3-PUPU并聯(lián)機器人研究現(xiàn)狀及未來憧憬

山西中北大學　張斌

3-PUPU并聯(lián)機器人研究現(xiàn)狀及未來憧憬

山西中北大學張斌

近年來，隨著對微控理論和微動平臺研究的不斷深入，各種針對性強、工作性能突出的專業(yè)機構如雨后春筍般不斷涌現(xiàn)。3-PUPU并聯(lián)機構作為其中之一，由于其工作范圍大、微調性能好、保險系數(shù)高等優(yōu)點，逐漸走進研究人員的視野。其運動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)化設計，還可以實現(xiàn)其工作空間大、運動性能好等優(yōu)勢的強勢結合。

微動平臺；工作空間；優(yōu)化設計；運動性能

1　引言

并聯(lián)機器人具有結構剛度大，承載能力高，動力響應快，結構緊湊等優(yōu)點［2］。因而，其在工業(yè)生產中應用前景極為廣闊，現(xiàn)已作為機構學的一個獨立分支，進行專項研究。伴隨著工業(yè)化進程腳步的加快，靈活度高、專項性能突出、制作簡便、應用性能強的并聯(lián)微動平臺得到了前所未有的發(fā)展契機。Stewart平臺作為其中最具代表性的結構一直受到多方學者的研究學習及再開發(fā)。

3-PUPU并聯(lián)機構就是在Stewart工作平臺基礎上，針對具體工況要求，研究開發(fā)而產生的新構型。該構型由兩級驅動完成綜合運動，第一級線性驅動部分負責大范圍長距離的運動轉移，二級驅動系統(tǒng)負責微動控制。這樣既能實現(xiàn)較高的運動效率，又能兼顧較精確的工作終端運動線路，達到精確與高效相結合。在精密工程很多應用都需要仔細隔離振動源的儀器，本構型采用主動隔振系統(tǒng)實現(xiàn)了非常低的剩余振動水平，尤其是對于頻率非常低的10赫茲的振動信號［3］。該機構針對此種工況，被設計為一種宏/微混合機器人。

2　結構分析

3-PUPU機構的結構如圖2、圖3所示。它是由前期驅動線性導軌，兩級大范圍柔性鉸鏈，微調線性導軌組合而成。通過兩級驅動的相互配合來完成移動平臺實現(xiàn)既定運動的任務。第一級驅動通過三個移動副與機架相連，主要實現(xiàn)的是大范圍快速移動。通過萬向鉸與二級驅動部件連接，二級驅動部件主要實現(xiàn)微動運動，進行精確控制，因而其驅動功率及承載能力會有所限制。最終通過三個大范圍柔性鉸與工作平臺相連。既減少了剛性沖擊造成的震動對機構的影響，又能保證驅動機構對工作終端的精準控制，還能兼顧工作平臺的工作空間，實現(xiàn)了優(yōu)勢方面的多點融合，保證了該構型的優(yōu)勢競爭力。

圖1　3-PUPU機構的實例圖

圖2　3-PUPU機構的結構圖

3　優(yōu)缺點分析

3-PUPU并聯(lián)機構作為一個相對來說針對性較強的構型，有其獨特的性質，當然也有其應用范圍的限制。首先，我們了解一下它的優(yōu)點。

（1）安全系數(shù)高。3-PUPU機構是一個二級驅動機構，這就給了它較高的安全系數(shù)，在某一級驅動發(fā)生故障時，其在一定范圍內仍有一定的工作能力，從而能繼續(xù)完成部分任務。

（2）運動效率高。兩級驅動各司其職，既有快速移動驅動，又有精準微動驅動，能根據(jù)不同的工況做出相應的調整，保證了時間的節(jié)約和工作性能達標的兼容。

（3）精確度好。伺服電機驅動，能做到令行禁止。通過微調驅動的精準輸出實現(xiàn)工作平臺的相應運動，保證了其較高的精確度。

下面我們介紹一下其受限情況。

（1）機構尺寸限制。由于運動鏈驅動多，二級精準驅動精確性要求較高，現(xiàn)階段零件材料性能受限，本構型尺寸不宜過大否則可能會由于重力重心等原因導致執(zhí)行終端穩(wěn)定性減弱，實際執(zhí)行端與設計執(zhí)行端不重合等現(xiàn)象，從而影響其應用性能

（2）工作功率受限。由于伺服電機驅動功率，構型尺寸結構等方面的限制，此構型不適用于承載較大的工作場合。

4　前景展望

隨著科學技術的不斷進步，材料科學的不斷發(fā)展，材料性能和零件加工精度的提升，伺服電機的驅動功率也將得到大幅提升，此機構的承載能力和結構尺寸必將取得喜人的改進成果，因而其應用領域也將進一步擴大。同時，由于其效率與工作性能兼顧，工作空間大等優(yōu)勢，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三轉動并聯(lián)機器人機構的位置分析［J］.機械傳動，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.