點標注出來。并聯(lián)機構(gòu)的具體運動學模型圖如圖2所示。
在圖2中,靜平臺0是邊長為 2l0 的正方形;動平臺1的桿長為 2l1 。在靜、動平臺上分別建立笛卡兒靜坐標系 O-xyz 、笛卡兒動坐標系 O′-x′y′z′ 。其中,靜坐標系的原點 o 位于正方形幾何中心點上; x 軸平行于 B1C1 ,且 x 軸正方向指向 A1 點所在邊; y 軸垂直于 B1C1 ,且其正方向指向 B1C1 : z 軸的正方向由右手法則確定。動坐標系 O′ 點處于動平臺上的幾何中心點上, y′ 軸在 A4B5 連線上且指向 B5 : x′ 軸垂直A4B5 : z′ 軸正方向滿足右手法則。
A1 、 B1 、 C1 位于靜平臺上, A4 、 B5 位于動平臺上。
設(shè)機構(gòu)的尺寸參數(shù)為:A,A=AA=AA=l, lc4B5=l60
2.2機構(gòu)位置正解公式推導
易知靜平臺0上的點 A1? C1 的坐標分別為
,求動平臺1上O′ 的位置
。
2.2.1在第1個獨立回路 L00P1 )上求解
由機構(gòu)的幾何關(guān)系可知
xB1-xC1=2l6+l4cosα-l4cosβ
l4sinα=l4sinβ
由結(jié)構(gòu)關(guān)系,易知 0?α?180° 、 0?β?180° O由式(8)可得, α=β 或 α=180°-β 。
1)當 α=β 時,由式(7)可得
xB1-xC1=2l6
2)當 α=180°-β 時,由式(7)可得
易知 B3 的坐標為
B3=(xB1+l4cosβ,l0,l3+l4sinβ)
2.2.2 在第2個獨立回路 (LOOP2 )上求解
通過支鏈I顯然可以得知
y=yA1+l1
1)當 α=β 時,由式(9)、式(12)易知
y=yA1+l1
而 x,z 不能確定。
2)當 α=180°-β 時,由式(10)\~式(12)可得
當輸入值 xB1,xC1 滿足條件 xB1-xC1=2l6 時,動平臺存在無數(shù)組解,即動平臺的位置不確定,為機構(gòu)的奇異位置;當輸入值 xB1,xC1 不滿足條件 xB1- xc1=2l6 時,動平臺有唯一確定的位置。因此,為了使動平臺的位置確定,需要使驅(qū)動副輸入值 xB1 、 xc1 不滿足條件 xB1-xC1=2l6
由式(10)、式(12)、式(14)知
由式(15)知,動平臺 點
中的 x=
、
,說明動平臺
只與驅(qū)動副 P21 、 P31 副的輸入運動有關(guān); O′ 點
(2中的 y=ff2(yA1) ,說明驅(qū)動副 P11 的運動輸人和動平臺的 y 具有相關(guān)性。因此,該機構(gòu)具有部分運動輸入輸出解耦性。機構(gòu)部分運動解耦的特性對機構(gòu)的運動學分析與動力學分析是十分有利的,同時可以降低機構(gòu)的控制難度。
2.3機構(gòu)位置逆解公式推導
并聯(lián)機構(gòu)位置逆解為:在動平臺1上,已知 O′點的位置坐標 ,求解靜平臺0上3個驅(qū)動副的具體移動位置yA、xB、χ。
2.3.1求靜平臺上 A1 的移動位置 yA1
由式(12)可以直接求得
yA1=y-l1
2.3.2求靜平臺上B、C,的移動位置p、χc,
1)當 xB1,xC1 滿足條件 xB1-xC1=2l6 時,進行求 解。由式(14)易得
再根據(jù)式(14)可得
xB1=x+l6-l4cosβ
xB1,xC1 滿足條件 xB1-xC1=2l6 ,易得
xC1=x-l6-l4cosβ
2)當 xB1,xC1 不滿足條件 xB1-xC1=2l6 ,即 α= 180°-β 時,進行求解。
由式(7)可得
xB1-xC1=2l6-2l4cosβ
將式(14)中 x 的表達式與式(17)聯(lián)立,可得
xB1=ff4(x,z)
聯(lián)立式(17)、式(20)、式(21)可得
xC1=ff5(x,z)
在逆解公式求解中,無論 xB1,xC1 輸入值是否滿足關(guān)系式 xB1-xC1=2l6 ,都可以求解出驅(qū)動副的具體位置,并且有具體的表達式。
2.4機構(gòu)正/逆解方程實例驗算
2.4.1 正解方程實例驗算
取該機構(gòu)的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)為: 2l0=300mm 2l1=100mm,l2=80mm,l3=70mm,l4=100mm l5=40mm,l6=140mm 。圖3所示為該機構(gòu)三維模型。
取靜平臺0上3個點 A1 、 B1 、 C1 的位置分別為yA1=33mm,xB1=83mm,xC1=-58mm ,由Matlab軟件根據(jù)該并聯(lián)機構(gòu)位置正解方程,得到位置正解值,如表1所示。
2.4.2 逆解驗證
將表1中正解數(shù)值代入式(16)、式(18)、式(19)式(21)、式(22),可以得到4組位置逆解值,如表2所示。
由表2可見,序號3的逆解數(shù)值與正解求解時3個驅(qū)動副的輸入值是相同的,從而證明機構(gòu)的正/逆解方程是正確的。
3平移運動特性分析
3.1 剛體運動的基本形式
