基于旋量分析的4-PaUS/PPPU并聯(lián)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能仿真

王同特 黃海濱 傅亭碩 程華康

摘要：

由于并聯(lián)機(jī)器人的多環(huán)結(jié)構(gòu)能有效解決串聯(lián)機(jī)器人在高精度加工領(lǐng)域精度低，剛性差，響應(yīng)慢等問題，因此通過旋量法設(shè)計(jì)了一種新型4-PaUS/PPPU的2R3T并聯(lián)構(gòu)型，利用旋量理論分析了該機(jī)構(gòu)的自由度，給出了機(jī)構(gòu)的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解解析式。由運(yùn)動(dòng)/力傳遞性能分析結(jié)果可知，在工作空間內(nèi)并聯(lián)機(jī)構(gòu)ITI值在0.7以上，運(yùn)動(dòng)/力傳遞性能良好。

關(guān)鍵詞：

并聯(lián)機(jī)器人；旋量理論；運(yùn)動(dòng)學(xué)；運(yùn)動(dòng)/力傳遞性能

中圖分類號(hào)：

TH112

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

在輕載荷加工領(lǐng)域，串聯(lián)機(jī)器人的優(yōu)勢十分明顯，但在高精度、高剛度的加工領(lǐng)域受到一定限制［1-2］。雖然混聯(lián)機(jī)器人結(jié)合了串聯(lián)機(jī)器人和并聯(lián)機(jī)器人的特點(diǎn)，但在結(jié)構(gòu)緊湊、高剛度，良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)等性能上仍不如并聯(lián)機(jī)器人［3-6］。目前國內(nèi)外學(xué)者提出了許多5自由度并聯(lián)機(jī)器人的新構(gòu)型，如4-UPS/PPS機(jī)構(gòu)［7］，解決了恒力磨削加工中串聯(lián)機(jī)器人剛度小，累計(jì)誤差大，負(fù)載受限等問題，但在Z方向上運(yùn)動(dòng)范圍較小。郭強(qiáng)［8-9］對4-SPRR/SPR機(jī)構(gòu)進(jìn)行了理論分析與尺寸優(yōu)化，明顯提高了4-SPRR/SPR機(jī)構(gòu)的傳遞性能，但由于4-SPRR/SPR機(jī)構(gòu)缺少Y方向的平動(dòng)自由度，在加工領(lǐng)域中的應(yīng)用受到一定限制。3-SPS/PPS［10］機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)的特點(diǎn)，但約束了機(jī)構(gòu)X方向的移動(dòng)，且機(jī)構(gòu)的性能還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。目前，在需要2R3T自由度的高精度加工，仍由人力進(jìn)行，導(dǎo)致效率低，質(zhì)量不穩(wěn)定，工作環(huán)境差等問題［11-12］。本文利用旋量法設(shè)計(jì)了一種4-PaUS/PPPU構(gòu)型的2R3T并聯(lián)機(jī)構(gòu)，運(yùn)用旋量理論和運(yùn)動(dòng)/力性能指標(biāo)［13-14］評價(jià)其性能。

奇異性是機(jī)構(gòu)的固有特性，并聯(lián)機(jī)構(gòu)中，奇異主要分為兩種：機(jī)構(gòu)獲得額外自由度，導(dǎo)致機(jī)構(gòu)在某個(gè)自由度方向上的剛度與承載能力減弱，這類為約束奇異；機(jī)構(gòu)失去一個(gè)或多個(gè)自由度，導(dǎo)致機(jī)構(gòu)在失去自由度的方向上不可控，這類為傳遞奇異。當(dāng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)含有的約束力旋量數(shù)目不少于2時(shí)，機(jī)構(gòu)可能發(fā)生約束奇異。PaUS支鏈對末端不提供約束，PPPU支鏈僅提供一個(gè)約束，所以機(jī)構(gòu)末端只含有一個(gè)約束力旋量，故4-PaUS/PPPU并聯(lián)機(jī)構(gòu)不存在約束奇異。由圖6～圖8輸入運(yùn)動(dòng)/力傳遞性能指標(biāo)可知，4-PaUS/PPPU并聯(lián)機(jī)構(gòu)在工作區(qū)域內(nèi)不存在輸入傳遞奇異。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種新型4-PaUS/PPPU的空間對稱5自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)的自由度為X、Y、Z向的移動(dòng)自由度和繞X、Y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，且Z向移動(dòng)與其他運(yùn)動(dòng)無耦合，并通過機(jī)構(gòu)的幾何關(guān)系計(jì)算得到并聯(lián)機(jī)構(gòu)的位姿反解解析式，以機(jī)構(gòu)整體輸入傳遞性能指標(biāo)（ITI）為評價(jià)指標(biāo)，得到并聯(lián)機(jī)構(gòu)在工作范圍內(nèi)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)性能指標(biāo)值在0.7以上，總體性能穩(wěn)定且不存在約束奇異與輸入傳遞奇異。

參考文獻(xiàn)

［1］GAN D M， DIAS J， SENEVIRATNE L. Unified kinematics and optimal design of a 3rRPS metamorphic parallel mechanism with a reconfigurable revolute joint［J］. Mechanism and Machine Theory， 2016，96： 239-254.

