孫馳宇 沈惠平, 袁軍堂 楊廷力
1.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,南京,210094 2.常州大學(xué)現(xiàn)代機(jī)構(gòu)學(xué)研究中心,常州,213016
三平移一轉(zhuǎn)動(3T1R)并聯(lián)操作手在汽車、電子產(chǎn)品的裝配及醫(yī)療業(yè)有著潛在的應(yīng)用價值,應(yīng)用前景廣闊[1-5]。
石志新等[6]基于方位特征(position and orientation characteristic,POC)集理論,綜合并優(yōu)選了一種新型3T1R并聯(lián)機(jī)構(gòu),給出了其運(yùn)動學(xué)正逆解;陳海等[7]基于螺旋理論和獨(dú)立驅(qū)動原則,綜合了一類3T1R完全解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu);史巧碩等[8]基于GF集提出了3T1R并聯(lián)機(jī)構(gòu)的構(gòu)型方法,并列舉出具有確定運(yùn)動特征的支鏈,綜合了一類3T1R機(jī)構(gòu);楊廷力等[9-11]基于方位特征輸出矩陣,綜合出一系列3T1R并聯(lián)機(jī)器人;劉辛軍等[12-13]研制出一臺具有單動平臺且能實(shí)現(xiàn)3T1R輸出的X4型并聯(lián)機(jī)構(gòu)樣機(jī)。SéBASTIEN等[14]在H4機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上,提出了一種全新的3T1R并聯(lián)機(jī)構(gòu)I4,構(gòu)建了其運(yùn)動學(xué)模型,并給出了樣機(jī);OSCAR等[15]基于位移群理論設(shè)計了一種滿足Sch?nflies運(yùn)動的新型3T1R機(jī)構(gòu),推導(dǎo)出了其位置正逆解,并對其速度及奇異位形進(jìn)行了分析;KIM等[16]綜合出一種具有大工作空間的3T1R并聯(lián)機(jī)構(gòu),通過對其工作空間和運(yùn)動學(xué)各向異性進(jìn)行分析,優(yōu)化了其工作能力;SéBASTIEN等[17]提出了一種名為Pantopteron-4的3T1R四自由度解耦并聯(lián)操作手,對其運(yùn)動特性及工作空間進(jìn)行了分析并給出了樣機(jī)模型。
上述國內(nèi)外學(xué)者研究的3T1R機(jī)構(gòu)中,H4操作手機(jī)構(gòu)的綜合性能較為突出,已有較好應(yīng)用。本文提出的新型2RRPaR+2RSS機(jī)構(gòu)與H4機(jī)構(gòu)相比,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更加簡單;同時,選取與H4操作手相同的尺寸參數(shù),2RRPaR+2RSS機(jī)構(gòu)的工作空間更大、轉(zhuǎn)動能力更強(qiáng)。本文對該機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動學(xué)研究,得到了位置正逆解,并進(jìn)一步對其工作空間、轉(zhuǎn)動能力、奇異位形作了系統(tǒng)分析。
本文根據(jù)基于PCD方程的并聯(lián)機(jī)構(gòu)拓?fù)湓O(shè)計理論與方法,提出了2RRPaR+2RSS機(jī)構(gòu),如圖1所示,它由定平臺0、動平臺1、2條RSS型無約束支鏈及2條3T2R輸出的混合支鏈組成,每條混合支鏈中包含1個2S2R平行四邊形結(jié)構(gòu),可表示為-R∥R(∥R(2S2R)∥P(2S2R))⊥R-(其中,∥表示平行,⊥表示垂直)。在定平臺0上的4個驅(qū)動副位于各邊中點(diǎn);動平臺1上2個轉(zhuǎn)動副R的軸線需平行于動平臺法線。當(dāng)定平臺上4個轉(zhuǎn)動副R驅(qū)動機(jī)構(gòu)時,動平臺1可實(shí)現(xiàn)3個移動輸出和1個平行于動平臺法線方向的轉(zhuǎn)動輸出。
