少维输入-多维期望运动输出并联机构及其应用

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1.1 工业领域已存在少维输入 -多维运动输出机构随着工业技术的发展，人们期望能够拥有用最少的输入来产生较多维数空间运动的机械结构，以达到机器结构简单、制造容易、高效可靠、维修方便、节能减排的目的，因此，研发以较少维输入产生较多维期望运动输出的并联机构(简称：少输入 -多输出并联机构)，成为实现这- 目标的良好途径。

首先 ，工业领域已存在大量-、二维输入但能产生多维输出运动的装置。例如：广泛适用于采矿、建材、公路等行业的单输人复摆式颚式破碎机，将作二维复合平面运动(含平动与转动)并具有 3个运动分量输出的连杆BC作为输出件(动颚)，如图 1所示，当曲柄AB-维输入时，动颚上任意-点s具有沿 轴、Y轴向平动以及绕z轴转动的3个输出分量，使物料块在破碎腔下部有较大的上下翻滚运动，并受到均匀破碎，故生产率比同规格的单 自由度简摆式颚式破碎机(以-维输出摇杆 CD作为动颚)高出20% ～30%；同时还具有质量孝构件较少、结构更紧凑等优点，因此 目前已基本取代了简摆式颚式破碎机。

还有广泛应用于冶金、煤炭、粮油、化工等行业图 1 单输入复摆式颚式 图2 单输入平面连杆式破碎 机机构 振动 筛机构的单层筛连杆式振动筛或双层筛连杆式振动筛(如图2所示)，当曲柄 OA-维转动输入时，安装在连杆 AB与DE上的筛箱作包含平动和转动的二维复合平面运动，产生的沿 轴、Y轴向的平动以及绕 轴转动的3个输出分量，保证了物料完成上、下抛起及其从入料端到出料端的流动，从而具有较好的筛分效果 ，且功耗低、运行平稳、占地空间小 引。

而在多自由度的并联机构中，研究其驱动输入性与输出特性的关系，更有学术和应用价值，如：典型的三自由度3-RPS并联机构(P副主动)，当静平台上的3个转动副轴线平行于同-平面时，动平台产生同时包含平动和转动的五维输出运动；而当静平台上的3个转动副轴线不平行于同-平面时，动平台产生同时包含平动和转动的四维输出运动，但在这两种情况下，均只有三维是独立运动，其余收稿日期：2013-05-13基金项目：国家自然科学基金资助项目(51075045)；江苏省重大科技支撑与自主创新项 目(BE2010074、BE2010061)作者简介：沈惠平(1965-)，男，江苏吴江人，常州大学教授、博士生导师，博士，主要研究方向为并联机构、机器人机构学 、并联运动装备。

1.2 新兴产业的需求随着战略性新兴产业的兴起，用于助老助残的康复机器人或康复辅具 日益受到重视，但目前无论是并联式还是串联式康复装置，其结构都 比较复杂，输入驱动太多，不符合康复器具结构简单、质量孝舒适性高等要求；另外，用于复杂危险环境的核污染现场清理、高温矿焦渣清理以及大型污水池清理，以及用于运动娱乐类的亿机等-些新型装备 J，都需要用最少的输入来产生较多维数的空间运动，以达到结构简单、制造方便、绿色运行，以及节能减排的目的。

由上可知，用较少的输入数 (aof)驱动，可以产生运动输出维数多于输入数 目(即：aof△)的空间复杂运动并达到理想的生产效果。基于这种研究思路，作者根据应用需求的不同，提出并联机构可分成两类，以拓展并联机构的应用范围并作深入研究。

2 并联机构的分类、研究问题的提出与表述2.1 并联机构的分类目前，-方面，国内外并联机构学术界在理论和应用上，主要研究以多轴并联运动机床为代表的、中等精度以上的数控加工装备，以及进行 自动装配操作的装备或操作手，这些装备的每个输出运动都需要独立且精确的控制，即输出运动的数目必须等于机构自由度数目，本文定义该类机构为第 1类并联机构，即多维输入与等维精确运动输出并联机构”，对这种类型的并联机构，国内外已有较多的研究 J。

另-方面，像大型振动筛、破碎机、矿焦渣清理机、运动模拟器等装备，具有能耗大、机件损耗大、噪声大、作业环境差等特点；而康复训练机、核污染清理机等新兴产业装备，则具有服役环境特殊、高性价比以及要求节能环保等特点。这些装备都要求 ：减少构件、提高效率；节能降耗、降噪，提高寿命。从运动输出看，这些装备的操作端需要多个输出运动，以保证空问多维操作，要求与独立运动同时伴随的非独立运动-起参与相应的对外操作，但每个输出运动并非都要独立，且输出(含非独立量)的维数要求，高于输出的精度要求；同时，为节能降耗、工作可靠，驱动输入数目要尽量少，以减少能量消耗，实现节能减排。这-要求，敲可利用并发挥常规机械制造的并联机构动平台能产生空. 。

间复杂复合运动的优势，但输入的数 目要尽量少，以保证机构结构简单，并使生产、制造、维修成本较低!为此，本文定义这些装备的机构为第 Ⅱ类并联机构，即少维输入 -多维含非独立期望运动输出并联机构”，简称少输入 -多维输出并联机构”。

目前，有关该类并联机构的拓扑结构设计理论与方法，国内外未见公开报道。

2.2 并联机构 的输 出运动类型、数 目与驱动输入的关系设并联机构的驱动输人数为 W，自由度数为dof，输出平台的输出方位的维数为 No (包括独立和非独立元素)，根据 与aof的关系，有 3种隋况：第-种为确定输入，即：W aofN ，第 1类多维输入与等维精确运动输出并联机构”，即属于此，实际应用中最为常见，已广泛应用。

