约束支链或无约束支链对并联机构运动学与刚度性能的影响——以两个部分运动解耦的新型三平移并联机构的设计、分析及其优选为例

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2023.13.003

摘要/Abstract

摘要： 设计了两个零耦合度且部分运动解耦的两支链新型三平移并联机构，它们含有的相同支链Ⅰ为混合支链，而支链Ⅱ分别为约束支链和无约束支链。分析了两个机构的主要拓扑特性，并给出其拓扑解析式；对两个机构的位置正反解、奇异性、动平台的速度与加速度以及工作空间依次求解；进行了刚度计算与分析。最后，比较分析两个机构的运动学与刚度性能，结果表明含约束支链的机构1具有工作空间较大、刚度性能好等优势，为优选机型；给出了机构1用于工件物料在货车与堆场或仓库之间的分拣及转送应用场景的概念设计。

关键词: 并联机构, 拓扑设计, 运动学, 工作空间, 奇异性, 刚度

Abstract: Two novel three-translation PMs of two branch chains with zero coupling-degree and partial motion decoupling were designed. They contained the same branch Ⅰ as a mixed branch， while branch Ⅱ was a constrained branch or an unconstrained branch respectively. Firstly， the main topological characteristics of the two mechanisms were analyzed， and their topological analytical expressions were given. Secondly， the forward and inverse position solutions， singularity， velocity and acceleration of the moving platforms， and workspaces of the two mechanisms were solved in turn. Then， the stiffness was calculated and analyzed. Finally， the comparative analyses of the kinematics and stiffness performance of the two PMs show that the PM 1 with the constraint branch chain has the advantages of large working space and good stiffness performance， which is the preferred PM. Meanwhile， the conceptual design of the application scenario of the PM 1 for the transmission， sorting and transfer of workpiece materials between trucks and yards or warehouses was given.

Key words: parallel mechanism（PM）, topology design, kinematics, workspace, singularity, stiffness

中图分类号:

TH112

沈惠平, 李霞, 李菊, 李涛, 孟庆梅, 吴广磊. 约束支链或无约束支链对并联机构运动学与刚度性能的影响——以两个部分运动解耦的新型三平移并联机构的设计、分析及其优选为例[J]. 中国机械工程, 2023, 34(13): 1533-1549.

SHEN Huiping, LI XiaLI Ju, LI Tao, MENG Qingmei, WU Guanglei. Effect of Constrained or Unconstrained Branches on Kinematics and Stiffness Performance of PMs —Design，Analysis and Optimization of Two Novel Three-translation PMs with Partial Motion Decoupling Being Examples#br#[J]. China Mechanical Engineering, 2023, 34(13): 1533-1549.

