解耦機(jī)構(gòu)研究現(xiàn)狀與分析

屈淑維 郭志宏

（1 中北大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 山西 太原 030051）

（2 惡劣環(huán)境下智能裝備技術(shù)山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山西 太原 030051）

0 引言

當(dāng)今自然界生物體所呈現(xiàn)的聯(lián)結(jié)方式主要有串聯(lián)、并聯(lián)及混聯(lián)。工程學(xué)中，人類所締造的各類機(jī)械秉承了自然界萬物的聯(lián)結(jié)關(guān)系，這些聯(lián)結(jié)關(guān)系通過鉸鏈和構(gòu)件形成了開環(huán)或閉環(huán)結(jié)構(gòu)；為實(shí)現(xiàn)不同的功能需求，又形成了各類串聯(lián)、并聯(lián)及混聯(lián)機(jī)構(gòu)。

串聯(lián)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)無耦合、控制容易，精度較低，被廣泛應(yīng)用在工程機(jī)械領(lǐng)域。并聯(lián)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊、剛度大、承載能力強(qiáng)、累計(jì)誤差小、精度高、工作空間小，被廣泛應(yīng)用于各類精密加工設(shè)備中?；炻?lián)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)龐大、構(gòu)型復(fù)雜，單模塊化功能強(qiáng)，多被應(yīng)用于大型及巨型裝備的在線加工操作。

由于并聯(lián)、混聯(lián)機(jī)構(gòu)存在閉環(huán)結(jié)構(gòu)，機(jī)構(gòu)控制困難、標(biāo)定復(fù)雜、響應(yīng)速度慢。而解耦機(jī)構(gòu)可簡(jiǎn)化控制與標(biāo)定，奇異位形少、工作空間大、運(yùn)行精度高、能耗低，引起了學(xué)術(shù)界及產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注，成為機(jī)構(gòu)學(xué)的研究熱點(diǎn)之一[1]。

本文中通過研究解耦機(jī)構(gòu)型綜合方法及流程，揭示了解耦機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)是通過不同的驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的位姿輸出；提出了支鏈解耦運(yùn)動(dòng)副軸線方向與位置的約束關(guān)系；根據(jù)支鏈輸出運(yùn)動(dòng)特征，分析了驅(qū)動(dòng)副選擇原則；以輸出運(yùn)動(dòng)解耦為目標(biāo)，探討了幾類運(yùn)動(dòng)特征轉(zhuǎn)化的設(shè)計(jì)方案；結(jié)合解耦機(jī)構(gòu)的應(yīng)用領(lǐng)域，指出了解耦機(jī)構(gòu)的理論研究方向及應(yīng)用拓展領(lǐng)域。

1 型綜合方法

機(jī)構(gòu)的型綜合是根據(jù)輸出運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到滿足要求機(jī)構(gòu)的過程。解耦機(jī)構(gòu)是以機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)與約束的變換邏輯關(guān)系為基礎(chǔ)，以輸出運(yùn)動(dòng)解耦為目標(biāo)，通過輸入/輸出間獨(dú)立的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行機(jī)構(gòu)構(gòu)型創(chuàng)新設(shè)計(jì)的過程。目前主要有4種理論方法。

1.1 線性變換

機(jī)構(gòu)關(guān)節(jié)空間到輸出運(yùn)動(dòng)空間及支鏈運(yùn)動(dòng)空間到機(jī)構(gòu)輸出運(yùn)動(dòng)空間的映射關(guān)系可表示為

式中，[v]=[vx vy vz]為動(dòng)平臺(tái)輸出點(diǎn)H的平移速度矢量；[ω]=[ωx ωy ωz]為點(diǎn)H的轉(zhuǎn)動(dòng)速度矢量；[A]為機(jī)構(gòu)正向雅可比矩陣；[B]為逆向雅可比矩陣；q為笛卡爾坐標(biāo)系中驅(qū)動(dòng)副的輸入速度。