第二种为冗余驱动输入，即：W >dof，机器人或装备采用冗余驱动有利于改善机构性能、避免奇异点，但冗余驱动也使得系统结构、动力学计算和控制更复杂或困难 。

第三种为欠驱动输入，即：W

目前，几乎所有的文献都主要研究 W，aof二者之间的关系，而没有考虑 W，dof与 Ⅳ 的关系。

而本文要阐述的是：第 Ⅱ类机构在考虑 ，aof，N 三者满足 W dof

需要说明的是：(1)本文所指的少输人”，是指并联机构自由度为 aof，但其输出平台可以产生(aof△)维运动输出(含非独立量)；而并联机构学术界习惯称谓的少自由度机构”是相对于 6自由度机构而言的，-般是指2～5自由度输入而产生相应2～5等维输出的并联机构；(2)本文所指的第 Ⅱ类少输入 -多维输出并联机构”，也绝非指在并联机器内部通过额外增加 机械传动路2013年第 6期 沈惠平：少维输入 -多维期望运动输出并联机构及其应用线”，将-个输入分成若干多个传动输出，而是指- 个并联机构本身具有 dof维输入和(如厂△)维期望运动输出，且2≤d0厂△≤6，其中dof1～5，△ 1～5。因此，即使是 1-如厂并联机构，也可生产2～6维运动输出，这里的运动输出是指输出的类型及其数目，且包含非独立输出运动在内。

3 少输入三维并联装备的研究与应用3.1 单输入三维并联振动筛的研究与设计笔者自2006年首次提出并联振动筛的概念以来，研究 了-、二 自由度输 入 的三维并 联振动筛 ” ，如图3(a)、图3(b)、图 3(C)所示，分别为单输入三维并联振动筛的机构简图、原理性样机(a)机构简图以及实际用于硫磺筛分的装置图，当曲柄 1输人时，筛箱产生沿 轴的移动、绕 轴及绕构件2轴线的转动，这3个运动量使筛箱内的物料产生了剧烈的筛分运动，但其中，仅有-个为独立运动，另外两个为其伴随运动。该装置因设计构思新颖、工作原理巧妙，所以运行平稳、噪声低。大量的筛分实验表明，三维并联振动筛的筛分效率、透筛率分别比直线振 动筛 提高 约 15% ～20%，而功耗减 少35% 141，已用于橡胶制品的硫磺粉筛分工艺。

3.2 单输入三维转动肩关节康复训练机的概念设计笔者近期已提出了若干少输入 -多输出并联机构，包括单输入三转动输出并联机构，如图4所(b)原理性样机 (C)用于筛分硫磺粉1-曲炳；2-连杆；3-摇杆；4-空间连杆；5-空间摇杆图3 单输入三维并联振动筛示。其中，图4(a)所示机构 的3条支链为RSS、s、RJs，图4(b)所示机构 的 3条支链为 RRS、S、.s5。当曲柄 1转动时，这两种机构的动平台 3均能产生绕球副5 的3个转动角度，当机构参数改变时，这 3个转动角度的大猩发生相应变化，也可使某个转角固定不变或为零。

(a) (b)图4 两种单输入三转动输出并联机构这两种结构精巧简单的单输人三转动输出并联机构，均可作为肩关节康复训练的候漾型，其中，基于图4(b)所示机构的肩关节康复训练机的设计方案为：把机构的动平台 3与上臂绑定，静平台绑定在人体肩膀上部，安装示意如图 5(a)所示。

当曲柄 1转动时，上臂能产生绕肩关节(球副 S )的3个转角0c，卢，Y；针对康复的不同阶段，可通过机构参数的设置与优化，获得上臂所需的输出转动数目和转角大续-步对该机构进行初步的位置分析，其上臂的3个输出转角变化如图5(b)所示。

4 研究的意义和前景提出少输入 -多维期望运动输出并联机构的重要概念，对设计结构简单、制造方便、质量孝运行成本低的新机器，具有较好的指导意义，可满足产业结构转型升级及新兴产业发展所需机械装备的需求；不仅有望成为并联机构研究的-个重要方向，而且拓展了并联机构的工程应用领域，在 目前产业结构转型升级、培育包括民生产业在内的战略性新兴产业的大背景下，为研发新型节能型绿色工业装备或民生科技装备提供技术基础，具有十分重要的现实意义 ，期望引起并联机构学术界和产业界的注意和兴趣。

5 结束语基于广泛的产业应用背景、发展需求以及笔者研究少输入三维并联运动振动筛的工作基础，提出少维输入 -多维运动输出并联机构的重要概念，该· 3·2013年第 42卷 机械设计与制造工程Three-rotatonaI PKM]：：呐gamma / ! l- ， ---～～ - ～/ ； l ； ，2，- ÷ / ～ 霹 - ≮ 二 砖卿 。 蠢三 i ≥ - ～ 。 。 ： .-；-寸 -Time(see)(a)肩关节康复训练机安装示意 (b) 3个输出转角的变化图5 肩关节康复训练机的安装示意及其 3个输出转角变化类机构可望成为并联机构研究的-个重要研究方向，并拓展并联机构的设计理论与应用，对服务于产业发展的装备设计，具有重要理论意义和实用价值。该类机构的提出，涉及并联机构学的-个理论问题，即并联机构的输出运动类型、数 目与驱动输入的关系问题，而该问题国内外未见到公开报道，值得并联机构学术界去探索和研究。