五自由度并联驱动机构及其位置分辨能力分析

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2021.12.004

中国机械工程 ›› 2021, Vol. 32 ›› Issue (12): 1414-1422，1431.DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.12.004

五自由度并联驱动机构及其位置分辨能力分析

张金柱1，3，4;史汉卿1王涛1，3，4;黄庆学1，3，4;姜力2

1.太原理工大学机械与运载工程学院，太原，030024
2.哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室，哈尔滨，150001
3.太原理工大学先进成形与智能装备研究院，太原，030024
4.先进金属复合材料成形技术与装备教育部工程研究中心，太原，030024

出版日期:2021-06-25 发布日期:2021-07-08
作者简介:张金柱，男，1989年生，讲师。研究方向为并联机器人设计理论及其应用技术。发表论文7篇。E-mail:zhangjinzhu@tyut.edu.cn。
基金资助:
国家自然科学基金（51905367）；
国家重点研发计划（2018YFB1308702）；
机器人技术与系统国家重点实验室开放基金（SKLRS-2020-KF-17）；
山西省应用基础面上青年基金（201901D211011）；
山西省高等学校科技创新项目（2019L0176）；
山西省科技重大专项（20181102016,20181102015）；
中央引导地方科技发展专项资金（YDZX20191400002149）

Analysis of 5-DOF Parallel Driving Mechanisms and Their Position Resolution

ZHANG Jingzhu1,3,4;SHI Hanqing1;WANG Tao1,3,4;HUANG Qingxue1,3,4;JIANG Li2

1.College of Mechanical and Vehicle Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan,030024
2.State Key Laboratory of Robotics and System,Harbin Institute of Technology,Harbin，150001
3.Advanced Forming and Intelligent Equipment Research Institute,Taiyuan University of Technology,Taiyuan,030024
4.Engineering Research Center of Advanced Metal Composites Forming Technology and Equipment,Ministry of Education,Taiyuan,030024

Online:2021-06-25 Published:2021-07-08

摘要/Abstract

摘要： 提出了一种具有三移动和二转动的多分支耦合并联驱动机构，基于方位特征集法分析了机构自由度及机构末端的运动特征。利用齐次变换法建立了机构的运动学逆解模型，求解了并联驱动机构的全雅可比矩阵。基于牛顿迭代法建立了运动学正解模型，并对理论模型进行了仿真验证。利用CAD变分几何法绘制了机构的可达工作空间。定义了机构的全域位置敏感度系数指标，系统分析了特定工况下的驱动系统分辨率对机构位置分辨能力的影响规律。

关键词: 并联驱动机构, 运动学, 雅可比矩阵, 位置分辨能力

Abstract: A multi-branch coupled parallel driving mechanism with three translations and two rotations was proposed. Degree of freedom and motion characteristics of end for the mechanism were analyzed based on position and orientation characteristics set method. Inverse kinematics model of the mechanisms was established by homogeneous transformation method. Full Jacobian matrix of parallel driving mechanisms was solved. Forward kinematics model was established based on the Newton iterative method, and theoretical model was verified by simulation. Reachable workspace of the mechanisms was drawn by CAD variational geometry method. Global position sensitivity coefficient index of the mechanisms was defined, and the influences of resolution for the driving system on the position resolution of the mechanisms under specific working conditions was analyzed systematically.

Key words: parallel driving mechanism, kinematics, Jacobian matrix, position resolution ability

中图分类号:

TP242

张金柱, 史汉卿王涛, 黄庆学, 姜力. 五自由度并联驱动机构及其位置分辨能力分析[J]. 中国机械工程, 2021, 32(12): 1414-1422，1431.

ZHANG Jingzhu, SHI Hanqing, WANG Tao, HUANG Qingxue, JIANG Li. Analysis of 5-DOF Parallel Driving Mechanisms and Their Position Resolution[J]. China Mechanical Engineering, 2021, 32(12): 1414-1422，1431.