機構(gòu)末端構(gòu)件的運動屬于剛體運動。眾所周知,剛體運動具有平移和旋轉(zhuǎn)[圖4(a)]兩種運動形式,平移運動又可劃分為平直運動[圖4(b)]與彎曲平移[圖4(c)]兩種運動形式。
如圖4(c)所示,剛體在實現(xiàn)彎曲平移時,其位置在笛卡兒坐標系中存在不同方向的平移組合。由笛卡兒坐標系可知,圖4(c)中剛體從 E1 點移動到E2 點,存在 x 軸與 y 軸兩個方向的平移組合。
3.2驗證并聯(lián)機構(gòu)平移特性
使用SolidWorks軟件、Matlab軟件驗證該并聯(lián)機構(gòu)存在的平移特性。
3.2.1 驅(qū)動副 P21 副、 P31 副速度相同時
設(shè)靜平臺上3個驅(qū)動副 P21 副、 P31 副、 P11 副驅(qū)動軌跡在時間 t1∈[0 ,4]s的運動軌跡為
將式(16)、式(21)、式(22)按照式(23)驅(qū)動形式導入Matlab軟件,對動平臺 O′ 點理論值的位置變化進行計算分析,得到動平臺 O′ 點位置變化;此外,將本文機構(gòu)導入SolidWorks平臺進行分析,時間步長設(shè)置為0.1s。將所求得的41個時間點與3個方向的位置變化數(shù)據(jù)導入Matlab軟件,得到位置變化,如圖5所示。
由圖5可知,理論推導后的計算式再經(jīng)過Matlab軟件編程求得的每個時間點的位置,與使用Solid-Works軟件進行仿真得到的數(shù)據(jù)是一致的,從而證明該機構(gòu)的位置計算式推理正確。
由于 P11 副的位置保持不變,而 P11 副的位置決定了動平臺 O′ 點 y 軸方向的數(shù)值,所以,只需要考慮由另外兩個驅(qū)動副運動形式產(chǎn)生的動平臺 O′ 點在xOz 平面內(nèi)的軌跡變化。將 P31 副、 P21 副驅(qū)動軌跡按照式(16)、式(21)、式(22)導入Matlab軟件編程,計算動平臺 O′ 點的位置變化,得到動平臺在 xOz 平面內(nèi)的運動軌跡,如圖6所示。
由圖6可知,在驅(qū)動副 P21 副、 P31 副速度相同、P11 副驅(qū)動軌跡不變時,該動平臺能夠?qū)崿F(xiàn)平直運動。
3.2.2 驅(qū)動副 P21 副、 P31 副速度不相同時
設(shè)靜平臺上3個驅(qū)動副 P21 副、 P31 副、 P11 副驅(qū)動軌跡在時間 t2∈[0, 4] s的運動軌跡為
同理,使用Matlab軟件編程計算動平臺理論位置變化,使用SolidWorks軟件仿真得到動平臺位置變化,如圖7所示。
由于 P11 副位置保持不變,將 P31 副、 P21 副驅(qū)動軌跡按照式(16)、式(21)、式(22)導入Matlab軟件編程計算動平臺 O′ 點的位置變化,得到動平臺 O′ 點在 xOz 平面內(nèi)的運動軌跡,如圖8所示。
由圖8可知,驅(qū)動副 P21 副、 P31 副速度不相同、P11 副位置保持不變時,機構(gòu)的動平臺在 x 方向、 z 方向的位置同時發(fā)生改變。在第1.2.1節(jié)中已經(jīng)得知,該機構(gòu)只存在平移、不存在轉(zhuǎn)動,所以,該動平臺能夠?qū)崿F(xiàn)彎曲平移。
綜上可知,當驅(qū)動副 P21 副、 P31 副速度相同時,動平臺在 xOz 平面內(nèi)存在平直移動;當驅(qū)動副 P21 副、P31 副速度不相同時,動平臺在 xOz 平面內(nèi)存在彎曲平移運動形式。
4機構(gòu)控制優(yōu)勢分析
記圖1中動平臺1的初始位置與靜平臺平行。由于整個動平臺只存在平移移動,因此,機構(gòu)動平臺運動過程始終與靜平臺保持平行關(guān)系。
以最簡單的兩個運動副組合的串聯(lián)機構(gòu)為例來實現(xiàn)圖8所示的運動軌跡,兩個運動副需要 x 方向、z方向兩個方向上的獨立移動副,如圖9所示。
在圖9中, P41 副只能在 x 方向產(chǎn)生位移, P51 副只能產(chǎn)生 z 方向的位移。為實現(xiàn)圖9中動平臺1從 Di 點到 D2 點的彎曲平移,需要 P41 副從 D3 點移動到 D5 點, P51 副從 D4 點移動到 D6 點;且在運動過程中,P41 副、 P51 副根據(jù)不同的運動速度組合使動平臺1產(chǎn)生不同的折線,再將各個折線擬合成從 D1 點到 D2 點的曲線。折線的數(shù)量越多, D?1 點到 D2 點的曲線的擬合程度才能越高。圖9中的兩個移動副為實現(xiàn)滿足擬合程度高的曲線,就需要通過控制算法對 P41 副、 P51 副的每個運動步長進行控制,并且需要保證P41 副、 P51 副運動步長較小。
本文提出的并聯(lián)機構(gòu)只需要通過控制驅(qū)動副按照第3.2.2節(jié)中的運動速度保持不變( P21 副運動速度保持 -5mm/s 、 P31 副運動保持 -40mm/s 、 P11 副不運動)進行運動,動平臺即可實現(xiàn)彎曲平移。所以,該機構(gòu)能夠降低控制的難度。
5結(jié)論
