解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu)

1、匯報(bào)人匯報(bào)人 解耦最初是控制系統(tǒng)中所使用的一個(gè)概念，即采用某種結(jié)構(gòu)或?qū)ふ液线m的控制規(guī)律來(lái)消除系統(tǒng)中各控制回路之間的相互耦合關(guān)系，進(jìn)而使得輸入與輸出之間保持一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，即每一個(gè)輸入僅控制一個(gè)輸出，而每一個(gè)輸出也僅受到唯一一個(gè)輸入信號(hào)的影響。 雖然研究者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并應(yīng)用具有解耦性質(zhì)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，但是針對(duì)并聯(lián)機(jī)構(gòu)解耦性的研究非常少，并聯(lián)機(jī)構(gòu)的解耦研究還未形成系統(tǒng)的理論，甚至，對(duì)“解耦”這個(gè)概念本身沒有形成共識(shí)。解耦的定義解耦的定義2001年，金瓊在其博士論文中提出并聯(lián)機(jī)構(gòu)解耦的定義，并提出了拓?fù)浣怦畈⒙?lián)機(jī)構(gòu)構(gòu)型綜合的基本準(zhǔn)則。若并聯(lián)機(jī)構(gòu)輸出構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)輸出矩陣為：其中，第一行元素為動(dòng)坐標(biāo)系(附著于輸出構(gòu)

2、件)原點(diǎn)在固定坐標(biāo)系(附著于固定平臺(tái))下的坐標(biāo)；第二行元素為動(dòng)坐標(biāo)系相對(duì)于固定坐標(biāo)系的三個(gè)歐拉角；角度值為第i個(gè)主動(dòng)輸入的廣義變量；M 為機(jī)構(gòu)的自由度。(1)如果機(jī)構(gòu)的每個(gè)輸出變量x、y、z、均為所有主動(dòng)輸入1M的函數(shù)，則稱機(jī)構(gòu)的輸入輸出為強(qiáng)耦合關(guān)系，如下式第一項(xiàng)；(2)如果x、y、z、中某些輸出變量只是部分輸入變量1r ( r M)的函數(shù)，則稱輸出輸入為部分解耦，如下式的第二項(xiàng)，輸入與輸出變量間關(guān)系呈三角化形式；(3)如果輸出輸入變量間存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系時(shí)，則稱為完全解耦，如下式的第三項(xiàng)。金瓊和楊廷力對(duì)解耦的定義、分類金瓊和楊廷力對(duì)解耦的定義、分類Mizyxiiiiii1,)()()()()(

3、)(),(),(),(),(),(),(212121212121MMMMMMzzyyxx),(),(),(),(),()(654321543214321321211zzyyxx)()()()()()(654321zzyyxx 2002年，文獻(xiàn)1把機(jī)構(gòu)的解耦運(yùn)動(dòng)定義為：機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的一定范圍內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，其對(duì)應(yīng)旋量為簡(jiǎn)單旋量(線距或旋量)，且在此運(yùn)動(dòng)過程中保持等價(jià)。2003年，文獻(xiàn)2同樣從這一觀點(diǎn)出發(fā)給運(yùn)動(dòng)解耦下了一個(gè)定義，如果兩個(gè)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)螺旋均為簡(jiǎn)單螺旋，且始終保持平行（對(duì)移動(dòng)來(lái)說(shuō)）或重合（對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)說(shuō)），這兩運(yùn)動(dòng)就是解耦的。且依據(jù)解耦運(yùn)動(dòng)的范圍，文獻(xiàn)1還把機(jī)構(gòu)的解耦運(yùn)動(dòng)分為三種：點(diǎn)鄰域解耦、大范圍解

4、耦和全局解耦?；诼菪碚搶?duì)解耦的定義基于螺旋理論對(duì)解耦的定義 高峰和李為民在其申報(bào)的多個(gè)解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu)的專利中將解耦描述為：若并聯(lián)機(jī)構(gòu)的某方向的運(yùn)動(dòng)（移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)）僅依賴于一個(gè)方向驅(qū)動(dòng)單元的動(dòng)作，而其他方向的驅(qū)動(dòng)不影響該方向的運(yùn)動(dòng)，則稱之為并聯(lián)機(jī)構(gòu)的解耦。并將并聯(lián)機(jī)構(gòu)的解耦分為無(wú)條件解耦、有條件解耦和瞬時(shí)解耦三種情況。高峰和李為民對(duì)解耦的定義和分類高峰和李為民對(duì)解耦的定義和分類 2004年，Gosselin和Kong基于機(jī)構(gòu)的輸入輸出方程給解耦下了定義，解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu)自由度解耦，并且單個(gè)輸出自由度僅有單個(gè)輸入量控制。這與高峰和李為民等定義的完全解耦相同。Gosselin和和Kong對(duì)解耦的定義對(duì)解