H4操作手機(jī)構(gòu)含有4個平行四邊形并聯(lián)結(jié)構(gòu)[11],而2RRPaR+2RSS機(jī)構(gòu)僅含兩個,因此,與H4機(jī)構(gòu)相比,本文的設(shè)計機(jī)構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更為簡單。
機(jī)構(gòu)的坐標(biāo)系建立及其參數(shù)標(biāo)注如圖2所示。在長寬分別為2a、2b的矩形定平臺的幾何中心設(shè)立定坐標(biāo)系OXYZ,其X軸方向與R11R31連線重合(其中R11、R31分別為驅(qū)動副R11和R31的中心點(diǎn),其他類同),Y軸方向與R21R41連線重合,依據(jù)右手定則可確立Z軸方向;在邊長為n、對角線長為2c的動平臺的幾何中心設(shè)立動坐標(biāo)系puvw,其u軸方向與R11R31連線平行,v軸方向與R21R41連線平行,同樣,依據(jù)右手定則確立其w軸方向。
圖2 2RRPaR+2RSS并聯(lián)機(jī)構(gòu)簡圖Fig.2 2RRPaR+2RSS PM structure diagram
定平臺0上4個驅(qū)動副R11、R21、R31、R41的輸入角分別為α1、β1、γ1、θ1。支鏈1中2S2R平行四邊形結(jié)構(gòu)與定平臺夾角為α2,其擺動內(nèi)角為α3;支鏈2中2S2R的平行四邊形結(jié)構(gòu)與定平臺夾角為β2,其擺動內(nèi)角為β3。動平臺1繞其幾何中心處法線方向的姿態(tài)轉(zhuǎn)角為γ,其角速度以w軸逆時針方向?yàn)檎?,如圖3所示。
圖3 動平臺姿態(tài)角Fig.3 Rotating angle of moving platform
機(jī)構(gòu)桿件的尺寸分別為:R11R12=R21R22=la;2S2R平行四邊形結(jié)構(gòu)的長邊長為lb;Q1R13=Q2R23=q;R31S32=R41S42=lc;S32S33=S42S43=ld。
(1)選定動平臺1的幾何中心p點(diǎn)為基點(diǎn)。
(2)確定支鏈末端構(gòu)件的POC集:
其中,Mbk(k=1,2,3,4)為支鏈k的POC集;t3表示三維移動;r2表示二維轉(zhuǎn)動;(Rk1,Rk3)表示Rk1、Rk3(k=1,2)軸線所構(gòu)成的平面。
(3)確定由支鏈1、2組成的第1個回路(即第1個子并聯(lián)機(jī)構(gòu))的獨(dú)立位移方程數(shù):
ξL1=dim{Mb1∪Mb2}=
第1個子并聯(lián)機(jī)構(gòu)的自由度和POC集分別為
式中,dim{·}表示POC集的維數(shù);F(1-2)為支鏈1與支鏈2串聯(lián)后的自由度;Mpa(1-2)為支鏈1與支鏈2并聯(lián)后的POC集;fi為第i個運(yùn)動副的自由度;m為運(yùn)動副數(shù)。
(4)確定由第1個子并聯(lián)機(jī)構(gòu)和支鏈3組成的第2個回路(即第2個子并聯(lián)機(jī)構(gòu))的獨(dú)立位移方程數(shù):
第2個子并聯(lián)機(jī)構(gòu)的自由度和POC集分別為
Mpa(1-3)=Mpa(1-2)∩Mb3=
(5)確定由第2個子并聯(lián)機(jī)構(gòu)和支鏈4組成的第3個回路自由度的獨(dú)立位移方程數(shù):
機(jī)構(gòu)整體的自由度和POC集分別為
因此,動平臺1具有3個移動輸出和1個平行于R13軸線方向的轉(zhuǎn)動輸出。