式（1）可由線性變換表示為

式中，[J]=[A]-1[B]為全局雅可比矩陣，表示機(jī)構(gòu)輸入/輸出的變換關(guān)系。

全局雅可比矩陣J（J-1）從理論上揭示了機(jī)構(gòu)速度空間的映射關(guān)系，反映了機(jī)構(gòu)的輸入/輸出特性。當(dāng)雅可比矩陣為單位矩陣時(shí)，機(jī)構(gòu)為各向同性機(jī)構(gòu)；當(dāng)雅可比矩陣為對(duì)角矩陣時(shí)，機(jī)構(gòu)為不耦合機(jī)構(gòu)；當(dāng)雅可比矩陣為三角矩陣時(shí)，機(jī)構(gòu)為解耦機(jī)構(gòu)；否則為一般耦合機(jī)構(gòu)。

Gogu[2]根據(jù)雅可比矩陣對(duì)各向同性機(jī)構(gòu)、不耦合機(jī)構(gòu)及解耦機(jī)構(gòu)進(jìn)行了型綜合?；诰€性變化理論，Glasunov 等[3-4]根據(jù)機(jī)構(gòu)的雅可比矩陣進(jìn)行了機(jī)構(gòu)優(yōu)選。雅可比矩陣從機(jī)構(gòu)輸入/輸出映射上揭示了機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特征。

1.2 基于單開鏈的約束綜合法

并聯(lián)機(jī)構(gòu)是由動(dòng)、靜平臺(tái)及兩者之間的若干單開鏈（混合單開鏈）支路組成。單開鏈被視為機(jī)構(gòu)的一種結(jié)構(gòu)單元。機(jī)構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方位特征（POC）可表示為

式中，Mpa為并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特征；MJi（i=1，2，…，m）表示支鏈的運(yùn)動(dòng)特征。

式（3）表明，機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特征是所有支鏈運(yùn)動(dòng)特征的交集。

機(jī)構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征由耦合度k表示為

耦合度k揭示了多回路機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)的復(fù)雜性，為并聯(lián)機(jī)構(gòu)的解耦設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。沈惠平等[5-6]以此為據(jù)進(jìn)行了并聯(lián)機(jī)構(gòu)的位置解耦研究。Jin等[7]依據(jù)該方法融合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及尺度參數(shù)對(duì)3自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了解耦設(shè)計(jì)。

1.3 旋量理論

旋量由表達(dá)方向和位置的雙矢量構(gòu)成。通過機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)旋量系與約束旋量系，支鏈的運(yùn)動(dòng)旋量系與約束旋量系的互易（圖1）與從屬（圖2）關(guān)系描述了機(jī)構(gòu)的綜合過程。

圖1 機(jī)構(gòu)旋量間的互易關(guān)系Fig.1 Reciprocal relation between mechanism screw

圖2 機(jī)構(gòu)旋量間的從屬關(guān)系Fig.2 Affiliation between mechanism screw

將以上互易與從屬關(guān)系用集合描述為機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)旋量與支鏈運(yùn)動(dòng)旋量及機(jī)構(gòu)約束旋量與支鏈約束旋量間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，建立機(jī)構(gòu)輸出與支鏈輸出特征參數(shù)間的相互關(guān)系。以機(jī)構(gòu)輸出特征參數(shù)為目標(biāo)依次確定支鏈的運(yùn)動(dòng)副配置，其型綜合過程表示為

式中，w、ζ分別為機(jī)構(gòu)輸出自由度的數(shù)量和特征；$M、分別為機(jī)構(gòu)及支鏈的運(yùn)動(dòng)旋量系；$r、分別為機(jī)構(gòu)及支鏈的約束旋量系。

Qu 等[8]4根據(jù)旋量理論進(jìn)行了并聯(lián)解耦機(jī)構(gòu)的型綜合。張彥斌等[9]根據(jù)互易旋量理論，以分支的驅(qū)動(dòng)旋量、主動(dòng)旋量和可動(dòng)非主動(dòng)旋量間的相互關(guān)系，得到了3自由度各向同性平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)。

