中国机械工程 ›› 2025, Vol. 36 ›› Issue (9): 1951-1960.DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2025.09.006
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黄宁宁1(), 尤晶晶1,2(
), 叶鹏达3, 沈惠平3, 李成刚4, 吴洪涛4
收稿日期:
2024-06-10
出版日期:
2025-09-25
发布日期:
2025-10-15
通讯作者:
尤晶晶
作者简介:
黄宁宁,男,1999年生,硕士研究生。研究方向为并联机器人机构学。E-mail:huangningning1819@163.com。
基金资助:
Ningning HUANG1(), Jingjing YOU1,2(
), Pengda YE3, Huiping SHEN3, Chenggang LI4, Hongtao WU4
Received:
2024-06-10
Online:
2025-09-25
Published:
2025-10-15
Contact:
Jingjing YOU
摘要:
六自由度并联机构的正运动学方程非线性且强耦合,一般不具有符号式正解,不利于机器人的实时反馈控制。设计了一种在结构上弱耦合但在运动上可解耦的“7-4”式Stewart型并联机构,解析求解了正运动学方程和杆长协调方程,并开展了奇异性研究。基于“2-1”式运动链综合出六自由度“7-4”式Stewart型并联机构,并基于方位特征集理论,分析了机构的结构耦合特性。基于13个相容方程并运用四面体几何理论,提出了正运动学方程的一种解析求解算法,同时还证明出一般位形下实数解的个数为8(它们两两关于同一平面对称)。根据动球铰之间的几何约束关系,构建了杆长协调方程,研究发现,该方程也具有符号解。推导了机构的Jacobian矩阵,并分析了各种奇异类型。剖析了并联机构正运动学与奇异性之间的内在联系。
中图分类号:
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(9): 1951-1960.
Ningning HUANG, Jingjing YOU, Pengda YE, Huiping SHEN, Chenggang LI, Hongtao WU. Forward Kinematics and Singularity of Kinematically Decoupled Stewart-type Parallel Mechanisms[J]. China Mechanical Engineering, 2025, 36(9): 1951-1960.
组别 | Q4 | Q1 | Q2 |
---|---|---|---|
1 | (1)Q4 | (1)Q1(1) | (1)Q2(1) |
2 | (1)Q2(2) | ||
3 | (1)Q1(2) | (1)Q2(3) | |
4 | (1)Q2(4) | ||
5 | (2)Q4 | (2)Q1(1) | (2)Q2(1) |
6 | (2)Q2(2) | ||
7 | (2)Q1(2) | (2)Q2(3) | |
8 | (2)Q2(4) |
表1 正运动学方程的多解性
Tab.1 Multiple solutions of forward kinematics
组别 | Q4 | Q1 | Q2 |
---|---|---|---|
1 | (1)Q4 | (1)Q1(1) | (1)Q2(1) |
2 | (1)Q2(2) | ||
3 | (1)Q1(2) | (1)Q2(3) | |
4 | (1)Q2(4) | ||
5 | (2)Q4 | (2)Q1(1) | (2)Q2(1) |
6 | (2)Q2(2) | ||
7 | (2)Q1(2) | (2)Q2(3) | |
8 | (2)Q2(4) |
参数 | 数值 | 参数 | 数值 | 参数 | 数值 |
---|---|---|---|---|---|
M1 | 20.000 | M4 | 50.000 | L4 | 67.823 |
M1* | 40.000 | M4* | 70.000 | L4* | 86.023 |
x′ | 0.000 | L1 | 38.356 | N1 | 30.000 |
y′ | 30.000 | L1* | 35.323 | N2 | 42.426 |
z′ | 0.000 | L2 | 35.868 | N3 | 42.426 |
M3 | 40.000 | L3 | 43.111 | ||
M3* | 60.000 | L3* | 56.878 |
表2 结构参数及输入参数
Tab.2 Mechanism parameters and input parameters mm
参数 | 数值 | 参数 | 数值 | 参数 | 数值 |
---|---|---|---|---|---|
M1 | 20.000 | M4 | 50.000 | L4 | 67.823 |