第1個回路為支鏈1、支鏈2串聯(lián)構(gòu)成的第1個單開鏈(single open chain,SOC),即
Loop1{-R11∥R12(∥R(2S2R)∥P(2S2R))⊥R13∥
R23(⊥P(2S2R)∥R(2S2R))∥R22∥R21-}
其約束度
第2個回路由第2個SOC構(gòu)成,即
Loop2{-R31-S32-S33-}
其約束度
第3個回路由第3個SOC構(gòu)成,即
Loop3{-R41-S42-S43-}
其約束度
式中,mj為第j個SOC的運(yùn)動副數(shù);Ij為第j個SOC的驅(qū)動副數(shù)。
綜上可知,該機(jī)構(gòu)僅包含一個基本運(yùn)動鏈[18],其耦合度為
式中,v為獨(dú)立回路數(shù)。
因耦合度κ=2,故對其進(jìn)行位置分析時可建立包含兩個虛擬變量的非線性方程,并采用二維搜索法,可求出該機(jī)構(gòu)的位置正解。
該機(jī)構(gòu)的位置正解問題可描述為:已知主動輸入轉(zhuǎn)角α1、β1、γ1、θ1,求動平臺1幾何中心的位置(xp,yp,zp)及姿態(tài)轉(zhuǎn)角γ。
在支鏈1上,由直角坐標(biāo)法可依次通過R11、R12、R13點(diǎn)坐標(biāo)最終求得p點(diǎn)坐標(biāo),即
(1)
同樣,由支鏈2可求得p點(diǎn)坐標(biāo),即
(2)
令
t1=b-lacosα1-lbsinα3cosα2
t2=a-lacosβ1-lbcosα3
t3=lasinα1-lasinβ1+lbsinα3sinα2
則由式(1)、式(2)可得
(3)
易知γ及(xp,yp,zp)僅與虛擬變量α2、α3有關(guān)。
由式(3)可得
令k1=tan(γ/2),即
γ=2arctank1
(4)
由支鏈3可得S32、S33在定坐標(biāo)系中的坐標(biāo):
由桿長約束S23S33=ld,有
(5)
由支鏈4可得S42、S43在定坐標(biāo)系中的坐標(biāo):
由桿長約束S42S43=ld,有
f2(α2,α3)=(xp+csinγ)2+
(6)
于是,可得到有關(guān)兩個中間變量α2、α3的兩個位置相容方程(式(5)、式(6));使用二維搜索法改變α2、α3的賦值,使f1(α2,α3)=0、f2(α2,α3)=0,可得到真實(shí)的α2、α3;再將α2、α3真實(shí)值代入式(1),可得到p(xp,yp,zp),再代入式(4),可得姿態(tài)角γ,即解得機(jī)構(gòu)的位置正解。
該機(jī)構(gòu)的位置逆解問題可描述為:已知動平臺1的幾何中心位置(xp,yp,zp)及姿態(tài)角γ,求主動副輸入轉(zhuǎn)角α1、β1、γ1、θ1。
基于機(jī)構(gòu)支鏈1,由式(1)可得
其中ya=b-ccosγ-xp,yb=zp-q,整理可得
令k2=tan(α1/2)解得
則
α1=2arctank2
(7)
基于機(jī)構(gòu)支鏈2,由式(2)可得
其中,yc=a-ccosγ-yp,整理可得
A2cosβ1+B2sinβ1+C2=0
A2=-2yclaB2=-2ybla
令k3=tan(β1/2),解得
則
β1=2arctank3
(8)
由支鏈3的桿長約束S32S33=ld,可得
令
則有
A3cosγ1+B3sinγ1+C3=0
令k4=tan(γ1/2),解得
則
γ1=2arctank4
(9)
由支鏈3的桿長約束S42S43=ld,可得
令
則有
A4cosθ1+B3sinθ1+C4=0
令k5=tan(θ1/2),解得
則
θ1=2arctank5
(10)
將動平臺基點(diǎn)p的位置坐標(biāo)(xp,yp,zp)及姿態(tài)角γ分別代入式(7)~式(10),可得4個驅(qū)動副的驅(qū)動角α1、β1、γ1、θ1,即解得機(jī)構(gòu)的位置逆解。