1.4 GF集理論

GF集是機(jī)構(gòu)末端速度特征的一種集合，依據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)特征與移動(dòng)特征的拓?fù)潢P(guān)系，以Plücker 坐標(biāo)為基礎(chǔ)，描述拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)關(guān)系。GF集的型綜合過程可由式（6）～式（7）表示為

式中，GF為末端速度特征，GFi表示第i(i=1，2，…，n)條支鏈的末端速度特征。

式中，F(xiàn)D為機(jī)構(gòu)末端輸出特征；N為支鏈數(shù)；n為具有主動(dòng)驅(qū)動(dòng)的支鏈數(shù)；qi為主動(dòng)支鏈i上的驅(qū)動(dòng)器數(shù)；p為被動(dòng)支鏈數(shù)。

GF集的型綜合主要依據(jù)移動(dòng)特征與轉(zhuǎn)動(dòng)特征間的影響規(guī)律進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)綜合。影響規(guī)律表現(xiàn)為：①第一類六維全集GF集與任何其他GF集求交時(shí)不改變其他GF集的特征。②移動(dòng)全集與任何其他GF集求交時(shí)不改變其他GF集的移動(dòng)特征。③轉(zhuǎn)動(dòng)全集第二類GF與任何其他第二類GF集求交時(shí)，如果兩個(gè)第二類GF集轉(zhuǎn)動(dòng)中心重合，則該轉(zhuǎn)動(dòng)全集GF不改變其他集GF的轉(zhuǎn)動(dòng)特征。

GF集依據(jù)機(jī)構(gòu)移動(dòng)特征與轉(zhuǎn)動(dòng)特征的相互影響及順序性，準(zhǔn)確描述了機(jī)構(gòu)末端的運(yùn)動(dòng)能力。童幸等[10]基于GF集對(duì)3-DOF 解耦（可約）平移機(jī)構(gòu)進(jìn)行了型綜合。秦友蕾等[11]根據(jù)鉸鏈軸線的遷移規(guī)律，對(duì)3R2T并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了解耦綜合。

上述幾種型綜合方法各有特色，為解耦機(jī)構(gòu)的型綜合提供了不同的解決途徑。對(duì)上述幾種方法特點(diǎn)的總結(jié)如表1所示。

表1 解耦機(jī)構(gòu)型綜合方法的分析Tab.1 Analysis of type synthesis method of decoupled mechanism

類型特點(diǎn)旋量理論GF集理論借助運(yùn)動(dòng)旋量系與約束旋量系間的對(duì)偶關(guān)系及旋量與反旋量間的互易關(guān)系。描述型綜合過程。理論描述。依據(jù)運(yùn)動(dòng)副軸線間的方向與位置約束關(guān)系，揭示支鏈的輸出運(yùn)動(dòng)規(guī)律，探索支鏈間的解耦關(guān)系。

上述幾種方法從不同角度為解耦機(jī)構(gòu)的型綜合提供了理論依據(jù)。

2 解耦機(jī)構(gòu)的型綜合方法

解耦機(jī)構(gòu)的本質(zhì)是末端的輸出運(yùn)動(dòng)特征能夠通過不同的驅(qū)動(dòng)器控制。當(dāng)動(dòng)平臺(tái)的部分方位變量只是部分運(yùn)動(dòng)輸入變量（θ1，θ2，…，θr）（r＜F）的函數(shù)時(shí)，機(jī)構(gòu)的輸入/輸出變量間存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，機(jī)構(gòu)完全解耦，表示為

表示三角化結(jié)構(gòu)為

解耦機(jī)構(gòu)的型綜合方法為：根據(jù)解耦機(jī)構(gòu)的輸出特征，確定支鏈特征及運(yùn)動(dòng)副軸線的方向及位置的約束關(guān)系；驗(yàn)證機(jī)構(gòu)的自由度；輸出特性分析；若滿足解耦輸出特征，則綜合機(jī)構(gòu)為解耦機(jī)構(gòu)，否則重新進(jìn)行支鏈結(jié)構(gòu)解方位特征配置。具體流程如圖3所示。

