少自由度并聯機構性質及應用

本書系統論述了解耦構型綜合的方法，內容新穎，系統全面。本書具有以下兩大特色： （1）內容新穎：本書以移動Jacobian矩陣和轉動Jacobian矩陣為基礎，結合CAD變量幾何技術，對少自由度并聯機構，特別是3、4自由度并聯機構的運動學、奇異位形和工作空間等重要性質進行介紹，展現了現代機構學在理論研究與應用研究方面的新思想、新概念、新技術與新方法。對從事機構學、機器人學的教學及科學研究具有一定的啟發與幫助。 （2）系統全面：主要包含基于Jacobian和Hessian矩陣的少自由度并聯機構和實驗臺的運動學分析、少自由度并聯機構的運動學分析、少自由度并聯機構奇異分析、少自由度并聯機構的工作空間分析、少自由度并聯機構的樣機調試等從理論到實際應用的內容。

和傳統的6自由度并聯機構相比，少自由度并聯機構具有驅動件少、控制簡單方便、制造容易、價格低廉等特點。近年來，少自由度并聯機構成為國際機構學和機器人領域的研究熱點，少自由度并聯機構的性質研究包括運動學、奇異位形和工作空間等等。
運動學是機構分析的重要組成部分，Jacobian矩陣在并聯機構的運動學分析中十分重要。傳統意義上少自由度并聯機構的Jacobian矩陣不是方陣，即機構的輸入和輸出之間不滿足一一對應關系。這種現象出現的本質原因是動平臺的各個輸出速度分量并不是獨立的。本書用移動Jacobian矩陣和轉動Jacobian矩陣分別表示動平臺的線速度和角速度與機構獨立輸出速度矢量之間的關系。通過移動和轉動Jacobian矩陣，得到了n(n<6)自由度并聯機構的n×n 型Jacobian方陣并對其速度進行了分析；在移動和轉動Jacobian矩陣的基礎上，建立表示動平臺的線加速度和角加速度與機構的獨立輸出加速度矢量之間關系的移動和轉動Hessian矩陣，進而對少自由度并聯機構的加速度進行了分析。
少自由度并聯機構總體上具有比6自由度并聯機構更復雜的運動特性，特別是動平臺的運動受到約束后會表現出很多特殊的性質，這使得少自由度并聯機構機型匱乏，與實際應用中的廣泛需求相距甚遠。本書綜合出了多種3、4自由度并聯機構，包括含約束分支的并聯機構、驅動分支數小于自由度數的并聯機構，以及含非直線分支的并聯機構等。以移動和轉動Jacobian矩陣為基礎，對所綜合出來的機構進行了詳細的運動學分析。
并聯機構的奇異位形是并聯機構設計、分析和應用中的一個重要問題。Jacobian代數法是研究并聯機構奇異位形最通用的方法。本書通過移動和轉動Jacobian矩陣，以及由這兩個矩陣所得的n×n 型Jacobian方陣，對少自由度并聯機構，特別是具有不同運動形式的3、4自由度并聯機構的奇異位形進行了分析，包括三維移動并聯機構、三維轉動并聯機構、具有混合運動的3自由度并聯機構、三移一轉4自由度并聯機構、三轉一移4自由度并聯機構，以及移動和轉動耦合的4自由度并聯機構等。
對于一種新型機構，能夠準確、方便地分析其工作空間對于評定該機構的實際應用價值十分有幫助。本書介紹了求解少自由度并聯機構工作空間的步驟，并以3、4自由度并聯機構為重點，詳細闡述了其工作空間的構造過程，定義了描述工作空間的參數，討論了運動副的布置對少自由度并聯機構特別是3自由度并聯機構工作空間的影響。
在上述研究分析的基礎上，將新型并聯機構引入玻璃搬運機械手設計過程中，圍繞玻璃上下片的動作過程，設計了多種少自由度并聯玻璃搬運機械手，對新型并聯玻璃搬運機械手的性質展開研究，進而改善玻璃搬運機械手的性能，加快少自由度并聯機械結構在實際生產中的應用進程。
本書共分為7章。第1章綜述了少自由度并聯機器人的應用與少自由度并聯機構的研究現狀；第2章闡述了基于Jacobian和Hessian矩陣的少自由度并聯機構的運動學；第3章對幾種少自由度并聯機構進行運動學分析；第4章論述了基于Jacobian矩陣的少自由度并聯機構奇異性；第5章論述了少自由度并聯機構的工作空間；第6章介紹了少自由度并聯機構的樣機調試；第7章介紹了少自由度并聯玻璃搬運機械手的分析與設計。
本書可供機械、機器人或相關領域的專業人員與對機器人領域感興趣的讀者閱讀、參考。
鑒于筆者水平有限，一些學術觀點與書中文字的欠妥之處，懇請讀者給予批評指正。