2RRPaR+2RSS機(jī)構(gòu)與H4操作手包含相同的平行四邊形結(jié)構(gòu),為便于性能比較,現(xiàn)取相同的主要尺寸參數(shù)進(jìn)行計算分析,分別如下:la=375 mm,lb=800 mm,lc=375 mm,ld=800 mm,a=400 mm,b=400 mm,c=400 mm,q=40 mm。
給定兩組輸入角:①α1=119.05°,β1=134.81°,γ1=122.44°,θ1=108.93°;②α1=119.32°,β1=121.21°,γ1=120.20°,θ1=120.65°。
利用MATLAB軟件,對式(1)~式(6)進(jìn)行編程,通過二維搜索法可分別得出兩組輸入角條件下的兩組實(shí)數(shù)正解,如表1所示。
表1 2RRPaR+2RSS機(jī)構(gòu)位姿正解的數(shù)值解Tab.1 Numerical solution of forward kinematics for 2RRPaR+2RSS PM
將尺寸參數(shù)導(dǎo)入式(7)~式(10)中,可得16組實(shí)數(shù)逆解(略),其中,一組逆解為:α1=119.05°,β1=134.81°,γ1=122.44°,θ1=108.93°。可以發(fā)現(xiàn),該組逆解與給定的一組輸入角條件一致,由此可驗(yàn)證正逆解的正確性。
將第3節(jié)中求解的各輸入角α1、β1、γ1、θ1的位置逆解公式作為約束條件,可通過邊界數(shù)值搜索法對工作空間進(jìn)行求解。取4.1節(jié)中的尺寸參數(shù),采用柱坐標(biāo)系在300 mm≤Z≤1200 mm、0≤ρ≤900 mm、-π≤θ≤π、-π≤γ≤π的范圍內(nèi)進(jìn)行搜索,其中,Z、ρ分別為工作空間的高度及柱坐標(biāo)系搜索半徑,θ、γ分別為柱坐標(biāo)系搜索角度及動平臺姿態(tài)角。搜索步長越小即搜索結(jié)果越精確,取ΔZ=Δρ=20 mm,Δθ=Δγ=0.01 rad。
利用MATLAB軟件,可得到該機(jī)構(gòu)的三維立體工作空間圖(圖4)以及不同高度Z下的X-Y截面圖(圖5)。
圖4 2RRPaR+2RSS機(jī)構(gòu)的三維工作空間Fig.4 3D workspace of 2RRPaR+2RSS PM
由圖4和圖5可以看出:①當(dāng)空間高度Z∈[500 mm,1100 mm]時,工作空間光滑連續(xù),無空腔,覆蓋體積較大;②取不同Z值時所得的截面皆關(guān)于對角線t-t對稱,且隨著Z值的增大,截面面積逐漸減?。虎墼诓豢紤]連桿干涉、運(yùn)動副轉(zhuǎn)角約束的情況下,該機(jī)構(gòu)工作空間比H4操作手的工作空間大。
本文參考文獻(xiàn)[19]的相應(yīng)參數(shù),給定如下搜索范圍:0≤ρ≤1000 mm、500 mm≤Z≤1150 mm,可計算出H4操作手的工作空間體積為6.167×108mm3,本文機(jī)構(gòu)工作空間體積為7.886×108mm3,因此,與H4操作手相比,本文機(jī)構(gòu)的工作空間體積增大了27.87%。
(a) Z=500 mm
同樣,采用邊界數(shù)值搜索法,基于第3節(jié)中的機(jī)構(gòu)逆解公式,在柱坐標(biāo)系中某一高度下的截面內(nèi),通過改變搜索半徑ρ及搜索角度θ,搜索高度為Z的截面內(nèi)姿態(tài)角γ的取值范圍。
為與H4機(jī)構(gòu)對比,現(xiàn)取相同尺寸參數(shù)(參數(shù)設(shè)置與4.1節(jié)相同)和相同截面高度Z=1000 mm,并利用MATLAB軟件進(jìn)行分析,可得在Z=1000 mm高度下X-Y截面上各點(diǎn)的轉(zhuǎn)角最大值αmax、轉(zhuǎn)角最小值αmin分布,如圖6所示。