圖3 解耦機(jī)構(gòu)的綜合流程Fig.3 Type synthesis procedure of decoupling mechanism

圖3 表明解耦機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)主要取決于3 個(gè)關(guān)鍵因素：①機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)輸出特征與各支鏈末端運(yùn)動(dòng)輸出特征的關(guān)聯(lián)關(guān)系（具有可分離自由度）。②支鏈的尺度參數(shù)（運(yùn)動(dòng)副軸線的幾何及位置約束關(guān)系）。③驅(qū)動(dòng)副的選擇。

2.1 機(jī)構(gòu)與支鏈輸出特征關(guān)聯(lián)關(guān)系

根據(jù)并聯(lián)結(jié)構(gòu)關(guān)系，機(jī)構(gòu)部分從動(dòng)件相對(duì)于機(jī)架的位置和方向只是部分驅(qū)動(dòng)輸入的函數(shù)時(shí)，該機(jī)構(gòu)具有部分自由度，表示為

運(yùn)動(dòng)鏈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)關(guān)系可表示為

圖4所示為自由度可分離的機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)通過機(jī)架分離為兩個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)鏈（SKC），且驅(qū)動(dòng)副位于不同的SKC中，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)與輸出的一一對(duì)應(yīng)。

圖4 自由度可分離機(jī)構(gòu)Fig.4 Separable degree of freedom mechanism

2.2 支鏈解耦設(shè)計(jì)

支鏈解耦設(shè)計(jì)主要取決于運(yùn)動(dòng)副軸線間的約束關(guān)系。因此，在滿足驅(qū)動(dòng)副運(yùn)動(dòng)特征與支鏈中其他方向運(yùn)動(dòng)解耦的條件下，支鏈設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下條件：

（1）沿主動(dòng)副軸線方向上，支路末端構(gòu)件的輸出必須為該支路主動(dòng)輸入的函數(shù)。

（2）若末端運(yùn)動(dòng)特征含有兩個(gè)以上移動(dòng)特征，則支鏈中的轉(zhuǎn)動(dòng)副軸線必須正相交或平行；移動(dòng)副的軸線必須相互垂直。

（3）若動(dòng)平臺(tái)有轉(zhuǎn)動(dòng)輸出要求，則所有支路的最后一個(gè)運(yùn)動(dòng)副應(yīng)為轉(zhuǎn)動(dòng)副，且軸線必須與動(dòng)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)輸出軸線的方向一致。

2.3 驅(qū)動(dòng)副的選擇

為了提高機(jī)構(gòu)運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性，通常所有驅(qū)動(dòng)副位于同一個(gè)平臺(tái)。對(duì)預(yù)選的F個(gè)運(yùn)動(dòng)副為驅(qū)動(dòng)副，將其剛化，得到新機(jī)構(gòu)。需滿足條件為

由于驅(qū)動(dòng)副輸入運(yùn)動(dòng)特征往往受軸線遷移的影響，因此，驅(qū)動(dòng)副的選擇應(yīng)遵循以下原則[8]4：

（1）根據(jù)支鏈末端輸出參數(shù)的特征要求，依次確定支鏈中運(yùn)動(dòng)副類型，且1個(gè)支鏈中最多只能含有1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)輸入特征。

（2）若支鏈的主動(dòng)輸入僅含有1個(gè)移動(dòng)特征，則驅(qū)動(dòng)副可為移動(dòng)副、轉(zhuǎn)動(dòng)副或圓柱副；若輸入運(yùn)動(dòng)為轉(zhuǎn)動(dòng)特征，則驅(qū)動(dòng)副只能為轉(zhuǎn)動(dòng)副。

