3-RPS并聯(lián)機構(gòu)的新型驅(qū)動方式

王紅州，王楠楠，陳潤六，鄒曉暉

（1.江西省機械科學研究所，江西南昌330002；2.大連吉田拉鏈有限公司，遼寧大連116600）

新產(chǎn)品開發(fā)

3-RPS并聯(lián)機構(gòu)的新型驅(qū)動方式

王紅州1，王楠楠2，陳潤六1，鄒曉暉1

（1.江西省機械科學研究所，江西南昌330002；2.大連吉田拉鏈有限公司，遼寧大連116600）

采用3-RPS并聯(lián)機構(gòu)動平臺上一個點作為機構(gòu)的動力輸入，實現(xiàn)了與三個移動副作為主動件的3-RPS機構(gòu)一樣的運動功能。這種新型驅(qū)動方式可實現(xiàn)一個三平動并聯(lián)機構(gòu)作為運動輸入多個3-RPS并聯(lián)機構(gòu)同步運動輸出的功能，這個功能恰好應用在動感影院的特效座椅設備上，可以有效降低此類動感座椅設備的成本。

并聯(lián)機構(gòu)；動感座椅；同步運動

1983年Hunt提出了3-RPS并聯(lián)機構(gòu)，這種空間結(jié)構(gòu)引起了國際上眾多學者的關(guān)注與研究[1]。Tsai對3-RPS機構(gòu)進行了運動學分析[2]，Lee將3-RPS并聯(lián)機構(gòu)應用在機器人的主臂和手腕上[3]，Peundsehuh研究了一種基于3-RPS并聯(lián)機構(gòu)的氣動手腕[4]，Waldrom和Roth設計了一種基于3-RPS并聯(lián)機構(gòu)的ARTISAN手腕[5]，黃真研究了3-RPS并聯(lián)機構(gòu)的運動學性質(zhì)[6]，安梓銘研究了基于3-RPS型并聯(lián)機器人的模糊PID控制[7]，霍電輝設計了一種新型三自由度動感模擬平臺[8]。王旭明研究了3-RPS并聯(lián)機構(gòu)在動感影院特效座椅設備上的應用[9]。一般3-RPS并聯(lián)機構(gòu)的在工程上的應用都是將三條RPS支鏈中的P副作為主動運動副來實現(xiàn)其運動的。

2014年，王紅州發(fā)明了一種三平動運動輸入多重3-RPS機構(gòu)運動輸出的動感座椅設備[10]，該動感座椅設備的座椅安裝在3-RPS并聯(lián)機構(gòu)上，驅(qū)動裝置采用了一個三平動并聯(lián)機構(gòu)。江西省機械科學研究所與上海嬴浩機電設備有限公司聯(lián)合開發(fā)成功了這種新型的動感座椅設備。此設備由安裝座椅的動平臺上的一個點的空間運動作為動力輸入，實現(xiàn)3-RPS并聯(lián)機構(gòu)的兩轉(zhuǎn)一移的運動輸出。本文從結(jié)構(gòu)方面分析了這種形式的可行性。

1 3-RPS并聯(lián)機構(gòu)及其常規(guī)驅(qū)動方式

一般來說，3-RPS并聯(lián)機構(gòu)由3條RPS支鏈聯(lián)接動靜平臺構(gòu)成，3條支鏈上的移動副為機構(gòu)的主動副，可實現(xiàn)動平臺兩轉(zhuǎn)一移的空間三自由度運動。如圖1所示，3-RPS可看成由機架、動平臺及3個直線驅(qū)動器組成。第一直線驅(qū)動器一端通過第一轉(zhuǎn)動副與機架聯(lián)接，另一端通過第一球面副與動平臺聯(lián)接。第二直線驅(qū)動器一端通過第二轉(zhuǎn)動副與機架聯(lián)接，另一端通過第二球面副與動平臺聯(lián)接。第三直線驅(qū)動器一端通過第三轉(zhuǎn)動副與機架聯(lián)接，另一端通過第三球面副與動平臺聯(lián)接。3個直線驅(qū)動器配合運動可實現(xiàn)動平臺兩轉(zhuǎn)一移的空間三自由度運動。