由圖6可知:本文2RRPaR+2RSS機(jī)構(gòu)在X-Y截面的轉(zhuǎn)角范圍為-120°≤γ≤120°,而H4機(jī)構(gòu)在該截面處的轉(zhuǎn)動范圍為-110°≤γ≤120°,因此,本文機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動能力相比于H4機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動能力提高了4.35%。
同時,可選取兩種機(jī)構(gòu)的截面內(nèi)任一點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)角范圍的比較?,F(xiàn)選取點(diǎn)A(-100 mm,-50 mm,1000 mm)進(jìn)行研究對比,H4機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動范圍為-50°≤γ≤80°,而本文機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動范圍為-100°≤γ≤100°。由此可見,本文2RRPaR+2RSS機(jī)構(gòu)的動平臺在不添加轉(zhuǎn)角放大裝置的情況下,即可獲得較大的轉(zhuǎn)角范圍。
并聯(lián)機(jī)構(gòu)奇異位形是指當(dāng)機(jī)構(gòu)處于某種姿態(tài)時,在一個或者多個方向上失去約束,此時,機(jī)構(gòu)處于位形奇異狀態(tài),機(jī)構(gòu)的工作性能會降低,因此,須識別出奇異位形。本文采用求解機(jī)構(gòu)的雅可比矩陣,令該矩陣的行列式的值為零,從而可得到機(jī)構(gòu)的第一類、第二類及第三類奇異位形。
圖2中的Q1點(diǎn)坐標(biāo)可同時由如下兩個矢量方程得到:
OR11+R11R12+R12Q1=OQ1
Op+pQ1=OQ1
即
(11)
同理,可用兩種方式表示點(diǎn)Q2、S33、S43的坐標(biāo),可得
(12)
(a) 本文機(jī)構(gòu)αmax分布
(13)
(14)
其中,γ2、γ3、γ4及γ5、γ6、γ7分別為S32S33桿、S42S43桿與定坐標(biāo)系X、Y、Z軸的夾角,即有約束方程:
(15)
由式(11)~式(15)可得
(16)
在式(16)中各等式的等號兩邊,分別對時間t求一階導(dǎo)數(shù),可得
(17)
(18)
(19)
(20)
JpV=Jqω
其中,Jp矩陣中各元素的具體計算表達(dá)式分別如下:
(21)
(22)
(23)
(24)
Jq矩陣中各元素的具體計算表達(dá)式分別如下:
7.2.1第一類奇異
當(dāng)det(Jq)=0時,機(jī)構(gòu)的驅(qū)動副將失去某個方向的運(yùn)動能力,此時,至少有一個運(yùn)動鏈運(yùn)動到了工作空間邊界的臨界位置,則機(jī)構(gòu)產(chǎn)生第一類奇異。
令det(Jq)=0,則Jq矩陣的行列式解的集合可表示為
D=D1∪D2∪D3∪D4
D1={sin (α1-α2)=0}
(25)
D2={sin (β1-β2)=0}
(26)
D3={cosγ2sinγ1-cosγ4cosγ1=0}
(27)
D4={cosγ6sinθ1-cosγ7cosθ1=0}
(28)
式(25)~式(28)分別對應(yīng)支鏈1~支鏈4,當(dāng)滿足式(25)~式(28)任意一式時,對應(yīng)支鏈處于直線姿態(tài),此時,該機(jī)構(gòu)發(fā)生第一類奇異,如當(dāng)滿足式(25)時,機(jī)構(gòu)如圖7a所示,支鏈1呈直線姿態(tài);當(dāng)滿足式(27)時,機(jī)構(gòu)如圖7b所示,支鏈3呈直線姿態(tài)。