导出引用管理器 EndNote|Ris|BibTeX

链接本文: http://www.cmemo.org.cn/CN/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.12.004

http://www.cmemo.org.cn/CN/Y2021/V32/I12/1414

参考文献

［1］高峰，杨加伦，葛巧德.并联机器人型综合的GF集理论［M］.北京：科学出版社，2011.
GAO Feng，YANG Jialun，GE Qiaode.GF Set Theory of Parallel Robot Synthesis［M］.Beijing：Science Press，2011.
［2］刘辛军，谢福贵，汪劲松.并联机器人机构学基础［M］.北京：高等教育出版社，2018.
LIU Xinjun，XIE Fugui，WANG Jinsong.The Foundation of Parallel Robot Mechanism［M］.Beijing：Higher Education Press，2018.
［3］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.
YANG Tingli，LIU Anxin，LUO Yufeng，et al.Topology Design of Robot Mechanism［M］. Beijing：Science Press，2012.
［4］刘辛军，谢福贵，汪劲松.当前中国机构学面临的机遇［J］.机械工程学报，2015，51（13）：2-12.
LIU Xinjun，XIE Fugui，WANG Jinsong. Current Opportunities in the Field of Mechanisms in China［J］. Journal of Mechanical Engineering，2015，51（13）：2-12.
［5］谢福贵，梅斌，刘辛军，等. 一种大型复杂构件加工新模式及新装备探讨［J］. 机械工程学报，2020，56（19）：70-78.
XIE Fugui, MEI Bin, LIU Xinjun, et al. Novel Mode and Equipment for Machining Large Complex Components［J］. Journal of Mechanical Engineering，2020，56（19）：70-78.
［6］刘辛军，于靖军，王国彪，等.机器人研究进展与科学挑战［J］. 中国科学基金，2016，30（5）：425-431.
LIU Xinjun，YU Jingjun，WANG Guobiao，et al.Research Trend and Scientific Challenge of Robotics［J］.Bulletin of National Natural Science Foundation of China，2016，30（5）：425-431.
［7］张东胜，许允斗，姚建涛，等.2RPU/UPR+RP五自由度混联机器人静刚度分析［J］.中国机械工程，2018，29（6）：712-719.
ZHANG Dongsheng，XU Yundou，YAO Jiantao，et al.Static Stiffness Analysis of 2RPU/UPR+RP 5-DOF Hybrid Manipulators［J］.China Mechanical Engineering，2018，29（6）：712-719.
［8］许允斗，徐郑和，杨帆，等.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.
XU Yundou，XU Zhenghe，YANG Fan，et al.Design and Analysis of a New 5-DOF Hybrid Robot Considering Workspace and Force Transmission Efficiency［J］. China Mechanical Engineering，2019，30（16）：1996-2002.
［9］李端玲，张忠海，戴建生，等.变胞机构的研究综述与展望［J］. 机械工程学报，2010，46（13）：14-21.
LI Duanling，ZHANG Zhonghai，DAI Jiansheng，et al. Overview and Prospects of Metamorphic Mechanism［J］. Journal of Mechanical Engineering, 2010，46（13）：14-21.
［10］李树军，戴建生.变胞机构的构态变换矩阵与运动副方位变胞［J］. 中国机械工程，2010，21（14）：1698-1703.
LI Shujun，DAI Jiansheng.Configuration Transformation Matrix of Metamorphic Mechanisms and Joint-orientation Change Metamorphic Method［J］. China Mechanical Engineering，2010，21（14）：1698-1703.
［11］康熙，戴建生.机构学中机构重构的理论难点与研究进展——变胞机构演变内涵、分岔机理、设计综合及其应用［J］.中国机械工程，2020，31（1）：57-71.
KANG Xi，DAI Jiansheng. Theoretical Difficulties and Research Progresses of Mechanism Reconfiguration in Mechanisms—Evolution Connotation，Furcation Principle，Design Synthesis and Application of Metamorphic Mechanisms［J］. China Mechanical Engineering，2020，31（1）：57-71.
［12］刘荣强，史创，郭宏伟，等.空间可展开天线机构研究与展望［J］.机械工程学报，2020，56（5）：1-12.
LIU Rongqiang，SHI Chuang，GUO Hongwei，et al.Review of Space Deployable Antenna Mechanisms［J］. Journal of Mechanical Engineering，2020，56（5）：1-12.
［13］梁友鉴，赵杰亮，阎绍泽.基于蜜蜂腹部变体机制的空天飞行器仿生变体头锥设计［J］. 机械工程学报，2020，56（5）：47-54.
LIANG Youjian，ZHAO Jieliang，YAN Shaoze.Bionic Design of Morphing Nose Cone for Aerospace Vehicle Based on the Deformable Mechanism of Honeybee Abdomen［J］. Journal of Mechanical Engineering，2020，56（5）：47-54.
