球面并联机构的发展研究研究

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在谈球面并联机构前，首先介绍并联机构。并联机构一般是指通过两个或两个以上独立的运动支链连接动平台及静平台，并控制动平台运动的闭环机构。19世纪初期人们就开始对并联机构进行了研究，1931年，一种以并联机构为主体的娱乐装置由Gwinnett设计，并因此得到设计专利。后续几十年，各国家的科学家相继研究并联机构，将它运用在汽车喷漆设备、检测装置、飞行器模拟装置等。随着并联机构的发展，最终并联机构被运用在机器人装置上，并成功在工厂生产装配线上得到使用，这使得并联机构的实际意义得到体现，并且快速推进了并联机构的发展、研究进程。前人的研究成果加快了并联机构这门学科的形成，接着，并联机构成为国内外大量的学者广泛研究的热点，并取得累累的研究成果。42567

球面并联机构因构型特点比较特殊，使其研究价值，3-DOF的球面机构是其家族中重要的一类，该种机构的9个转动副的轴线均交于球心，动平台可以绕该点实现三维转动。该机构既可以作为仿人机器人的肩关节、腕关节、腰关节，也可以用作方位跟踪系统的旋转台、摄像机定位系统以及机床加工的定位等。论文网

1 球面并联机构的发展

1981年，Cox提出了一种均有转动副组成且转动轴线交于一点的3-3R三自由度球面并联机构，后面，众多学者提出了该机构的多种变型。如1985年，基于3-3R机构，公轴线驱动的球面并联机构由Asada提出，如图1.1所示；1993年，Gosselin等基于3-3R球面并联机构研制出了灵巧眼装置；接着驱动轴线共面的球面机构由Gosselin等人提出；2000年，3-UPU球面机构由Herve等人提出；2001-2002年，3-URC转动并联机构和3-RRS转动并联机构先后由Gregorio提出；2004年，Callegari提出了一种3-CPU球面并联机构。目前为止，对于解耦球面并联机构，查阅相关资料该机构仅有两种构型，第一种是由黄真提出的3-DOF解耦球面机构，该机构可以用作腰关节和腕关节，如图1.2所示，该机构的三个主动输入构成定角锥的三个棱边，且它们互成90°，但运动平台上的角锥有点特殊，其上的三个转动副有两个共轴，另外一个转动副轴线垂直共轴的轴线，也就是说动角锥的三个侧面不等，其中一个为0°，另两个为90°。该种球面机构具有运动解耦的优点，并具有3个转动自由度，其中3个转动驱动器基本单独驱动，3-DOF球面机构从而实现了运动解耦。输入轴A和B决定输出轴V（动平台）的空间方位，而输入轴C决定输出轴V的转角，这种结构使得V轴的转角不受限制。第二种是2004年由Carricato提出的新型完全解耦的二自由度球面并联机构，该机构可以作为人体假肢肩部关节。

公轴线驱动的并联机构

1.1 公轴线驱动的并联机构 1.2 3-DOF解耦球面机构

球面并联机构的应用

随着球面机构理论研究的日趋完善与发展，球面机构的应用研究也已经成为研究的热点，特别是医疗和加工制造方面。基于微创手术机器人理论原型，Jacob Rosen等人通过对构型的研究，微创外科手术新型机器人由此而诞生，该机器人具有工作性能好、尺寸小等优点。美国Dayton大学将球面机构运用于太阳能板跟踪定位系统和零件定位装置上，已经有相关的模型样机，表现出良好的特性。

国内也有不少的应用研究，主要以高校和科研单位为主。天津大学的黄田等老师设计出了一种基于正交球面并联机构新型的数控回转台，该数控回转台不仅结构紧凑而且具有良好的刚度，如图1.3所示。上海大学李超、谢少荣等人基于球面并联机构开发出一种姿态闭环控制的仿生眼系统，该机构的运用使仿生眼定位精度得到了有效的提高