(a) 支鏈1呈直線姿態(tài)
7.2.2第二類奇異
當(dāng)det(Jp)=0時,固定機(jī)構(gòu)的驅(qū)動副,末端執(zhí)行器仍存在瞬時運(yùn)動,表明機(jī)構(gòu)至少獲得了一個瞬時自由度,此時,并聯(lián)機(jī)構(gòu)失去剛度,無法承受任何負(fù)載,則機(jī)構(gòu)產(chǎn)生第二類奇異。
將矩陣Jp視為由4個行向量組成的矩陣,即
為使det(Jp)=0,有以下3種情況。
7.2.2.1 兩個向量線性相關(guān)
設(shè)se1=e2(即e1、e2線性相關(guān)),則有
由式(21)、式(22)可得
此時直線R21Q1與直線R22Q2在空間內(nèi)平行,如圖8所示。
圖8 第二類奇異位形(情況1)Fig.8 Singularity of type 2 (case 1)
設(shè)se3=e4(即e3、e4線性相關(guān)),則有
由式(23)、式(24)可得
此時桿S32S33與桿S42S43在空間內(nèi)平行,如圖9所示。
圖9 第二類奇異位形(情況2)Fig.9 Singularity of type 2 (case 2)
設(shè)se2=e3(即e2、e3線性相關(guān)),則有
由式(22)、式(23)可得
此時直線R22Q2與桿S32S33在空間內(nèi)平行,如圖10所示。
圖10 第二類奇異位形(情況3)Fig.10 Singularity of type 2 (case 3)
7.2.2.2 三個向量線性相關(guān)
設(shè)e1=s1e2+s2e3,此時,s1、s2的解無法解出,此種情況不存在。
設(shè)e2=s1e3+s2e4,此時,s1、s2的解無法解出,此種情況不存在。
7.2.2.3 四個向量線性相關(guān)
設(shè)e1=s1e2+s2e3+s3e4,此時,s1、s2、s3的解無法解出,此種情況不存在。
7.2.3第三類奇異
當(dāng)det(Jq)=0且det(Jp)=0時,第一類奇異、第二類奇異同時發(fā)生,機(jī)構(gòu)驅(qū)動關(guān)節(jié)及末端執(zhí)行器都存在瞬時非零的輸入及輸出,此時,機(jī)構(gòu)發(fā)生第三類奇異。取u11=0,u22=0,u33=0或u44=0代入第二類奇異分析,易得第二類奇異不成立,由于第一類奇異與第二類奇異不能同時發(fā)生,故該機(jī)構(gòu)不存在第三類奇異。
(1)提出了一種新型三平移一轉(zhuǎn)動(3T1R)并聯(lián)操作手機(jī)構(gòu)2RRPaR+2RSS,該機(jī)構(gòu)為半對稱結(jié)構(gòu);且與H4操作手機(jī)構(gòu)相比,該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡潔,易制造、裝配。
(2)根據(jù)該機(jī)構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特性及幾何約束條件,建立了兩個含兩個虛擬變量的桿長相容方程,采用二維搜索法,得出了機(jī)構(gòu)位置正解,推導(dǎo)出了機(jī)構(gòu)的位置逆解,并驗(yàn)證了正逆解的正確性。
(3)基于機(jī)構(gòu)位置逆解,采用邊界數(shù)值搜索法對本文2RRPaR+2RSS機(jī)構(gòu)的工作空間及轉(zhuǎn)動能力進(jìn)行求解。在桿件尺寸參數(shù)選取相同的情況下,與H4機(jī)構(gòu)相比,該機(jī)構(gòu)的工作空間體積增大了27.87%,其轉(zhuǎn)動能力提高了4.35%。
(4)基于機(jī)構(gòu)位置逆解,求解出了2RRPaR+2RSS機(jī)構(gòu)的雅克比矩陣,并對其三類奇異位形進(jìn)行了分析。