石巖
河北水利電力學院

石巖，機械電子工程專業博士，第三屆全國水利職教教學新星，河北省優秀教師，“河北省三三三人才工程”三層次人才。主要研究方向為機器人機構學理論與應用，主研、主持完成國家、教育部、省市級項目等9項，包括國家自然科學基金項目“具有被動分支自由度為3和4并聯機器人機構綜合與性質研究”、教育部博士點基金項目“可變式少自由度并聯機器人機構性能的理論研究與實驗綜合”、河北省高等學?？茖W技術研究重點項目“高可靠性平板玻璃上下片機械手關鍵技術研究”等?；谘芯抗ぷ靼l表論文30余篇，其中SCI檢索9篇，中文核心期刊12篇；編寫教材5部；獲國家實用新型專利授權17項。主研完成的項目獲2015年度河北省自然科學三等獎。

本書以移動Jacobian 矩陣和轉動Jacobian 矩陣為基礎，結合CAD 變量幾何技術，對少自由度并聯機構，特別是3、4 自由度并聯機構的運動學、奇異位形和工作空間等進行了介紹。結合工業實際，將少自由度并聯機構應用于玻璃搬運領域，綜合出新型并聯玻璃搬運機械手，并介紹樣機研制與調試。本書對讀者系統掌握少自由度并聯機構的研究方法具有一定的指導意義，同時也為少自由度并聯機構在其他領域的應用提供了重要思路。
本書適合從事機器人特別是并聯機器人研究與開發的科研工作者與工程技術人員使用，也可供高等院校相關專業師生參考學習使用。

第1章緒論001
1.1并聯機器人的起源和發展002
1.2少自由度并聯機器人的應用006
1.2.1三維移動并聯機器人的應用006
1.2.2三維轉動并聯機器人的應用008
1.2.3具有混合運動少自由度并聯機器人的應用009
1.2.4專用機械手對少自由度并聯機構的應用需求011
1.3少自由度并聯機構的研究現狀013
1.3.1幾種特殊構型的少自由度并聯機構研究概述013
1.3.2少自由度并聯機構運動學研究現狀016
1.3.3少自由度并聯機構奇異位形研究現狀017
1.3.4少自由度并聯機構工作空間研究現狀018
1.4本書意義及內容020

第2章少自由度并聯機構移/轉動Jacobian 和Hessian 矩陣023
2.1概述024
2.2基于移/轉動Jacobian 和Hessian 矩陣的少自由度并聯機構運動學分析025
2.2.1少自由度并聯機構模型簡介025
2.2.2少自由度并聯機構位置分析025
2.2.3移/轉動Jacobian 矩陣及速度分析028
2.2.4移/轉動Hessian 矩陣及加速度分析031
2.32SPS＋SPR＋SP 實驗臺的運動學分析033
2.3.12SPS＋SPR＋SP 機構描述及自由度計算033
2.3.22SPS＋SPR＋SP 機構的位置分析035
2.3.32SPS＋SPR＋SP 機構的速度分析039
2.3.42SPS＋SPR＋SP 機構的加速度分析040
2.3.5數值算例041
2.3.62SPS＋SPR＋X 機構的約束分支綜合051
2.4本章小結052

第3章幾種少自由度并聯機構的運動學分析054
3.1概述055
3.2坐標系的建立與通用公式055
3.3一種平面對稱3-SPR 并聯機構的運動學分析056
3.3.1平面對稱3-SPR 機構描述及自由度計算056
3.3.2平面對稱3-SPR 機構的位置分析057
3.3.3平面對稱3-SPR 機構的速度和加速度分析060
3.4一種2SPR＋UPU 并聯機構的運動學分析065
3.4.12SPR＋UPU 機構描述及自由度計算065
3.4.22SPR＋UPU 機構的位置分析066
3.4.32SPR＋UPU 機構的速度和加速度分析068
3.5一種4 自由度過約束并聯機構的運動學分析073
3.5.12UPU＋RRPU 機構描述及自由度計算073
3.5.22UPU＋RRPU 機構的位置分析074
3.5.32UPU＋RRPU 機構的速度和加速度分析077
3.6一種含非直線分支的4 自由度并聯機構運動學分析082
3.6.12SPS＋RPRR 機構描述及自由度計算082
3.6.22SPS＋RPRR 機構的位置分析083
3.6.32SPS＋RPRR 機構的速度和加速度分析085
3.7本章小結095

