燕山大学陈子明教授团队：一种新型球面二自由度并联机构的运动特性分析| CJME论文推荐

引用论文

Chen, Z., Chen, X., Gao, M. et al. Motion Characteristics Analysis of a Novel Spherical Two-degree-of-freedom Parallel Mechanism. Chin. J. Mech. Eng. 35, 29 (2022). https://doi.org/10.1186/s10033-022-00702-7

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研究背景及目的

目前，球面并联机构已被广泛应用在手术机器人、外骨骼机器人、娱乐设备等领域。研究球面并联机构新构型，完善球面并联机构的理论体系、丰富构型选择，可以进一步拓展这类机构的实际应用，具有重要意义。本文提出了一种新型球面二自由度并联机构，该机构具有能够以中间平面上过球心的任意直线为轴线进行连续转动，且在运动过程中能够时刻保持对称的特性。针对该球面机构进行运动特性分析、结构设计原理和运动规划开展研究工作，该研究为球面二自由度并联机构的实际应用奠定基础。

图1 球面2自由度并联机构原理图

试验方法

首先，基于D-H参数和解析几何建立了机构的正运动学和逆运动学模型，得到机构的雅可比矩阵，并通过比较方程组的数值解，验证了运动学正解和雅可比矩阵的正确性。其次，根据逆运动学和连杆干涉条件，分析了机构的工作空间；深入研究了该机构连续转动的特性，证明了该机构的等效转动特性：给定了初始位置和末端位置，末端连杆能通过绕某条经过球心的固定轴线的一次转动实现位姿转换。通过一次等效转动数值算例验证了运动学分析和运动规划的正确性。最后，从机构约束效果角度出发，用三自由度平面子链代替球面链路提供相同的约束，通过这种方法，可以得到一组不含圆弧移动关节的等效球面二自由度机构。

图2 球面 2 自由度 并联机构运动学模型及参数

结果

本文提出一种了新型球面二自由度并联机构，求解了机构的正、反解，利用对约束方程求导的方法，给出了球面二自由度并联机构的逆向运动学雅可比矩阵，考虑连杆干涉条件分析了其工作空间，随着OP与x0轴之间夹角φ的不同，末端连杆4的转动能力（即姿态参数γ范围）不同，越靠近姿态参数φ和γ的极值，机构的工作空间越小，姿态参数φ和γ取其变动范围中间值时工作空间较大。在γ=±67.5085°处末端连杆达到左右极限位置，两个驱动连杆2、6也达到极限位置；当γ=0时，在φ=95.8430°和φ=11.5519°处末端连杆达到上下极限位置。通过一次等效转动数值算例验证了运动学分析和运动规划的正确性，当机构的初始位姿为φ=75°，γ=-20°，驱动转角θ21=5.3°，θ61=56.7°，当最终位姿为φ=75°，γ=20°，驱动转角θ21=49.2°，θ61=3.7°。用三自由度平面子链替换中间平面上的球面链路，得到了7种的等效二自由度球面并联机构。

结论

本文提出一种新型球面二自由度并联机构，该机构末端连杆可以实现以中间平面上过转动中心的任意直线为轴线的转动，且在运动过程中机构时刻保持对称。基于D-H参数法和解析几何求解了机构的正、逆运动学。通过对约束方程求导，得到了二自由度球面并联机构的雅可比逆矩阵，并考虑连杆的干涉条件对其工作空间进行了分析。通过数值算例验证了该机构运动学和运动规划的正确性。从约束效果的角度出发，用三自由度平面子链替换中间平面上的球面链路，得到了一系列的等效机构，为这类机构的实际应用提供了更多的可能性。

前景与应用

球面并联机构广泛应用于手术机器人、外骨骼机器人、空间指向装置等领域，本文提出的新型球面二自由度并联结构为其运动控制和实际应用奠定了理论基础。

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团队带头人介绍

陈子明， 1984年出生，燕山大学教授、博士生导师。主要研究方向为空间少自由度并联机构的设计及分析，近年来主持国家自然科学基金青年基金1项、国家自然科学基金面上项目1项，主持教育部博士点基金联合资助课题1项，在两转一移并联机构的“伴随运动”问题、新型无汇交轴线的三自由度转动并联机构、多转动中心平面两自由度并联机构等方面开展了多年的持续研究工作，发表学术论文30篇，授权发明专利20余项。

团队研究方向

并联机构理论及应用，医疗康复机器人，工业机器人技术等。

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编辑：谢雅洁 校对：向映姣

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