圖1 3-RPS并聯(lián)機構(gòu)

如圖1所示，3-RPS可看成由機架、動平臺及3個直線驅(qū)動器組成。第一直線驅(qū)動器一端通過第一轉(zhuǎn)動副與機架聯(lián)接，另一端通過第一球面副與動平臺聯(lián)接。第二直線驅(qū)動器一端通過第二轉(zhuǎn)動副與機架聯(lián)接，另一端通過第二球面副與動平臺聯(lián)接。第三直線驅(qū)動器一端通過第三轉(zhuǎn)動副與機架聯(lián)接，另一端通過第三球面副與動平臺聯(lián)接。3個直線驅(qū)動器配合運動可實現(xiàn)動平臺兩轉(zhuǎn)一移的空間三自由度運動。

2 3-RPS并聯(lián)機構(gòu)及其新型驅(qū)動方式

本文分析了一種3-RPS并聯(lián)機構(gòu)的新型驅(qū)動方式，采用控制動平臺上一個點在空間上的位置來實現(xiàn)動平臺兩轉(zhuǎn)一移的運動。將常規(guī)3-RPS并聯(lián)機構(gòu)的直線驅(qū)動器換成伸縮桿并在動平臺上選取驅(qū)動點即可采用新型驅(qū)動方式來實現(xiàn)該機構(gòu)動平臺兩轉(zhuǎn)一移的空間三自由度運動。如圖2所示，采用新型驅(qū)動方式的3-RPS并聯(lián)機構(gòu)由機架、動平臺及3個伸縮桿組成。第一伸縮桿一端通過第一轉(zhuǎn)動副與機架聯(lián)接，另一端通過第一球面副與動平臺聯(lián)接。第二伸縮桿一端通過第二轉(zhuǎn)動副與機架聯(lián)接，另一端通過第二球面副與動平臺聯(lián)接。第三伸縮桿一端通過第三轉(zhuǎn)動副與機架聯(lián)接，另一端通過第三球面副與動平臺聯(lián)接。通過控制動平臺上驅(qū)動點在空間的位置可實現(xiàn)動平臺兩轉(zhuǎn)一移的運動。其原理為：在3條RPS支鏈的約束下動平臺只能實現(xiàn)空間兩轉(zhuǎn)一移的三自由度運動，而動平臺的位姿和驅(qū)動點在空間上的位置是一一對應的關(guān)系，即通過控制驅(qū)動點在空間的位置可實現(xiàn)動平臺的位姿，因此可通過控制驅(qū)動點的方式來實現(xiàn)動平臺的運動。

圖2 3-RPS并聯(lián)機構(gòu)新型驅(qū)動方式

3 3-RPS并聯(lián)機構(gòu)新型驅(qū)動方式的實現(xiàn)方法

雖然控制3-RPS并聯(lián)機構(gòu)動平臺上驅(qū)動點的空間位置就可以實現(xiàn)機構(gòu)三自由度的運動，但實際上常規(guī)的驅(qū)動方式是不能直接實現(xiàn)點的三維運動控制的。本文采用了一種三平動并聯(lián)機構(gòu)（3-PR（4R）R構(gòu)型）作為實現(xiàn)控制驅(qū)動點三維運動的載體。

如圖3所示PR（4R）R支鏈由滑塊、第一轉(zhuǎn)軸、第一連桿、第二連桿及第二轉(zhuǎn)軸組成。滑塊通過第一轉(zhuǎn)動副與第一轉(zhuǎn)軸聯(lián)接，第一轉(zhuǎn)軸通過第二轉(zhuǎn)動副、第三轉(zhuǎn)動副分別與第一連桿、第二連桿聯(lián)接，第二轉(zhuǎn)軸通過第四轉(zhuǎn)動副、第五轉(zhuǎn)動副分別與第一連桿、第二連桿聯(lián)接。

