并联机构多重拓扑降耦的优化原理与一般方法

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2025.08.006

摘要/Abstract

摘要：

现有的并联机构型综合方法都仅以基本功能（DOF、POC）为设计目标，综合出的并联机构的耦合度一般较高（k≥2），致使其运动学正解求解及其后续研究（运动学、动平衡及动力学分析等）较复杂，影响了并联机构在制造业中的应用。提出了以降低机构耦合度为目标的并联机构多重拓扑降耦优化原理与方法。首先以6-DOF三平移三转动6-6R 无约束并联机构（耦合度k=4）为例，详细阐述并联机构多重拓扑降耦优化方法及其应用，并依次逐渐优化得到耦合度k=3，2，1，0的6-DOF 3T3R无约束并联机构；然后阐述了典型6-DOF Stewart-Gough平台并联机构的多重拓扑降耦优化过程，并得到相应的拓扑优化构型，便于进行这些机构的运动学/动力学建模与性能求解与分析。研究结果为其他多回路复杂并联机构的拓扑降耦优化提供了启示和方向。

关键词: 并联机构, 拓扑, 耦合度, 降耦优化

Abstract:

The existing synthesis methods for PMs only focused on basic functions （DOF， POC）.The coupling degree （k） of the synthesized PMs was of generally high （k≥2）， which made the calculation of forward kinematic solutions and subsequent research （kinematics， dynamic balance， and dynamic analysis） more complex. All these issues affected the applications of PMs in the manufacturing industries. The principle and method of multiple topology decoupling optimization for PMs was proposed with the goal of reducing the coupling degree of PMs. Taking the 6-DOF three-translation-three-rotation（3T3R） 6-6R unconstrained PM （k=4） as an example， this paper elaborated on the method of multiple topology decoupling optimization of PMs and the applications， and gradually optimized the 6-DOF 3T3R unconstrained PM with coupling degrees k=3， 2， 1 and 0. The multiple topology decoupling optimization processes of a typical 6-DOF Stewart-Gough platform PM were also elaborated， and the corresponding topology optimization configurations were obtained， which facilitated the kinematic/dynamic modeling and performance analysis of these PMs. It provides inspiration and direction for the topology decoupling optimization of other multi-loop complex PMs.

Key words: parallel mechanism（PM）, topology, coupling degree, decoupling optimization

中图分类号:

TH112

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图/表 8

图1 并联机构的拓扑综合及其拓扑降耦优化

Fig.1 Topological synthesis and topological decoupling optimization of parallel mechanisms

图2 6-6R 机构（k=4）

Fig.2 6-6R mechanism （k=4）

图3 一次降耦：（HSOC2）+4R 机构（k=3）

Fig.3 Primary decoupling：（HSOC2）+4R mechanism （k=3）

图4 二次降耦：（HSOC3）+3R 机构（k=2）

Fig.4 Secondary decoupling：（HSOC3）+3R mechanism （k=2）

图5 三次降耦：（HSOC4）+2R 并联机构（k=1）

Fig.5 Tertiary decoupling：（HSOC4）+2R parallel mechanism（k=1）

图6 四次降耦：（HSOC3）+（HSOC3）并联机构（k=0）

Fig.6 Quaternary decoupling：（HSOC3）+（HSOC3） parallel mechanism（k=0）

图7 典型6-DOF Stewart-Gough 机构及其拓扑降耦优化

Fig.7 Typical 6-DOF Stewart-Gough mechanism and its topological decoupling optimization

表1 基于多重拓扑降耦的6-SPS并联机构的衍生机构及其耦合度k

Tab.1 Derivative mechanisms of 6-SPS parallel mechanism via topological decoupling and coupling degrees k

6-6型

6-5型

2-1-1-1-1式

6-4型

2-2-1-1式

6-4型

2-2-2式

6-4型

3-1-1-1式

6-3型

3-2-1式

机

构

简

图

No.a

No.b

No.c

No.d

No.e

No.f

解耦性

无运动解耦性

位置-姿态分离：有运动解耦性

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