［2］許允斗， 徐鄭和， 楊帆， 等. 考慮工作空間與力傳遞效率的新型五自由度混聯(lián)機(jī)器人設(shè)計(jì)與分析［J］. 中國機(jī)械工程， 2019，30（16）： 1996-2002.

［3］DONG C L， LIU H T， YUE W， et al. Stiffness modeling and analysis of a novel 5-DOF hybrid robot［J］. Mechanism and Machine Theory， 2018，125： 80-93.

［4］CHONG Z H， XIE F G， LIU X J， et al. Design of the parallel mechanism for a hybrid mobile robot in wind turbine blades polishing［J］. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing， 2020，61： 101857.

［5］LI J， YE F， SHEN N Y， et al. Dimensional synthesis of a 5-DOF hybrid robot［J］. Mechanism and Machine Theory， 2020，150： 103865.

［6］ZOU Q， ZHANG D， HUANG G Y. Dynamic performance evaluation of the parallel mechanism for a 3T2R hybrid robot［J］. Mechanism and Machine Theory， 2022，172： 104794.

［7］楊智勇， 周紅軍， 方喬， 等. 5自由度并聯(lián)機(jī)器人位姿與工作空間特性分析［J］. 機(jī)械傳動(dòng)， 2021，45（9）： 75-80.

［8］郭強(qiáng)， 崔國華， 魚海東， 等. 4-SPRR-SPR并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)性能評價(jià)與尺寸優(yōu)化［J］. 農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程， 2021，59（3）： 1-5.

［9］張金柱， 史漢卿， 王濤， 等. 五自由度并聯(lián)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)及其位置分辨能力分析［J］. 中國機(jī)械工程， 2021，32（12）： 1414-1422.

［10］ 周毅鈞， 傅敏， 鄭小東. 3-SPS/PPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析［J］. 科學(xué)技術(shù)與工程， 2021，21（1）： 152-157.

［11］ 黎廣喜， 劉海濤， 徐青山， 等. 銑削加工用混聯(lián)機(jī)器人參數(shù)曲線插補(bǔ)方法［J］. 航空制造技術(shù)， 2018，61（16）： 43-50.

［12］ ZHANG D S， XU Y D， YAO J T， et al. Analysis and optimization of a spatial parallel mechanism for a new 5-DOF hybrid serial-parallel manipulator［J］. Chinese Journal of Mechanical Engineering， 2018，31：54.

［13］ WANG J S， WU C， LIU X J. Performance evaluation of parallel manipulators： motion/force transmissibility and its index［J］. Mechanism and Machine Theory， 2010，45（10）： 1462-1476.

［14］ 陳祥， 謝福貴， 劉辛軍. 并聯(lián)機(jī)構(gòu)中運(yùn)動(dòng)/力傳遞功率最大值的評價(jià)［J］. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)， 2014，50（3）： 1-9.

［15］ 黃真， 劉婧芳， 李艷文. 150年機(jī)構(gòu)自由度的通用公式問題［J］. 燕山大學(xué)學(xué)報(bào)， 2011，35（1）： 1-14.

Design and Performance Simulation of 4-PaUS/PPPU

Parallel Mechanism Based on Screw Analysis

WANG Tong-te， HUANG Hai-bin， FU Ting-shuo， CHENG Hua-kang

（School of Mechanical and Automotive Engineering，

Xiamen University of Technology， Xiamen 316000， China）

Abstract：

As the parallel robot multi-ring structure can effectively solve the series robot in the field of high precision processing low accuracy， poor rigidity， slow response， a novel 4-PaUS / PPPU 2R3T parallel configuration was designed by screw method. The degree of freedom of the mechanism was analyzed by using the spiral theory， and the inverse kinematics inverse solution analytical formula of the mechanism was given. The motion/force transmission performance was simulated， and the ITI value of the parallel mechanism in the working space was above 0.7， which had good motion/force transmission performance.

Keywords：

parallel robot；screw theory；kinesiology；motion/force transmissibility

收稿日期：2023-03-17

基金項(xiàng)目：

福建省自然科學(xué)基金（批準(zhǔn)號(hào)：2022J011244）資助。

通信作者：

黃海濱，男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)闄C(jī)器人控制技術(shù)、智能控制算法研究及工程應(yīng)用。E-mail：2010110817@xmut.edu.cn