M1* | 40.000 | M4* | 70.000 | L4* | 86.023 |
x′ | 0.000 | L1 | 38.356 | N1 | 30.000 |
y′ | 30.000 | L1* | 35.323 | N2 | 42.426 |
z′ | 0.000 | L2 | 35.868 | N3 | 42.426 |
M3 | 40.000 | L3 | 43.111 | ||
M3* | 60.000 | L3* | 56.878 |
第1、5组解对称 | 第2、6组解对称 |
---|---|
![]() | ![]() |
第3、7组解对称 | 第4、8组解对称 |
![]() | ![]() |
表3 机构位形简图
Tab.3 Schematic diagram of mechanism configuration
第1、5组解对称 | 第2、6组解对称 |
---|---|
![]() | ![]() |
第3、7组解对称 | 第4、8组解对称 |
![]() | ![]() |
任意选取的数据/mm | 理论计算/mm | 试验测量/mm | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
L1* | L3 | L3* | L4 | L4* | L1 | ||
1 | 35.322 97 | 43.1105 4 | 56.877 73 | 67.823 30 | 86.023 25 | 38.353 63 | 38.353 63 |
2 | 40.176 93 | 59.772 10 | 72.626 50 | 75.952 01 | 94.417 73 | 34.857 32 | 34.857 32 |
3 | 46.904 13 | 103.453 64 | 114.832 72 | 100.749 83 | 117.764 71 | 43.452 25 | 43.452 25 |
表4 理论计算与试验测量数据
Tab.4 Theoretical calculation and experimental measurement data
任意选取的数据/mm | 理论计算/mm | 试验测量/mm | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
L1* | L3 | L3* | L4 | L4* | L1 | ||
1 | 35.322 97 | 43.1105 4 | 56.877 73 | 67.823 30 | 86.023 25 | 38.353 63 | 38.353 63 |
2 | 40.176 93 | 59.772 10 | 72.626 50 | 75.952 01 | 94.417 73 | 34.857 32 | 34.857 32 |
3 | 46.904 13 | 103.453 64 | 114.832 72 | 100.749 83 | 117.764 71 | 43.452 25 | 43.452 25 |
aj | |
---|---|
b1 | |
d1 | |
a2 | |
b2 | |
d2 | |
ae | |
b3 | |
d3 | |
a4 | |
bh | |
d4 | |
Bj | |
Dj | |
Be | |
De | |
A2 | |
B2 | |
D2 |
表5 J 中部分元素的解析式
Tab.5 Some elements in J
aj | |
---|---|
b1 | |
d1 | |
a2 | |
b2 | |
d2 | |
ae | |
b3 | |
d3 | |
a4 | |
bh | |
d4 | |
Bj | |
Dj | |
Be | |
De | |
A2 | |
B2 | |
D2 |
四组位置正解 | 一组位置正解 | ||
---|---|---|---|
构型 | ![]() | ![]() | ![]() |
奇异 | 无奇异位形 | Hunt奇异,Q1Q3为瞬时旋转轴 | |
两组位置正解 | |||
构型 | ![]() | ![]() | ![]() |
奇异 | 若O2点位于面H2Q4Q2上,则为Hunt奇异,Q4H2为瞬时旋转轴 | Hunt奇异,Q1Q3为瞬时旋转轴 |
表6 位置正解个数与奇异性的对应关系
Tab.6 Relationship between the number of forward position solutions and singularity
四组位置正解 | 一组位置正解 | ||
---|---|---|---|
构型 | ![]() | ![]() | ![]() |
奇异 | 无奇异位形 | Hunt奇异,Q1Q3为瞬时旋转轴 | |
两组位置正解 | |||
构型 | ![]() | ![]() | ![]() |
奇异 | 若O2点位于面H2Q4Q2上,则为Hunt奇异,Q4H2为瞬时旋转轴 | Hunt奇异,Q1Q3为瞬时旋转轴 |
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