（3）若支鏈主動(dòng)輸入運(yùn)動(dòng)含有兩個(gè)移動(dòng)特征，第1個(gè)移動(dòng)特征的驅(qū)動(dòng)副只能選擇移動(dòng)副。

3 運(yùn)動(dòng)特征的轉(zhuǎn)化方法

3.1 移動(dòng)副轉(zhuǎn)化

沿某一方向的移動(dòng)副可用與該方向正交的轉(zhuǎn)動(dòng)副實(shí)現(xiàn)該方向的移動(dòng)特征，可以改善機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)性能，易于實(shí)現(xiàn)解耦控制。

圖5 所示平行四邊形4R 機(jī)構(gòu)被定義為Pa 運(yùn)動(dòng)副。其相對(duì)運(yùn)動(dòng)存在兩個(gè)特點(diǎn)：①構(gòu)件A與構(gòu)件B不存在相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。②增加了垂直方向的相對(duì)移動(dòng)。在保持運(yùn)動(dòng)輸出不變條件下，用四邊形機(jī)構(gòu)替代P副，能有效改善并聯(lián)機(jī)構(gòu)的性能。文獻(xiàn)[12]借助該運(yùn)動(dòng)副特性進(jìn)行了解耦機(jī)構(gòu)的型綜合。

圖5 移動(dòng)副轉(zhuǎn)化Fig.5 Prismatic pair transformation

類似特征的平行四邊形機(jī)構(gòu)具有輸出構(gòu)件相對(duì)于機(jī)架的姿態(tài)保持不變的運(yùn)動(dòng)特征，可有效消除機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，基本類型有4R、4U、4S平行四邊形機(jī)構(gòu)。

3.2 衍生運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)

衍生運(yùn)動(dòng)亦稱伴隨運(yùn)動(dòng)。一般情況下，轉(zhuǎn)動(dòng)副往往衍生出垂直于其軸線方向的兩個(gè)平移運(yùn)動(dòng)。如果輸出有平移運(yùn)動(dòng)特征要求，則可用轉(zhuǎn)動(dòng)副作為驅(qū)動(dòng)副，其衍生運(yùn)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)其他兩個(gè)正交方向上移動(dòng)的輸出解耦。

對(duì)于有幾個(gè)獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)方向輸出特征要求的機(jī)構(gòu)，衍生運(yùn)動(dòng)的消除是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。在設(shè)計(jì)中對(duì)于僅由轉(zhuǎn)動(dòng)副R 組成的單開鏈，每一構(gòu)件的桿長(zhǎng)與軸長(zhǎng)皆為0，即所有轉(zhuǎn)動(dòng)副軸線交于一點(diǎn)（簡(jiǎn)稱恒共點(diǎn)），該結(jié)構(gòu)不存在衍生運(yùn)動(dòng)[13-14]，可實(shí)現(xiàn)只存在轉(zhuǎn)動(dòng)要求的解耦設(shè)計(jì)，如圖6所示。

圖6 轉(zhuǎn)動(dòng)副的恒共點(diǎn)設(shè)計(jì)Fig.6 Constant common design of rotating pair

Jin 等[15]以此為據(jù)，對(duì)解耦機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)約束特征進(jìn)行了研究。張帆等[16]借助該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了球面并聯(lián)解耦機(jī)構(gòu)。Li等[17]借助該結(jié)構(gòu)對(duì)[P]S 類并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了無伴隨運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

因此，當(dāng)支鏈含有兩維或三維共點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)特征時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)中心的位置在移動(dòng)特征的影響下會(huì)發(fā)生偏移。如圖7（a）所示，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)特征位于支鏈末端，支鏈末端的轉(zhuǎn)動(dòng)中心隨支鏈中任一移動(dòng)特征的變化而變化。此時(shí)，機(jī)構(gòu)將喪失全部或部分轉(zhuǎn)動(dòng)能力。相反，圖7（b）所示轉(zhuǎn)動(dòng)特征不受支鏈中移動(dòng)特征的影響。因此，當(dāng)運(yùn)動(dòng)鏈末端存在兩維或三維共點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)特征需求時(shí)，應(yīng)按轉(zhuǎn)動(dòng)特征在前、移動(dòng)特征在后的順序布置。