导出引用管理器 EndNote|Ris|BibTeX

链接本文: https://www.cmemo.org.cn/CN/10.3969/j.issn.1004-132X.2023.13.003

https://www.cmemo.org.cn/CN/Y2023/V34/I13/1533

参考文献

［1］CLAVEL R. A Fast Robot with Parallel Geometry［C］∥Proceedings of the 18th Int. Symposium on Industrial Robots. Lausanne， 1988：91-100.
［2］STOCK M， MILLER K. Optimal Kinematic Design of Spatial Parallel Manipulators：Application to Linear Delta Robot［J］. Journal of Mechanical Design， 2003， 125（2）：292-301.
［3］BOURI M， CLAVEL R. The Linear Delta：Development and Application［C］∥The 41st International Symposium on Robotics. Frankfurt：VDE， 2010：1198-1205.
［4］KELAIAIA R， COMPANY O， ZAATRI A. Multiobjective Optimization of a Linear Delta Parallel Robot［J］. Mechanism and Machine Theory， 2012， 50：159-178.
［5］PRAUSE I， CHARAF EDDINE S， CORVES B. Comparison of Parallel Kinematic Machines with Three Translational Degrees of Freedom and Linear Actuation［J］. Chinese Journal of Mechanical Engineering， 2015， 28（4）：841-850.
［6］杨廷力，刘安心，罗玉峰，等. 机器人机构拓扑结构设计［M］. 北京：科学出版社， 2012：29-174.
YANG Tingli， LIU Anxin， LUO Yufeng， et al. Theory and Application of Robot Mechanism Topology［M］. Beijing：Science Press， 2012：29-174.
［7］TSAI L W， JOSHI S. Kinematics and Optimization of a Spatial 3-UPU Parallel Manipulator［J］. Journal of Mechanical Design， 2000， 122（4）：439-446.
［8］ZHU D， FENG Y， ZHAN W. Topology Optimization of Three-translational Degree-of-freedom Spatial Compliant Mechanism［J］. Advances in Mechanical Engineering， 2019， 11（2）：1687814019828228.
［9］DI GREGORIO R. Direct Position Analysis of a Particular Translational 3-URU Manipulator［J］. Journal of Mechanisms and Robotics， 2021， 13（6）：061007.
［10］KONG X. Classification of 3-DOF 3-UPU Translational Parallel Mechanisms Based on Constraint Singularity Loci Using Groebner Cover［J］. Journal of Mechanisms and Robotics， 2022， 14（4）：041010.
［11］MACHO E， URZAR M， PETUYA V， et al. Designing a Translational Parallel Manipulator Based on the 3SS Kinematic Joint［J］. Journal of Mechanisms and Robotics， 2019， 11（5）：051007.
［12］PAN H， CHEN G， KANG Y， et al. Design and Kinematic Analysis of a Flexible-link Parallel Mechanism with a Spatially Quasi-translational End Effector［J］. Journal of Mechanisms and Robotics， 2021， 13（1）：011022.
［13］MENG Q， LI J， SHEN H， et al. Kinetostatic Design and Development of a Non-fully Symmetric Parallel Delta Robot with One Structural Simplified Kinematic Linkage［J］. Mechanics Based Design of Structures and Machines， 2023， 51（7）：3717-3737.
［14］SHEN H， MENG Q， LI J， et al. Kinematic Sensitivity， Parameter Identification and Calibration of a Non-fully Symmetric Parallel Delta Robot［J］. Mechanism and Machine Theory， 2021， 161：104311.
［15］XIE G， ZHANG Z， SHAO Z， et al. Research on the Orientation Error of the Translational Cable-driven Parallel Robots［J］. Journal of Mechanisms and Robotics， 2022， 14（3）：031003.
［16］沈惠平，吴成琦，许可，等. 一种零耦合度三平移并联机构的设计及运动［J］. 中国机械工程， 2019， 30（6）：658-664.
SHEN Huiping， WU Chengqi， XU Ke， et al. Design and Kinematics of 3-translation Parallel Mechanisms with Zero Coupling Degree［J］. China Mechanical Engineering， 2019， 30（6）：658-664.
［17］SHEN H， CHABLAT D， ZENG B， et al. A Translational Three-degrees-of-freedom Parallel Mechanism with Partial Motion Decoupling and Analytic Direct Kinematics［J］. Journal of Mechanisms and Robotics， 2020， 12（2）：021112.
［18］沈惠平，吉昊，许正骁，等. 三平移机构设计与运动学符号解及性能评价［J］. 农业机械学报， 2020， 51（9）：397-407.
SHEN Huiping， JI Hao， XU Zhengxiao， et al. Design， Kinematic Symbolic Solution and Performance Evaluation of New Three Translation Mechanism［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2020， 51（9）：397-407.
［19］CHENG G， WANG S T， YANG D H， et al. Finite Element Method for Kinematic Analysis of Parallel Hip Joint Manipulator［J］. Journal of Mechanisms and Robotics， 2015， 7（4）：041010.
［20］XU Y， YANG F， XU Z， et al. TriRhino：a Five-Degrees-of-freedom of Hybrid Serial-parallel Manipulator with All Rotating Axes Being Continuous：Stiffness Analysis and Experiments［J］. Journal of Mechanisms and Robotics， 2021， 13（2）：025002.
