具有连续转轴的新型3-UPU并联机构的运动特性分析

中国机械工程

具有连续转轴的新型3-UPU并联机构的运动特性分析

韩雪艳1，2;王子义1，2;李仕华1，2;田志立1，2

1.燕山大学河北省并联机器人与机电系统实验室，秦皇岛，066004
2.燕山大学机械工程学院，秦皇岛，066004

出版日期:2018-10-25 发布日期:2018-10-19
基金资助:
高等学校博士学科点专项科研基金资助项目（20131333110008）；
河北省自然科学基金资助重点项目（E2016203463）
Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education of China (No. 20131333110008)
Hebei Provincial Natural Science Foundation of China （No. E2016203463）

Kinematics Characteristics Analysis of a New 3-UPU Parallel Mechanism with Continuous Rotation Axes

HAN Xueyan1，2;WANG Ziyi1，2;LI Shihua1，2;TIAN Zhili1，2

1.Parallel Robot and Mechatronic System Laboratory of Hebei Province，Yanshan University，Qinhuangdao，Hebei，066004
2.School of Mechanical Engineering，Yanshan University，Qinhuangdao，Hebei，066004

Online:2018-10-25 Published:2018-10-19
Supported by:
Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education of China (No. 20131333110008)
Hebei Provincial Natural Science Foundation of China （No. E2016203463）

摘要/Abstract

摘要： 提出了一种新型3-UPU对称并联机构，该机构具有两个转动自由度和一个移动自由度（2R1T）。基于单叶双曲面几何性质，证明了该机构在任意位形下始终关于一个中间平面对称及机构自由度的非瞬时性；进而发现该机构动平台具有可绕其中间对称平面内任意直线做连续转动的特性，并通过仿真进行验证；采用一种新的两转动机构的姿态矩阵的求解方法，推导了该机构的运动学反解，并进一步分析了其工作空间。研究结果为该类机构的应用提供了理论参考。

关键词: 两转一移, 单叶双曲面, 连续转动, 工作空间

Abstract: A novel 3-UPU parallel mechanism was proposed，which has 2R1T degrees of freedom （DOFs）.Based on the geometric properties of the uniparted hyperboloid，the mechanism's symmetry about middle plane was discovered，and the non instantaneity of the mechanism's DOF was approved.It was verified by simulation that the moving platform might rotate continuously around any axis in the middle plane.The inverse kinematics solutions were derived by a new method of solving the attitude matrix of platform with two rotational DOFs，and the workspace was analysed.The research results provide theoretical references for the applications of the mechanisms.

Key words: two rotational and one translational（2R1T）, uniparted hyperboloid, continuous rotation, workspace

中图分类号:

TP112

韩雪艳1，2;王子义1，2;李仕华1，2;田志立1，2. 具有连续转轴的新型3-UPU并联机构的运动特性分析[J]. 中国机械工程.

HAN Xueyan1，2;WANG Ziyi1，2;LI Shihua1，2;TIAN Zhili1，2. Kinematics Characteristics Analysis of a New 3-UPU Parallel Mechanism with Continuous Rotation Axes[J]. China Mechanical Engineering.