圖7 混合特征單開聯(lián)鏈解耦設(shè)計(jì)Fig.7 Hybrid characteristic single-open-chain decoupling design

4 解耦機(jī)構(gòu)的應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著機(jī)構(gòu)解耦技術(shù)的不斷發(fā)展，在工業(yè)、航天、醫(yī)療和微機(jī)械等諸多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。本節(jié)從應(yīng)用的角度鳥瞰解耦機(jī)構(gòu)的應(yīng)用研究進(jìn)展，希望能有更多的學(xué)者及工業(yè)界人士關(guān)注研究解耦機(jī)構(gòu)，進(jìn)一步拓寬其應(yīng)用的領(lǐng)域與空間。

4.1 解耦機(jī)構(gòu)與工業(yè)

平面解耦操作手可在大工作空間實(shí)現(xiàn)位姿的靈活變換，被用于大幅面光電產(chǎn)品的檢測(cè)及大型工件的加工操作（加工、焊接、噴涂）[18]?；谶B續(xù)轉(zhuǎn)軸的2 自由度轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可用于天線定向、攝像機(jī)跟蹤、太陽能定位等2自由度轉(zhuǎn)動(dòng)領(lǐng)域[19]。3自由度多軸并聯(lián)解耦數(shù)控機(jī)床樣機(jī)為裝備制造業(yè)提供了有力的技術(shù)支撐[20]?；炻?lián)機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)的解耦設(shè)計(jì)，大大提高了控制精度，使工業(yè)產(chǎn)品的合格率得到了大幅提高。全解耦3平移多維振動(dòng)篩可獲得多個(gè)工況下物料顆粒的篩分，輸入、輸出具有完全解耦的并聯(lián)篩分機(jī)構(gòu)，使茶葉在篩面上快速均布，有效避免茶葉堵塞篩孔，從而提高篩分效率；其振動(dòng)幅度、頻率和振動(dòng)自由度都能獨(dú)立調(diào)節(jié)且便于控制，可實(shí)現(xiàn)不同品種茶葉的篩分[21]。

4.2 解耦機(jī)構(gòu)與航天工程

航空航天領(lǐng)域中的微器件（微衛(wèi)星、微陀螺、微加速度計(jì)、微傳感器）具有結(jié)構(gòu)尺寸小、精度高等特點(diǎn)。振動(dòng)性能、可靠性、高靈敏度性能測(cè)試是這類微器件測(cè)試領(lǐng)域的難題。2 自由度及3 自由度柔性解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的微定位及精確定位，能夠滿足微器件的測(cè)試需求。多維柔性解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu)則可被應(yīng)用于加速傳感器的測(cè)試實(shí)驗(yàn)[22]。

二維微定位自解耦裝置[23]實(shí)現(xiàn)了光刻物鏡檢測(cè)平臺(tái)的準(zhǔn)確定位。全柔性微動(dòng)全解耦并聯(lián)激振臺(tái)具有相同的振動(dòng)規(guī)律與振動(dòng)頻率，容易控制。2自由度轉(zhuǎn)動(dòng)解耦的角度調(diào)整裝置[24]可用于改變高密度封裝中芯片姿態(tài)。彈性整體運(yùn)動(dòng)副[25]并聯(lián)解耦六維力傳感器無運(yùn)動(dòng)副的安裝間隙和偏載、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、易于制造和安裝。星球探測(cè)車通過采用補(bǔ)償鉸鏈解耦法可滿足其在崎嶇地形平穩(wěn)運(yùn)行的能力。