［14］冯慧娟，杨名远，姚国强，等.折纸机器人［J］.中国科学（技术科学），2018，48（12）：1259-1274.
FENG Huijuan，YANG Mingyuan，YAO Guoqiang，et al.Origami Robots［J］.SCIENTIA SINICA Technologica，2018，48（12）：1259-1274.
［15］陈子明，黄坤，张扬，等.一种无汇交轴线对称三转动并联机构的运动分析［J］.中国机械工程，2016，27（9）：1215-1222.
CHEN Ziming，HUANG Kun，ZHANG Yang，et al. Kinematics Analysis of a 3 DOF Symmetrical Rotational Parallel Mechanism without Intersecting Axes［J］. China Mechanical Engineering，2016，27（9）：1215-1222.
［16］沈惠平，吕蒙，朱小蓉，等.一种单自由度3T1R并联机构的拓扑设计及其运动学［J］. 中国机械工程，2019，30（8）：961-968.
SHEN Huiping，LV Meng，ZHU Xiaorong，et al. Topological Design and Kinematics of 3T1R PM with Single Degree of Freedom［J］.China Mechanical Engineering，2019，30（8）：961-968.
［17］孙驰宇，沈惠平，袁军堂，等.一种新型半对称三平移一转动（3T1R）并联操作手的运动学研究［J］.中国机械工程，2021，32（6）：638-647.
SUN Chiyu，SHEN Huiping，YUAN Juntang，et al. Kinematics of a Novel Three-translation and One-rotation(3T1R) Semi-symmetry Parallel Robot［J］. China Mechanical Engineering：2021，32（6）：638-647.
［18］ZHANG J Z，JIN Z L，ZHAO Y M.Dynamics Analysis of Leg Mechanism of Six-legged Firefighting Robot［J］. Journal of Mechanical Science and Technology，2018，32（1）：351-361.
［19］ZHANG J Z，JIN Z L，FENG H B.Type Synthesis of a 3-mixed-DOF Protectable Leg Mechanism of a Firefighting Multi-legged Robot Based on GF Set Theory［J］.Mechanism and Machine Theory，2018，130：567-584.
［20］张金柱，金振林，陈广广.六足步行机器人腿部机构运动学分析［J］.农业工程学报，2016，32（9）：45-52.
ZHANG Jinzhu，JIN Zhenlin，CHEN Guangguang. Kinematic Analysis of Leg Mechanism of Six-legged Walking Robot［J］. Journal of Agricultural Engineering，2016，32（9）：45-52.
［21］金振林，张金柱，高峰.一种消防六足机器人及其腿部机构运动学分析［J］.中国机械工程，2016，27（7）：865-871.
JIN Zhenlin，ZHANG Jinzhu，GAO Feng.A Firefighting Six-legged Robot and Its Kinematics Analysis of Leg Mechanisms［J］. China Mechanical Engineering，2016，27（7）：865-871.
［22］JIN X D，FANG Y F，QU H B，et al.A Class of Novel 2T2R and 3T2R Parallel Mechanisms with Large Decoupled Output Rotational Angles［J］.Mechanism and Machine Theory，2017，114：156-169.
［23］ZENG Q，EHMANN K F.Design of Parallel Hybrid-loop Manipulators with Kinematotropic Property and Deployability［J］. Mechanism and Machine Theory，2014，71：1-26.
［24］ZENG Q，FANG Y F.Structural Synthesis and Analysis of Serial-parallel Hybrid Mechanisms with Spatial Multi-loop Kinematic Chains［J］.Mechanism and Machine Theory，2012，49：198-215.
［25］DING H F，CAO W A，CHEN Z M，et al.Structural Synthesis of Two-layer and Two-loop Spatial Mechanisms with Coupling Chains［J］. Mechanism and Machine Theory，2015，92：289-313.
［26］XIE F G，LIU X J，LUO X，et al.Mobility，Singularity，and Kinematics Analyses of a Novel Spatial Parallel Mechanism［J］. Journal of Mechanisms and Robotics，2016，8（6）：061022.
［27］LU Y. Using CAD Functionalities for the Kinematics Analysis of Spatial Parallel Manipulators with 3-，4-，5-，6-linearly Driven Limbs［J］. Mechanism and Machine Theory，2004，39（1）：41-60.
［28］LU Y，SHI Y，HU B.Solving Reachable Workspace of Some Parallel Manipulators by Computer-aided Design Variation Geometry［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part C：Journal of Mechanical Engineering Science，2008，222（9）：1773-1781.