［21］CAMMARATA A， CONDORELLI D， SINATRA R. An Algorithm to Study the Elastodynamics of Parallel Kinematic Machines with Lower Kinematic Pairs［J］. Journal of Mechanisms and Robotics， 2013， 5（1）：011004.
［22］VERTECHY R， PARENTI-CASTELLI V. Static and Stiffness Analyses of a Class of Over-constrained Parallel Manipulators with Legs of Type US and UPS［C］∥ Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation（ICRA）. Roma， 2007：561-567.
［23］MAJOU F， GOSSELIN C M， WENGER P， et al. Parametric Stiffness Analysis of the Orthoglide［J］. Mechanism and Machine Theory， 2007， 42：296-311.
［24］PASHKEVICH A， CHABLAT D， WENGER P. Stiffness Analysis of Overconstrained Parallel Manipulators［J］. Mechanism and Machine Theory， 2010， 44：966-982.
［25］ZHAO W， PASHKEVICH A， KLIMCHIK A， et al. Elastostatic Modeling of Multi-link Flexible Manipulator Based on Two-dimensional Dual-triangle Tensegrity Mechanism［J］. Journal of Mechanisms and Robotics， 2022， 14（2）：021002.
［26］SHEN H， TANG Y， WU G， et al. Design and Analysis of a Class of Two-limb Non-parasitic 2T1R Parallel Mechanism with Decoupled Motion and Symbolic Forward Position Solution-influence of Optimal Arrangement of Limbs onto the Kinematics， Dynamics and Stiffness［J］. Mechanism and Machine Theory， 2022， 172：104815.
［27］沈惠平. 机器人机构拓扑特征运动学［M］. 北京：高等教育出版社， 2021：46-201.
SHEN Huiping. Topological Characteristic-based Kinematics for Robotic Mechanisms［M］. Beijing：Higher Education Press， 2021：46-201.
［28］沈惠平，赵一楠，朱小蓉. 一种耦合度为1但正向位置解析和运动解耦的三平移并联操作手：中国， 202010111991［P］. 2020-06-05.
SHEN Huiping， ZHAO Yinan， ZHU Xiaorong. A Three Translation Parallel Manipulator with 1 Degree of Coupling but with Forward Position Analysis and Motion Decoupling：CN， 202010111991［P］. 2020-06-05.
［29］沈惠平，王达，李菊，等. 1T2R并联机构拓扑降耦设计与运动性能分析［J］. 农业机械学报， 2021， 52（5）：370-377.
SHEN Huiping， WANG Da， LI Ju， et al. Topological Coupling-reducing Design and Kinematic Performance Analysis for 1T2R Parallel Mechanism［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2021， 52（5）：370-377.
［30］沈惠平，顾晓阳，李菊，等. 基于拓扑降耦的3T1R并联机构设计与运动学特性分析［J］. 农业机械学报， 2021， 52（8）：406-415.
SHEN Huiping， GU Xiaoyang， LI Ju， et al. Topological Coupling-reducing Based Design of 3T1R Parallel Mechanism and Kinematics Performances Analysis［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2021， 52（8）：406-415.
［31］WU G， BAI S， KEPLER J. Stiffness Characterization of a 3-PPR Planar Parallel Manipulator with Actuation Compliance［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part C：Journal of Mechanical Engineering Science， 2014， 229（12）：2291-2302.
［32］WU G， BAI S， PREBEN H. On the Stiffness of Three/Four Degree-of-freedom Parallel Pick-and-Place Robots with Four Identical Limbs［C］∥2016 IEEE International Conference on Robotics and Automation（ICRA）Stockholm， 2016：861-866.
［33］许正骁，吴广磊，沈惠平. 一种新型低耦合度3T1R非全对称并联机构的刚度性能分析［J］. 机械传动， 2019， 43（12）：131-139.
XU Zhengxiao， WU Guanglei， SHEN Huiping. Stiffness Analysis of a New Low Coupling 3T1R Asymmetrical Parallel Mechaism［J］. Journal of Mechanical Transmission， 2019， 43（12）：131-139.
［34］沈惠平，朱忠颀，孟庆梅，等. 零耦合度空间2T1R并联机构运动学与刚度建模分析［J］. 农业机械学报， 2020， 51（10）：411-420.
SHEN Huiping， ZHU Zhongqi， MENG Qingmei， et al. Kinematics and Stiffness Modeling Analysis of Spatial 2T1R Parallel Mechanism with Zero Coupling Degree［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2020， 51（10）：411-420.
［35］孙驰宇，沈惠平，王一熙，等. 零耦合度部分运动解耦三平移并联机构刚度建模与分析［J］. 农业机械学报， 2020， 51（6）：385-395.
SUN Chiyu， SHEN Huiping， WANG Yixi， et al. Stiffness Analysis of Three-translation Parallel Mechanism with Zero Coupling Degree and Partial Motion Decoupling［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2020， 51（6）：385-395.
［36］陈谱，沈惠平，邓嘉鸣，等. 一种低耦合度非完全对称2T1R并联机构的运动分析与刚度建模［J］. 常州大学学报（自然科学版）， 2021， 33（2）：52-61.
CHEN Pu， SHEN Huiping， DENG Jiaming， et al. Kinematic Analysis and Stiffness Modeling of a Low Coupling Asymmetric 2T1R Parallel Mechanis［J］. Journal of Changzhou University（Natural Science Edition）， 2021， 33（2）：52-61.