参考文献

[1]李秦川，柴馨雪，陈巧红，等.2-UPR-SPR并联机构转轴分析[J].机械工程学报，2013，49（21）：62-69.
LI Qinchuan，CHAI Xinxue，CHEN Qiaohong，et al.Analysis of Rotational Axes of 2-UPR-SPR Parallel Mechanism[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering，2013，49（21）：62-69.
[2]LIU X J，WANG J，PRITSCHOW G.A New Family of Spatial 3-DoF Fully-parallel Manipulators with High Rotational Capability[J].Mechanism & Machine Theory，2005，40（4）：475-494.
[3]XU Y D，ZHOU S S，YAO J T，et al.Rotational Axes Analysis of the 2-RPU/SPR 2R1T Parallel Mechanism[J].Mechanisms & Machine Science，2014，22：113-121.
[4]XU Y D，ZHANG D S，WANG M，et al.Type Synthesis of Two-degrees-of-freedom Rotational Parallel Mechanism with Two Continuous Rotational Axes[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering，2016，29（4）：694-702.
[5]LI S H，LIU Y，CUI H，et al.Synthesis of Branched Chains with Actuation Redundancy for Eliminating Interior Singularities of 3T1R Parallel Mechanisms[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering，2016，29（2）：250-259.
[6]窦玉超，曾达幸，李明洋，等.一种两转一移完全解耦并联机器人机构及其特性分析[J].中国机械工程，2014，25（2）：241-245.
DOU Yuchao，ZENG Daxing，LI Mingyang，et al.Analysis of a 2T1R Fully Decoupled Parallel Robot Mechanism and Its Characteristics[J].China Mechanical Engineering，2014，25（2）：241-245.
[7]LI Q，CHEN Q，WU C，et al.Geometrical Distribution of Rotational Axes of 3-（P）（S）Parallel Mechanisms[J].Mechanism & Machine Theory，2013，65（7）：46-57.
[8]陈子明，张扬，黄坤，等.一种无伴随运动的对称两转一移并联机构[J].机械工程学报，2016，52（3）：9-17.
CHEN Ziming，ZHANG Yang，HUANG Kun，et al.Symmetrical 2R1T Parallel Mechanism without Parasitic Motion[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering，2016，52（3）：9-17.
[9]黄真，陈子明，曹文熬，等.易于控制的两转一移并联机构：中国，201210445043.1[P].2013-03-13.
HUANG Zhen，CHEN Ziming，CAO Wenao，et al.Easily Controlled Parallel Mechanism with Two Rotational and One Translational Degrees of Freedom：China，201210445042.7[P].2013-03-13.
[10]黄真，陈子明，李艳文，等.一种对称两转一移并联机构：中国，201210445042.7[P].2013-03-13.
HUANG Zhen，CHEN Ziming，LI Yanwen，et al.A Symmetrical Parallel Mechanism with Two Rotational and One Translational Degrees of Freedom：China，201210445042.7[P].2013-03-13.
[11]黄真，陈子明，杨凤霞，等.无伴随运动的对称两转一移并联机构：中国，201210445025.3[P].2013-03-13.
HUANG Zhen，CHEN Ziming，YANG Fengxia，et al.Symmetrical 2R1T Parallel Mechanism without Parasitic Motion：China，201210445025.3[P].2013-03-13.
[12]黄真，赵永生，赵铁石.高等空间机构学[M].北京：高等教育出版社，2014：2-25，119.
HUANG Zhen，ZHAO Yongsheng，ZHAO Tieshi.Higher Space Institutions [M].Beijing：Higher Education Press，2014：2-25，119.

[1]	尹猛, 徐志刚, 赵志亮, 韩伟, . 基于套索传动的五指灵巧手设计与主从控制[J]. 中国机械工程, 2021, 32(08): 951-959.
[2]	许允斗1,2;徐郑和1;杨帆1;赵云1;梅有恩1;周玉林1,2;姚建涛1,2;赵永生1,2. 考虑工作空间与力传递效率的新型五自由度混联机器人设计与分析[J]. 中国机械工程, 2019, 30(16): 1996-2002.
[3]	张彦斌1,2,3;荆献领1;韩建海1,2;陈子豪1. 新型RR-RURU踝关节康复机器人机构的设计与分析[J]. 中国机械工程, 2019, 30(14): 1734-1741.
[4]	沈惠平;吴成琦;许可;赵迎春;杨廷力. 一种零耦合度三平移并联机构的设计及运动学[J]. 中国机械工程, 2019, 30(06): 658-664.
[5]	沈惠平;赵迎春;许可;张震;杨廷力. 一种可重构、部分运动解耦的空间n维平移1维转动并联机构的拓扑及其运动学设计[J]. 中国机械工程, 2019, 30(04): 413-422.
[6]	沈惠平;许可;杨廷力. 运动解耦和低耦合度选择顺应性装配机器手臂并联机构的设计及其运动分析[J]. 中国机械工程, 2018, 29(08): 883-892.
[7]	王杰1;管声启1;夏齐霄2. 手指康复外骨骼机器人的结构优化设计[J]. 中国机械工程, 2018, 29(02): 224-229.
[8]	朱伟;顾开荣;王传伟;刘晓飞. 一种3T1R并联机构设计及运动学性能分析[J]. 中国机械工程, 2018, 29(01): 14-21.
[9]	艾青林;阮惠祥;陈教料;应申舜. 基于多维度空间耦合的六足机器人步态规划[J]. 中国机械工程, 2017, 28(23): 2829-2838.
[10]	周少瑞;刘宏昭. 一种3-CRCR/RPU对称并联机器人机构工作空间及运动学分析[J]. 中国机械工程, 2017, 28(20): 2500-2508.
[11]	曹瑞珉, 郝丽娜, 高金海. 一种大工作空间密度的压电微动二维工作台设计[J]. 中国机械工程, 2017, 28(09): 1016-1020,1028.
[12]	董晓东, 段清娟, 马彪, 段学超. 基于凸集理论的绳牵引串并联机器人工作空间算法[J]. 中国机械工程, 2016, 27(18): 2424-2429,2436.
[13]	潘英, 方跃法, 汪丛哲. 五自由度3D打印并联机器人设计及分析[J]. 中国机械工程, 2016, 27(17): 2273-2279.
[14]	张忠雷, 金振林, 张金柱. 新型送料机械手及其工作空间分析[J]. 中国机械工程, 2016, 27(13): 1743-1747.
[15]	曹浩峰, 曹毅, , 秦友蕾, 丁锐. 新型完全各向同性3T并联机构及其特性分析[J]. 中国机械工程, 2016, 27(10): 1377-1381.