1)綜合運用POC集的并聯(lián)機構(gòu)拓撲設(shè)計方法,提出了一種新型的3T并聯(lián)機構(gòu),并對該機構(gòu)各個運動參數(shù)開展拓撲特性分析,計算出:該并聯(lián)機構(gòu)的耦合度為1、自由度為3。設(shè)計的機構(gòu)具有如下優(yōu)點:機構(gòu)僅由簡單的移動副和轉(zhuǎn)動副組成,便于加工;機構(gòu)具有部分運動解耦性,這對機構(gòu)的運動控制非常有利;機構(gòu)的驅(qū)動副全由移動副組成,具有較大的操作空間,能夠適用于較大范圍的貨物搬運并在一定高度方向上完成避障。
2)對所提機構(gòu)進行運動學分析,并對所建立的正/逆解方程進行了數(shù)值驗證。結(jié)果顯示,該機構(gòu)的正/逆解方程是正確的。但正解中存在動平臺無數(shù)解的情況,在實際應用可以避免這種情況發(fā)生。
3)使用Matlab及SolidWorks軟件仿真證明,該機構(gòu)的動平臺同時具有彎曲平移與平直運動的移動特性。相對于平直運動的運動副組合,用該機構(gòu)來實現(xiàn)彎曲平移運動的控制更加簡單。
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Design and analysis of a three-translational parallel mechanism with two translationalcharacteristics
CAIXiang1 QIUBing2 GAO BoSHI Zhixin4 (1.SchoolofMechanical andElectrical Engineering,Hubei Polytechnic Institute,Xiaogan 432oo0,China) (2.Zhuhai Gree Intelligent Equipment Co.,Ltd., Zhuhai 519oo0,China) (3.DepartmentofMechanicalandElectricalEngineering,Xinxing VocationalandTechncalCollege,Xinxing839oo,China) (4.SchoolofAdvanced Manufacturing,Nanchang University,Nanchang33oo31,China)
Abstract:[Objective]Tosolvetheproblemofthecomplex controlalgorithmof theprevious thre-translation(3T)parallel mechanism inachievingcurve trajectory translation,anewtypeof mechanismthatcanachievecurve trajectorybasedonthe characteristicsof the mechanismitself wasproposed.[Methods]Basedonthedesigntheoryof theparallel mechanismderived fromthepositionandorientationcharacteristics (POC)setequations,thetopologicalpropertiesofthemechanismwereanalyzed intermsofthePOCset,degreesoffredomandcouplingdegres;basedonthe kinematic modelingprincipleofthetopological structure,theanalyticalpositiveandanalyticalinversepositionequationsofthemechanismwerebtaned,andthecoecess ofthe positiveand inverse solution equations was verified.SolidWorks softwareand Matlab software wereusedto verifythat themechanismhaddiferentmovingmotioncharacteristicsunderdierentdriveforms.[Results]Fortraditional3Tparallel mechanisms that only enablestraight-line motions,achieving curved translations intwodirections necesitatescomplex algorithmstofitcurvesthrough multiplestraight-linemovements.Incontrast,theproposedmechanismcanachievecurved translations simply by altering the motion velocities of the driving joints.
KeyWords:Parallel mechanism;Topological design;Bending translation;Analyticalsolution; Coupling degree