5、耦的定義2004年，Gogu基于機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)Jacobian矩陣對(duì)并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了分類。如果并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)的速度為，驅(qū)動(dòng)器的速度為，兩者之間的關(guān)系為：基于機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)Jacobian矩陣，Gogu把并聯(lián)機(jī)構(gòu)分為以下四類： (1)如果在整個(gè)工作空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)Jacobian矩陣J為對(duì)角矩陣，且對(duì)角元素相同，則稱該機(jī)構(gòu)為完全各向同性并聯(lián)機(jī)構(gòu)(fully-isotropic PM)； (2)如果在整個(gè)工作空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)Jacobian矩陣J為對(duì)角矩陣，但對(duì)角元素并不相等，則稱該機(jī)構(gòu)為去耦并聯(lián)機(jī)構(gòu)(uncoupled PM)； (3)如果在整個(gè)工作空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)Jacobian矩陣J為三角矩陣，則稱該機(jī)構(gòu)為解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu)(

6、decoupled PM)； (4)若非上述三類，則為耦合并聯(lián)機(jī)構(gòu)(coupled PM)。2006年，張勇在其博士論文中提出了可約的概念，其實(shí)質(zhì)與解耦相同，只是包括了金瓊等提出的完全解耦和部分解耦；宮金良在2006年和2007年分別提出了動(dòng)坐標(biāo)系解耦和組解耦的定義，其定義的解耦均不是傳統(tǒng)意義上的解耦。Gogu對(duì)解耦的定義和分類對(duì)解耦的定義和分類TzyxzyxTvvvvVqJV解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu)型綜合方法解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu)型綜合方法基于支鏈驅(qū)動(dòng)理論的解耦轉(zhuǎn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的型綜合張帆和張丹針對(duì)解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu)與串聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)相似性，提出了一種解耦球面轉(zhuǎn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的支鏈驅(qū)動(dòng)理論，將解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu)首先分為基本運(yùn)動(dòng)支鏈

7、和驅(qū)動(dòng)支鏈，并聯(lián)機(jī)構(gòu)的動(dòng)平臺(tái)通過基本運(yùn)動(dòng)支鏈與基座相連，基本運(yùn)動(dòng)支鏈的自由度與所綜合的解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu)自由度相同。并將基本運(yùn)動(dòng)支鏈中具有與機(jī)構(gòu)相同自由度的運(yùn)動(dòng)副稱為基本關(guān)節(jié)。第 （F為機(jī)構(gòu)的自由度）條驅(qū)動(dòng)支鏈為第基本關(guān)節(jié)提供驅(qū)動(dòng)力，并且第 條驅(qū)動(dòng)支鏈與基本運(yùn)動(dòng)支鏈的第個(gè)基本關(guān)節(jié)形成封閉回路。在文獻(xiàn)中提出了解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu)的支鏈驅(qū)動(dòng)模型應(yīng)滿足以下條件： (1)基本運(yùn)動(dòng)支鏈的自由度與解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu)自由度相同，且基本運(yùn)動(dòng)支鏈內(nèi)基本關(guān)節(jié)相互正交； (2)第條驅(qū)動(dòng)支鏈僅對(duì)第基本關(guān)節(jié)做功，第條驅(qū)動(dòng)支鏈的自由度不少于基本運(yùn)動(dòng)支鏈第個(gè)基本關(guān)節(jié)的自由度之和。12,niF1 n解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu)型綜合方法解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu)型綜合方法

8、基于構(gòu)型演變和李群理論的型綜合方法范彩霞基于構(gòu)型演變和李群理論提出了一種解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu)的綜合方法。構(gòu)型演變對(duì)于機(jī)構(gòu)的綜合是一種直接又實(shí)用的方法，其關(guān)鍵是基于合適的原型并聯(lián)機(jī)構(gòu)，然后可以通過多種方法，如改變分支的數(shù)目、變化運(yùn)動(dòng)副或驅(qū)動(dòng)類型、轉(zhuǎn)變布局方式等，來(lái)獲得期望的新穎并聯(lián)機(jī)構(gòu)。其主要是將平面機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)，首先選取平面四桿機(jī)構(gòu)，然后取某一桿件作為輸出，并將該桿件末端的轉(zhuǎn)動(dòng)副用虎克鉸替換，此時(shí)的輸出桿件延伸為一個(gè)平臺(tái)，最后增加一個(gè)或兩個(gè)分支連接固定平臺(tái)和輸出平臺(tái)，并運(yùn)用李群理論綜合所增加支鏈的等價(jià)支鏈，將獲得的等價(jià)支鏈裝配到所進(jìn)化的空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)，為獲得期望的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，所增加的分支必須滿足

