一种3-CRCRRPU对称并联机器人机构工作空间及运动学分析

图 ２ 所示为并联机器人机构模型.在不影响
动支链上,使得机构动力学性能降低,造成控制不
机构自由度的前提下,为增强机构承载能力,在此
易、承 载 能 力 差、存 在 奇 异 位 形 和 强 耦 合,从 而 限
机构各 CRCR 支链上添 加 局 部 约 束,即 动 平 台 中
制了这类并联机构在工业领域中的应用.
于 中 心 位 置 的 RPU 运 动 支 链 和 ３ 条 相 同 的
CRCR 运动支链.图 １ 中 圆 柱 副 C１ 、
C２ 、
C３ 分 别
为各支链主动副,转 动 副 R７ 为 机 构 输 入 驱 动;圆
柱副 C１ 、
C２ 、
C３ 和移动副 P 轴线互 相 平 行 且 垂 直
于定平 台 所 在 平 面;每 条 CRCR 支 链 上 圆 柱 副
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(
２)
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式中,以 上 螺 旋 系 中 (
ei１ ,
fi１ ,
gi１ )表 示 三 条 CRCR 支 链
(
i ＝１,
２,
３)上 对 应 的 旋 转 副 R１ 、
R２ 、
R３ 的 轴 向 向 量;
图 １ ３
ＧCRCR/RPU 并联机构
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(
ei２ ,
C５ 、
C６ 的轴向向量;
fi２ ,
gi２ )表示对应的圆柱副 C４ 、
(
ei３ ,
R５ 、
R６ 的 轴 向 向 量;(
制约束条件给出其工作空间,得出机构具有类斜六面体的α
Ｇ
Ｇ
z 位姿子空间.最后,研究机构结构参 数
β
对工作空间的影响,并基于改进后的全局性能指标ηJ 研究不同结构参数下机构 整 体 性 能 分 布,从 而 为
该机构的空间轨迹规划、结构设计的优化问题提供参考.
关键词:并联机器人机构;运动学分析;螺旋理论;工作空间
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ＧDOF 并联机构
计,并提出一 种 通 过 ４ 条 ５R 支 链 特 殊 布 局 构 成
.第 １ 种对称 ４
ＧDOF
[
１
Ｇ
２]
并联机构是 COMPANY 等 [３]提 出 的 含 球 面 四 杆
子链的 H４ 并联机构,具有 ３ 平移 １ 转动自由度;
ZLATANOV 等 提出一种由 ４ 条 ５R 支链 通 过
所在平面交点恰为虎克铰 U 的中心;转动副 R７ 转
动轴线与移动副 P 轴线重合,分别在定平台和动平
台的中心建立坐标系o０x０y０z０ 和o１x１y１z１.
图 ２ ３
ＧCRCR/RPU 并联机器人机构模型
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借助螺旋理论来分析机构的支链自由度.将
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的对称 ４ 自 由 度 并 联 机 构;车 林 仙 [７]提 出 一 种 含
平行四边 形 ４R 子 链 的 对 称 ４
ＧRUPaR 并 联 机 器
人机构.
截至目前,对称 ４
ＧDOF 并联机构理论和技术
的研究还不够成熟,特别是容易操作、具有优良性
能和工程应 用 价 值 的 对 称 ４
ＧDOF 机 构 较 少. 当
中国机械工程第 ２８ 卷第 ２０ 期 ２０１７ 年 １０ 月下半月
一种 ３
ＧCRCR/RPU 对称并联机器人机构
工作空间及运动学分析
周少瑞 刘宏昭
西安理工大学机械与精密仪器学院,西安,
７１００４８
摘要:提出一种新型对称 ３
ＧCRCR/RPU 并 联 机 构,借 助 修 正 的 Ku
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定平台坐标系o０x０y０z０ 移动到动平台原点o１ 得
到坐标系o
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′,并 在 此 坐 标 系 下 得 到 各 运 动
支 链的运动螺旋系 ＄i(
i＝１,
２,
３,为３条 CRCR 运
动支链;
i＝４,为 RPU 运动支链):
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异位形的特性.在工作空间的基础上研究结构参
数对工作空间的 影 响,同 时 建 立 机 构 的 整 体 性 能
平台中心位 置 转 动,转 动 副 R４ 、
R５ 、
R６ 在 其 所 在
平面内转动.并联机器人机构通过安装在机架上
的 ３ 个直线驱动器驱动圆柱副 C１ 、
C２ 、
C３ ,以 及 １
个旋转驱动器驱动转动副 R７ ,使机构获得４
ai１ ,
bi１ ,
ci１ )
fi３ ,
gi３ )表示 R４ 、
表示圆柱 副 C１ 、
C２ 、
C３ 分 别 与 圆 柱 副 C４ 、
C５ 、
C６ 的 交 点
２５０１
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中国机械工程第 ２８ 卷第 ２０ 期 ２０１７ 年 １０ 月下半月
前大部分对称并联机构结构上为三杆四副或者四
２５００
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一种 ３
ＧCRCR/RPU 对称并联机器人机构工作空间及运动学分析———周少瑞 刘宏昭
杆五副,输入运动副难以选取,多数驱动副位于运
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特殊布局得 到 的 对 称 并 联 机 构 以 及 一 种 由 ３ 条
[
４]
５R 支链 及 １ 条 RRC 支 链 组 合 的 对 称 ４
ＧDOF 并
收稿日期:
２０１６ １１ １４
基金项目:国家自然科学基金资助项目(
５１２７５４０４)
构的雅可比矩阵,用 于 机 构 性 能 分 析 和 运 动 学 设
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r 公 式,结 合 螺 旋
理论进行分析,该机构具有 ４ 个自由度.根据几何约束条件列写矢量方程,以解析解形式给出该机构的
运动学正解和逆解,基于逆解对机构速度和加速度进行分析,对机构雅 可 比 矩 阵 分 析 知,该 机 构 不 含 奇
异位形且部分解耦.应用 ADAMS 软件建立仿真模型,验证运动学模型的正确性.根据机构各关节限
本文结合螺旋理论提出 了 一 种 新 型 ３ 转 动 １
心通过共轴线的转 动 副 R４ 、
R５ 、
R６ 连 接 各 CRCR
支链末端的滑杆,这 些 滑 杆 位 于 动 平 台 所 在 平 面
移动的 ４
ＧDOF 并联机构———３
ＧCRCR/RPU 并联
内且沿动平台半径 方 向 分 布;滑 杆 另 一 端 添 加 滚
机构.通过对该机构运动学、工作空间进行研究,
轮,动平台上有环形滚道,沿动平台所在平面的圆
得知该机构具有 运 动 学 正 逆 解 简 单、部 分 解 耦 的
周方向分布,滚轮与滚道之间滚动接触,滑杆绕动
特点,且驱动副均位于定平台,减小了各运动支链
产生的附加惯性力.该并联机器人机构具有结构
紧凑、承载能力强、精度高以及工作空间连续无奇
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中图分类号:
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