4.3 解耦與醫(yī)療

近年來，面向生物工程、醫(yī)學(xué)工程的微操作解耦機(jī)器人受到國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工程界的廣泛關(guān)注，發(fā)展速度極快，已被應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的注射分割及微外科手術(shù)等。3T2R 并聯(lián)解耦機(jī)構(gòu)被用于外科手術(shù)的頭部支架[26]。2T2R 機(jī)構(gòu)[27]被用于外科的注射系統(tǒng)。6 自由度解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu)[28]被用于長(zhǎng)骨骨折的回復(fù)機(jī)構(gòu)。遠(yuǎn)程全解耦并聯(lián)機(jī)器人被用于外科手術(shù)[29]。兩個(gè)解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu)混聯(lián)機(jī)器人[30]可用于腹腔鏡手術(shù)，實(shí)現(xiàn)了微創(chuàng)手術(shù)操作的技能要求。Kuo 等[31]研發(fā)的解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu)被用于腹腔手術(shù)的空間定位機(jī)構(gòu)。

5 發(fā)展趨勢(shì)

解耦機(jī)構(gòu)的型綜合過程與數(shù)學(xué)之間存在著不同層次的聯(lián)系，數(shù)學(xué)方法如圖論、集合論、矢量代數(shù)、旋量理論、李群、多項(xiàng)式理論、迭代法、同倫法等可直接應(yīng)用于機(jī)構(gòu)學(xué)。

隨著機(jī)構(gòu)解耦技術(shù)的發(fā)展與成熟，解耦機(jī)構(gòu)已延伸到軍事、生產(chǎn)、生活、康復(fù)醫(yī)療等諸多領(lǐng)域。解耦設(shè)計(jì)方法由單一的技術(shù)設(shè)計(jì)向多學(xué)科的交叉與融合發(fā)展；解耦結(jié)構(gòu)由剛性向剛?cè)嵋惑w化結(jié)構(gòu)發(fā)展；應(yīng)用空間由工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域向航天、航空及精密領(lǐng)域延拓。

并聯(lián)解耦機(jī)構(gòu)在學(xué)術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域引起了極大關(guān)注，尤其在解耦措施上，涌現(xiàn)出了多種方法。但目前尚未從理論高度形成系統(tǒng)化的解決方案。解耦機(jī)構(gòu)各種性能指標(biāo)的定量描述與分析為解耦機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供有效的技術(shù)支撐，有利于助推解耦機(jī)構(gòu)向高科技領(lǐng)域延伸。在工農(nóng)業(yè)及日常生活服務(wù)領(lǐng)域，將具有解耦特性的并聯(lián)機(jī)構(gòu)承載于機(jī)器人系統(tǒng)，也將產(chǎn)生巨大的應(yīng)用空間。

6 結(jié)論

（1）支鏈的解耦設(shè)計(jì)有待從數(shù)學(xué)理論高度構(gòu)建統(tǒng)一的生成原理。按照支鏈幾何約束與位置約束建立智能化的生成機(jī)理。尤其是根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)副軸線的幾何關(guān)系、轉(zhuǎn)動(dòng)副與移動(dòng)副對(duì)末端特征影響的規(guī)律，建立根據(jù)輸出運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行逆向求解，獲得解耦支鏈的生成機(jī)理。

（2）解耦設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)方法體現(xiàn)了學(xué)科的交叉與融合。根據(jù)機(jī)構(gòu)的不同功能，解耦設(shè)計(jì)方法出現(xiàn)了“多元化”趨勢(shì)。因此，融合其他學(xué)科如仿生學(xué)、概念創(chuàng)新設(shè)計(jì)，將為解耦構(gòu)型提供更多的原生構(gòu)態(tài)。

（3）并聯(lián)解耦機(jī)構(gòu)已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療、航天等領(lǐng)域。可以預(yù)見，隨著解耦技術(shù)的發(fā)展與成熟，將進(jìn)一步擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域。同時(shí)，將其搭載于機(jī)器人系統(tǒng)，將進(jìn)一步拓寬其應(yīng)用的空間。