9、特殊的幾何條件。解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu)型綜合方法解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu)型綜合方法 基于線性變換理論的型綜合方法基于線性變換理論的解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu)的型綜合方法是Gogu提出的一種機(jī)構(gòu)型綜合方法，并用此方法綜合了多類解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu)。其主要是通過描述并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)與輸入關(guān)節(jié)速度之間的線性映射關(guān)系，來(lái)分析各個(gè)支鏈的末端件（動(dòng)平臺(tái)）相對(duì)于首個(gè)構(gòu)件（定平臺(tái)）的運(yùn)動(dòng)，以確定每個(gè)支鏈的分支結(jié)構(gòu)，保證該機(jī)構(gòu)的輸入與輸出呈現(xiàn)一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀強(qiáng)耦合并聯(lián)機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)： 運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)模型復(fù)雜，設(shè)計(jì)裝配困難，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)繁雜。隨著運(yùn)動(dòng)分支樹木的增多機(jī)構(gòu)的耦合性更強(qiáng)，其裝配越困難、運(yùn)動(dòng)精度也會(huì)下降。解耦并

10、聯(lián)機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)： 既繼承了并聯(lián)機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制容易、安裝方便等特點(diǎn)，有助于拓展并聯(lián)機(jī)構(gòu)的應(yīng)用領(lǐng)域。二轉(zhuǎn)動(dòng)解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu)二轉(zhuǎn)動(dòng)解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu) Carricato和Parenti- Castelli在其論文中提出了多種解耦并聯(lián)手腕機(jī)構(gòu)二轉(zhuǎn)動(dòng)解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu)二轉(zhuǎn)動(dòng)解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu) 2005年，Gogu基于線性變換理論綜合出了一類完全各向同性兩自由度轉(zhuǎn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)，解耦是實(shí)現(xiàn)各向同性的前提，故Gogu在其論文中所綜合的機(jī)構(gòu)均為完全解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu)二轉(zhuǎn)動(dòng)解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu)二轉(zhuǎn)動(dòng)解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu) 2006年，李為民、張建軍等先后在其專利中提出了兩種二自由度解耦球面并聯(lián)機(jī)構(gòu)二轉(zhuǎn)動(dòng)解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu)二轉(zhuǎn)動(dòng)解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu) 200

11、9年，范彩霞、劉宏昭等提出了一種新型完全解耦的二維轉(zhuǎn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)二移動(dòng)解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu)二移動(dòng)解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu) 曾達(dá)幸老師學(xué)生常威應(yīng)用螺旋理論在其論文中綜合出多種移動(dòng)解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu) 二移動(dòng)解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu)三移動(dòng)解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu)三移動(dòng)解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu) 黃真和李秦川在其專利中首先提出了一種完全解耦的3-CPR三自由度移動(dòng)解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu)三移動(dòng)解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu)三移動(dòng)解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu) 2002年，Carricato和Parenti-Castelli在并聯(lián)機(jī)構(gòu)約束和奇異位形的基礎(chǔ)上，對(duì)移動(dòng)解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了綜合，并得出多種三自由度移動(dòng)解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu)。下圖為3-RPRP機(jī)構(gòu)三移動(dòng)三移動(dòng)解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu)解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu) Kong和Gosselin得出的解

12、耦的三自由度移動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)，3-CRR三移動(dòng)三移動(dòng)解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu)解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu) Kim和Tsai得出的解耦的三自由度移動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)，3-PRRR三移動(dòng)三移動(dòng)解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu)解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu) 李為民和高峰等提出的R-CUBE三自由度移動(dòng)解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu)三移動(dòng)三移動(dòng)解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu)解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu) 曾達(dá)幸老師學(xué)生常威應(yīng)用螺旋理論在其論文中綜合出多種移動(dòng)解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu) 三移動(dòng)解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu)常威基于常威基于3-CUR 研制樣機(jī)研制樣機(jī) 對(duì)3-CUR進(jìn)行位形優(yōu)化 虛擬樣機(jī)與樣機(jī)兩轉(zhuǎn)動(dòng)一移動(dòng)兩轉(zhuǎn)動(dòng)一移動(dòng)解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu)解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu)燕山大學(xué)竇玉超應(yīng)用螺旋理論綜合出兩轉(zhuǎn)動(dòng)一移動(dòng)解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu)PU-RCRR-CRRR，并對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析和雅可比矩陣求解，奇異性分析參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)張超-轉(zhuǎn)動(dòng)解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu)型綜合及新機(jī)型分析常威-移動(dòng)解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu)型綜合及樣機(jī)研制竇玉超-一種兩轉(zhuǎn)一移完全解耦并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)及其特