[1]	李明磊, 贾育秦, 张学良, 刘丽琴, 杜娟, 温淑花, 兰国生. 基于多目标差异演化算法的并联机构结构优化 [J]. J4, 201016, 21(16): 1915-1920.
[2]	鲁开讲, 师俊平, 张锋涛. 平面三自由度并联机构动力学优化设计 [J]. J4, 201016, 21(16): 1926-1931.
[3]	战晓磊, 辛洪兵, 汉斯·彼德　兰特斯. 基于虚拟现实的MOTOMAN-HP3型机器人运动学仿真 [J]. J4, 201016, 21(16): 1952-1954,1998.
[4]	朱潇, 沈惠平, 李菊, 李涛, 叶鹏达, 朱伟. 可轮换用动平台三自由度并联机构的拓扑设计及其性能分析[J]. 中国机械工程, 2026, 37(1): 114-125.
[5]	杨明星, 沈佳乐, 高鹏, 张兴, 王俊翔. 连续体机器人设计与导向路径损失补偿策略[J]. 中国机械工程, 2025, 36(12): 2820-2828.
[6]	王旭浩, 盛卧龙, 吴孟丽, 许贻龙, 赵晓巍, 曹轶然. 可伸缩蛇形臂机器人的设计及运动学建模[J]. 中国机械工程, 2025, 36(12): 2885-2893.
[7]	印峰, 黄欣, 周佳义. 基于流模型的冗余机器人逆运动学解高精度计算[J]. 中国机械工程, 2025, 36(12): 2960-2967.
[8]	贺乐君, 习毅, 刘文, 严翔, 忻明杰, 王朝阳. 压力倍放高精感知机构设计方法研究[J]. 中国机械工程, 2025, 36(11): 2601-2608.
[9]	董佳祥, 刘铨权, 胡希平, 赵学智. 新型刚柔混联连续体机器人运动建模[J]. 中国机械工程, 2025, 36(11): 2678-2684.
[10]	黄宁宁, 尤晶晶, 叶鹏达, 沈惠平, 李成刚, 吴洪涛. 一种运动可解耦的Stewart型并联机构的正运动学及奇异性[J]. 中国机械工程, 2025, 36(09): 1951-1960.
[11]	关英俊, 张铭起, 逯焕泉, 杨会生, 孙宝玉. 高刚度空间套筒展开机构级间锁紧技术研究[J]. 中国机械工程, 2025, 36(09): 1980-1988.
[12]	李菊, 郭跃, 沈惠平, 孟庆梅, 顾晓阳. 并联机构多重拓扑降耦的优化原理与一般方法[J]. 中国机械工程, 2025, 36(08): 1700-1712.
[13]	赵星宇, 赵铁石, 许博, 刘相权, 秦宇飞. 并联式混合驱动机构运动学和传递性能分析[J]. 中国机械工程, 2025, 36(08): 1728-1739.
[14]	宜亚丽1, 2, 程阳洋2, 陈晓卫2, 陈一凡2, 张振东2, 金贺荣1, 2. 基于最大刚度原则的铣削机器人位姿确定方法[J]. 中国机械工程, 2025, 36(07): 1544-1552.
[15]	郭万金1, 2, 3, 4, 李儒1, 王利斌1, 郝钦磊1, 曹雏清2, 赵立军2, 4. 一种考虑弱刚性关节传动链结构和柔性杆结构的机器人刚度辨识方法[J]. 中国机械工程, 2025, 36(05): 974-985.