3-RPS并聯機構的新型驅動方式

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）

新產品開發

3-RPS并聯機構的新型驅動方式

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并聯機構動平臺上一個點作為機構的動力輸入，實現了與三個移動副作為主動件的3-RPS機構一樣的運動功能。這種新型驅動方式可實現一個三平動并聯機構作為運動輸入多個3-RPS并聯機構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。

并聯機構；動感座椅；同步運動

1983年Hunt提出了3-RPS并聯機構，這種空間結構引起了國際上眾多學者的關注與研究[1]。Tsai對3-RPS機構進行了運動學分析[2]，Lee將3-RPS并聯機構應用在機器人的主臂和手腕上[3]，Peundsehuh研究了一種基于3-RPS并聯機構的氣動手腕[4]，Waldrom和Roth設計了一種基于3-RPS并聯機構的ARTISAN手腕[5]，黃真研究了3-RPS并聯機構的運動學性質[6]，安梓銘研究了基于3-RPS型并聯機器人的模糊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并聯機構在動感影院特效座椅設備上的應用[9]。一般3-RPS并聯機構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其運動的。

2014年，王紅州發明了一種三平動運動輸入多重3-RPS機構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并聯機構上，驅動裝置采用了一個三平動并聯機構。江西省機械科學研究所與上海嬴浩機電設備有限公司聯合開發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3-RPS并聯機構的兩轉一移的運動輸出。本文從結構方面分析了這種形式的可行性。

1 3-RPS并聯機構及其常規驅動方式

一般來說，3-RPS并聯機構由3條RPS支鏈聯接動靜平臺構成，3條支鏈上的移動副為機構的主動副，可實現動平臺兩轉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個直線驅動器組成。第一直線驅動器一端通過第一轉動副與機架聯接，另一端通過第一球面副與動平臺聯接。第二直線驅動器一端通過第二轉動副與機架聯接，另一端通過第二球面副與動平臺聯接。第三直線驅動器一端通過第三轉動副與機架聯接，另一端通過第三球面副與動平臺聯接。3個直線驅動器配合運動可實現動平臺兩轉一移的空間三自由度運動。

圖1 3-RPS并聯機構

如圖1所示，3-RPS可看成由機架、動平臺及3個直線驅動器組成。第一直線驅動器一端通過第一轉動副與機架聯接，另一端通過第一球面副與動平臺聯接。第二直線驅動器一端通過第二轉動副與機架聯接，另一端通過第二球面副與動平臺聯接。第三直線驅動器一端通過第三轉動副與機架聯接，另一端通過第三球面副與動平臺聯接。3個直線驅動器配合運動可實現動平臺兩轉一移的空間三自由度運動。

2 3-RPS并聯機構及其新型驅動方式

本文分析了一種3-RPS并聯機構的新型驅動方式，采用控制動平臺上一個點在空間上的位置來實現動平臺兩轉一移的運動。將常規3-RPS并聯機構的直線驅動器換成伸縮桿并在動平臺上選取驅動點即可采用新型驅動方式來實現該機構動平臺兩轉一移的空間三自由度運動。如圖2所示，采用新型驅動方式的3-RPS并聯機構由機架、動平臺及3個伸縮桿組成。第一伸縮桿一端通過第一轉動副與機架聯接，另一端通過第一球面副與動平臺聯接。第二伸縮桿一端通過第二轉動副與機架聯接，另一端通過第二球面副與動平臺聯接。第三伸縮桿一端通過第三轉動副與機架聯接，另一端通過第三球面副與動平臺聯接。通過控制動平臺上驅動點在空間的位置可實現動平臺兩轉一移的運動。其原理為：在3條RPS支鏈的約束下動平臺只能實現空間兩轉一移的三自由度運動，而動平臺的位姿和驅動點在空間上的位置是一一對應的關系，即通過控制驅動點在空間的位置可實現動平臺的位姿，因此可通過控制驅動點的方式來實現動平臺的運動。

圖2 3-RPS并聯機構新型驅動方式

3 3-RPS并聯機構新型驅動方式的實現方法

雖然控制3-RPS并聯機構動平臺上驅動點的空間位置就可以實現機構三自由度的運動，但實際上常規的驅動方式是不能直接實現點的三維運動控制的。本文采用了一種三平動并聯機構（3-PR（4R）R構型）作為實現控制驅動點三維運動的載體。

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

圖3 PR（4R）R支鏈

如圖4所示，3-PR（4R）R并聯機構由機架、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接，另一端通過第六轉動副與平動臺聯接。第二支鏈一端通過第二移動副與機架聯接，另一端通過第七轉動副與平動臺聯接。第三支鏈一端通過第三移動副與機架聯接，另一端通過第八轉動副與平動臺聯接。

圖4 3-PR（4R）R并聯機構

3-RPS并聯機構動平臺上的驅動點通過球面副與3-PR（4R）R并聯機構的平動臺聯接，因平動臺為平動運動，故可用一個平動臺驅動多個尺寸及位姿相同的3-RPS并聯機構實現完全相同的運動輸出，圖5所示為平動臺同時驅動3套3-RPS并聯機構運動的情況。由此可見采用平動機構驅動3-RPS并聯機構運動的一個優勢是可實現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機構輸出的機構

4結束語

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

[1]仲明.改進型3-RPS并聯機構的設計與研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2013.

[2]Tsai L W．Direct kinematic analysis of a 3-RPS parallel ma nipulator[J].Mechanical and Machine Theory，2003，38（1）：71-83.

[3]K.M.Lee，et al.A new Robot Arm Design[J].IEEE Journal of Robotics and Automatization，1988，4（3）：304-306.

[4]G.H.Pfreundsehuh，et al.A New Pneumatic Wrist Design[J]. IEEE Journal of Robotics and Automatization，1991，6（5）：1659-1664.

[5]K.S.Waldron，et al.Analysis and Application of a Three Degree of Freedom In-ParallelMechanism[J].ASMEJournal of Dynamic System Measurement and Control，1989，111（2）：211-221.

[6]方躍法，黃真.三自由度3-RPS并聯機器人機構的運動分析[J].機械科學與技術，2013，16（1）：82-88.

[7]安梓銘，朱大昌，李雅瓊，等.基于3-RPS型并聯機器人模糊PID控制研究[J].制造業自動化，2014，36（8）：15-18.

[8]霍電輝.新型三自由度動感模擬平臺的研發[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：機器人與并聯機構。