第4章基于移/轉動Jacobian 矩陣的少自由度并聯機構奇異分析096
4.1概述097
4.23 自由度并聯機構的奇異分析098
4.2.13 自由度并聯機構的分類及Jacobian 矩陣098
4.2.2三維移動并聯機構的奇異分析099
4.2.3三維轉動并聯機構的奇異分析100
4.2.4具有混合運動3 自由度并聯機構的奇異分析106
4.34 自由度并聯機構的奇異分析120
4.3.14 自由度并聯機構的分類及Jacobian 矩陣120
4.3.23T1R 4 自由度并聯機構的奇異分析122
4.3.33R1T 4 自由度并聯機構的奇異分析125
4.3.4移動和轉動耦合的4 自由度并聯機構的奇異分析128
4.4本章小結133

第5章少自由度并聯機構的工作空間分析135
5.1概述136
5.2基本概念和方法136
5.2.1一般并聯機構及其工作空間136
5.2.2位置空間的通用求解方法137
5.2.3姿態角的描述及求解方法140
5.33 自由度并聯機構的工作空間141
5.3.13 自由度并聯機構工作空間的描述141
5.3.2一種平面對稱3-SPR 并聯機構的工作空間142
5.44 自由度并聯機構的工作空間144
5.4.1線性驅動的4 自由度并聯機構的工作空間145
5.4.2包含轉動驅動的4 自由度并聯機構的工作空間Ⅰ 148
5.4.3包含轉動驅動的4 自由度并聯機構的工作空間Ⅱ 150
5.55 自由度并聯機構的工作空間152
5.5.12SPS＋RRPRR 機構及其模擬機構152
5.5.22SPS＋RRPRR 機構的可達工作空間153
5.6運動副布置對并聯機構工作空間的影響分析155
5.6.1運動副布置及其對工作空間的影響155
5.6.2運動副布置對2SPS＋SPR＋SP 實驗臺工作空間的影響分析156
5.6.3運動副布置對3-SPR 并聯機構工作空間的影響分析158
5.6.4運動副布置對2SPR＋UPU 并聯機構工作空間的影響分析161
5.7本章小結164

第6章3 種少自由度并聯機構的樣機調試165
6.1概述166
6.2平面對稱3-SPR 并聯機構樣機調試167
6.2.1可調式3-SPS 型并聯機構實驗平臺167
6.2.2平面對稱3-SPR 并聯機構樣機調試過程167
6.32SPS＋SPR＋SP 并聯機構樣機調試169
6.3.1可調式具有被動約束分支3 自由度并聯機構簡介169
6.3.22SPS＋SPR＋SP 并聯機構樣機調試過程170
6.42UPU＋RRPU 并聯機構樣機調試171
6.5本章小結172

第7章幾種少自由度并聯玻璃搬運機械手的設計173
7.1概述174
7.2一種抑制振動的玻璃上下片機械手的設計與分析174
7.2.1機械手機構簡介174
7.2.2機械手模型制作175
7.2.3機械手動力學仿真分析178
7.3平板玻璃上下片機械手執行機構結構設計及動力學分析180
7.3.1總體布局結構設計180
7.3.2執行機構的結構設計181
7.3.3基于SolidWorks Motion 的執行機構動力學分析181
7.4一種減振平板玻璃上下片機械手的設計185
7.4.1上下片機械手機械結構設計185
7.4.2有益效果187
7.5一種高度可調節的平板玻璃轉運機械手的設計188
7.5.1轉運機械手機械結構設計188
7.5.2有益效果190
7.6基于西門子PLC 的平板玻璃上下片機械手控制系統設計191
7.6.1平板玻璃上下片機械手機構簡介191
7.6.2機械手控制的基本要求192
7.6.3機械手控制系統硬件設計193
7.6.4機械手PLC 程序設計194
7.7一種部分解耦并聯玻璃搬運機械手樣機研制196
7.7.1部分解耦并聯玻璃搬運機械手機構簡介196
7.7.2樣機加工制作198
7.8本章小結198

參考文獻200