圖3 PR（4R）R支鏈

如圖4所示，3-PR（4R）R并聯(lián)機構(gòu)由機架、第一支鏈、第二支鏈、第三支鏈及平動臺組成。第一支鏈一端通過第一移動副與機架聯(lián)接，另一端通過第六轉(zhuǎn)動副與平動臺聯(lián)接。第二支鏈一端通過第二移動副與機架聯(lián)接，另一端通過第七轉(zhuǎn)動副與平動臺聯(lián)接。第三支鏈一端通過第三移動副與機架聯(lián)接，另一端通過第八轉(zhuǎn)動副與平動臺聯(lián)接。

圖4 3-PR（4R）R并聯(lián)機構(gòu)

3-RPS并聯(lián)機構(gòu)動平臺上的驅(qū)動點通過球面副與3-PR（4R）R并聯(lián)機構(gòu)的平動臺聯(lián)接，因平動臺為平動運動，故可用一個平動臺驅(qū)動多個尺寸及位姿相同的3-RPS并聯(lián)機構(gòu)實現(xiàn)完全相同的運動輸出，圖5所示為平動臺同時驅(qū)動3套3-RPS并聯(lián)機構(gòu)運動的情況。由此可見采用平動機構(gòu)驅(qū)動3-RPS并聯(lián)機構(gòu)運動的一個優(yōu)勢是可實現(xiàn)一套運動輸入多套運動同步輸出的功能。

圖5 三平動輸入3-RPS機構(gòu)輸出的機構(gòu)

4結(jié)束語

本文介紹了一種3-RPS并聯(lián)機構(gòu)的新型驅(qū)動方式，采用這種驅(qū)動方式可以實現(xiàn)1套平動輸入多套3-RPS并聯(lián)機構(gòu)運動同步輸出的功能。若將此項技術(shù)應用到動感影院特效座椅設備上，可實現(xiàn)1套平動并聯(lián)機構(gòu)作為動力輸入，多套3-RPS并聯(lián)機構(gòu)座椅同步聯(lián)動的功能，可有效降低原有設備的成本。

[1]仲明.改進型3-RPS并聯(lián)機構(gòu)的設計與研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2013.

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[8]霍電輝.新型三自由度動感模擬平臺的研發(fā)[D].太原：太原科技大學機械電子工程，2013.

[9]王旭明.動感影院系統(tǒng)研究與設計[D].武漢：華中科技大學，2013.

[10]王紅州.三平動輸入多重3-RPS機構(gòu)輸出的4D特效座椅[P].中國：ZL201410319373.5，2016-01-20.

The New Drive Method of3-RPS ParallelMechanism

WANG Hong-zhou1，WANG Nan-nan2，CHEN Run-liu1，ZOU Xiao-hui1
（1.JiangxiMechanical Scientific Institute，Nanchang Jiangxi 330002，China；2.Dalian Jitian Limited Company，Dalian Liaoning 116600，China）

Use a point ofmoving platform of 3-RPS parallelmechanism as input power，it can achieved themove function of 3-RPS parallelmachanism that use three sliding pairs as input power.This new type of drive method make the function of using a three translation parallel manipulator as input power and multiple 3-RPS parallel mechanism as outputmotions a reality，and this special function can be applied in themoving platform，and italso can reduce the cost of this type of device.

parallelmechanism；moving platform；synchronousmotion

TH 112

A

1672-545X（2016）12-0137-03

2016-09-14

江西省科技支撐重點項目（20151BBE50125）

王紅州（1986-），男，河北邯鄲人，碩士，助理工程師，研究方向：機器人與并聯(lián)機構(gòu)。