[1]	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.
[2]	胡福清, 孙江宏, 孙英杰, 孙雨彤, 马超, 周福强, . 基于新型旋转直线往复机构的切片机设计分析及参数优化[J]. 中国机械工程, 2024, 35(04): 614-623，635.
[3]	姜吉光, 侯爵, 苏成志, 巴麒蛟, 田爱鑫, 徐明宇. 面向物理约束的机器人运动学标定最优位姿集规划方法研究[J]. 中国机械工程, 2024, 35(03): 472-480.
[4]	陈卓凡, 周坤, 秦菲菲, 王斌锐. 基于改进量子粒子群优化算法的机器人逆运动学求解#br# #br# [J]. 中国机械工程, 2024, 35(02): 293-304.
[5]	刘毅, 易旺民, 姚建涛, 王兴达, 余鹏, 赵永生. 狭长空间内重载调姿装配机器人的设计与研究[J]. 中国机械工程, 2024, 35(02): 324-336.
[6]	白小帆, 刘志强, 刘彦士. 轴向低频振动对皮质骨钻削进给力的影响试验与分析[J]. 中国机械工程, 2023, 34(20): 2411-2427.
[7]	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.
[8]	杜中秋, 沈惠平, 孟庆梅, 李涛, 杨廷力. 运动解耦且正解符号化的8R两平移空间并联机构的设计与性能分析[J]. 中国机械工程, 2023, 34(12): 1425-1435.
[9]	周松, 陈宇, 董红亮, 高翔, 申娟, 周佳, 万鑫铭. 一种新型商用车驾驶室多轴道路虚拟试验研究[J]. 中国机械工程, 2023, 34(10): 1241-1250.
[10]	刘昊林, 刘小川, 任佳, 王计真, 董久祥, 方正. 无人直升机六足式起落架设计与控制算法[J]. 中国机械工程, 2023, 34(04): 421-430，439.
[11]	何宇凡, 孙江宏, 高锋, 李乃峥, 何雪萍, 王军见. 一种针对圆锥体外表面贴装的机械手设计分析与优化[J]. 中国机械工程, 2023, 34(01): 55-64.
[12]	刘俊, 阮小栋, 杨鹏亮, 吴迪, 郑敏毅. 变胞机器人重构及转向时足着地柔顺性控制[J]. 中国机械工程, 2022, 33(24): 2917-2926.
[13]	何昱龙, 琚长江, 杨根科, 王成光 , . 运动学约束下直线转角非对称平滑加工规划[J]. 中国机械工程, 2022, 33(22): 2655-2663.
[14]	王宇, 周爽, 李亚鑫. 水陆两栖六足机器人的设计与性能评估[J]. 中国机械工程, 2022, 33(17): 2079-2086.
[15]	刘立业, 陈永亮, 汤伟莉, 魏云篷, 索树灿. 搅拌摩擦焊机床开放式控制系统及切线跟踪研究[J]. 中国机械工程, 2022, 33(16): 1948-1956.

五自由度并联驱动机构及其位置分辨能力分析

Analysis of 5-DOF Parallel Driving Mechanisms and Their Position Resolution

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

参考文献

相关文章 15

编辑推荐

Metrics