3-RPS并联机构的新型驱动方式

王红州，王楠楠，陈润六，邹晓晖

（1.江西省机械科学研究所，江西南昌330002；2.大连吉田拉链有限公司，辽宁大连116600）

新产品开发

3-RPS并联机构的新型驱动方式

王红州1，王楠楠2，陈润六1，邹晓晖1

（1.江西省机械科学研究所，江西南昌330002；2.大连吉田拉链有限公司，辽宁大连116600）

采用3-RPS并联机构动平台上一个点作为机构的动力输入，实现了与三个移动副作为主动件的3-RPS机构一样的运动功能。这种新型驱动方式可实现一个三平动并联机构作为运动输入多个3-RPS并联机构同步运动输出的功能，这个功能恰好应用在动感影院的特效座椅设备上，可以有效降低此类动感座椅设备的成本。

并联机构；动感座椅；同步运动

1983年Hunt提出了3-RPS并联机构，这种空间结构引起了国际上众多学者的关注与研究[1]。Tsai对3-RPS机构进行了运动学分析[2]，Lee将3-RPS并联机构应用在机器人的主臂和手腕上[3]，Peundsehuh研究了一种基于3-RPS并联机构的气动手腕[4]，Waldrom和Roth设计了一种基于3-RPS并联机构的ARTISAN手腕[5]，黄真研究了3-RPS并联机构的运动学性质[6]，安梓铭研究了基于3-RPS型并联机器人的模糊PID控制[7]，霍电辉设计了一种新型三自由度动感模拟平台[8]。王旭明研究了3-RPS并联机构在动感影院特效座椅设备上的应用[9]。一般3-RPS并联机构的在工程上的应用都是将三条RPS支链中的P副作为主动运动副来实现其运动的。

2014年，王红州发明了一种三平动运动输入多重3-RPS机构运动输出的动感座椅设备[10]，该动感座椅设备的座椅安装在3-RPS并联机构上，驱动装置采用了一个三平动并联机构。江西省机械科学研究所与上海嬴浩机电设备有限公司联合开发成功了这种新型的动感座椅设备。此设备由安装座椅的动平台上的一个点的空间运动作为动力输入，实现3-RPS并联机构的两转一移的运动输出。本文从结构方面分析了这种形式的可行性。

1 3-RPS并联机构及其常规驱动方式

一般来说，3-RPS并联机构由3条RPS支链联接动静平台构成，3条支链上的移动副为机构的主动副，可实现动平台两转一移的空间三自由度运动。如图1所示，3-RPS可看成由机架、动平台及3个直线驱动器组成。第一直线驱动器一端通过第一转动副与机架联接，另一端通过第一球面副与动平台联接。第二直线驱动器一端通过第二转动副与机架联接，另一端通过第二球面副与动平台联接。第三直线驱动器一端通过第三转动副与机架联接，另一端通过第三球面副与动平台联接。3个直线驱动器配合运动可实现动平台两转一移的空间三自由度运动。

图1 3-RPS并联机构

如图1所示，3-RPS可看成由机架、动平台及3个直线驱动器组成。第一直线驱动器一端通过第一转动副与机架联接，另一端通过第一球面副与动平台联接。第二直线驱动器一端通过第二转动副与机架联接，另一端通过第二球面副与动平台联接。第三直线驱动器一端通过第三转动副与机架联接，另一端通过第三球面副与动平台联接。3个直线驱动器配合运动可实现动平台两转一移的空间三自由度运动。

2 3-RPS并联机构及其新型驱动方式

本文分析了一种3-RPS并联机构的新型驱动方式，采用控制动平台上一个点在空间上的位置来实现动平台两转一移的运动。将常规3-RPS并联机构的直线驱动器换成伸缩杆并在动平台上选取驱动点即可采用新型驱动方式来实现该机构动平台两转一移的空间三自由度运动。如图2所示，采用新型驱动方式的3-RPS并联机构由机架、动平台及3个伸缩杆组成。第一伸缩杆一端通过第一转动副与机架联接，另一端通过第一球面副与动平台联接。第二伸缩杆一端通过第二转动副与机架联接，另一端通过第二球面副与动平台联接。第三伸缩杆一端通过第三转动副与机架联接，另一端通过第三球面副与动平台联接。通过控制动平台上驱动点在空间的位置可实现动平台两转一移的运动。其原理为：在3条RPS支链的约束下动平台只能实现空间两转一移的三自由度运动，而动平台的位姿和驱动点在空间上的位置是一一对应的关系，即通过控制驱动点在空间的位置可实现动平台的位姿，因此可通过控制驱动点的方式来实现动平台的运动。

图2 3-RPS并联机构新型驱动方式

3 3-RPS并联机构新型驱动方式的实现方法

虽然控制3-RPS并联机构动平台上驱动点的空间位置就可以实现机构三自由度的运动，但实际上常规的驱动方式是不能直接实现点的三维运动控制的。本文采用了一种三平动并联机构（3-PR（4R）R构型）作为实现控制驱动点三维运动的载体。

如图3所示PR（4R）R支链由滑块、第一转轴、第一连杆、第二连杆及第二转轴组成。滑块通过第一转动副与第一转轴联接，第一转轴通过第二转动副、第三转动副分别与第一连杆、第二连杆联接，第二转轴通过第四转动副、第五转动副分别与第一连杆、第二连杆联接。

图3 PR（4R）R支链

如图4所示，3-PR（4R）R并联机构由机架、第一支链、第二支链、第三支链及平动台组成。第一支链一端通过第一移动副与机架联接，另一端通过第六转动副与平动台联接。第二支链一端通过第二移动副与机架联接，另一端通过第七转动副与平动台联接。第三支链一端通过第三移动副与机架联接，另一端通过第八转动副与平动台联接。

图4 3-PR（4R）R并联机构

3-RPS并联机构动平台上的驱动点通过球面副与3-PR（4R）R并联机构的平动台联接，因平动台为平动运动，故可用一个平动台驱动多个尺寸及位姿相同的3-RPS并联机构实现完全相同的运动输出，图5所示为平动台同时驱动3套3-RPS并联机构运动的情况。由此可见采用平动机构驱动3-RPS并联机构运动的一个优势是可实现一套运动输入多套运动同步输出的功能。

图5 三平动输入3-RPS机构输出的机构

4结束语

本文介绍了一种3-RPS并联机构的新型驱动方式，采用这种驱动方式可以实现1套平动输入多套3-RPS并联机构运动同步输出的功能。若将此项技术应用到动感影院特效座椅设备上，可实现1套平动并联机构作为动力输入，多套3-RPS并联机构座椅同步联动的功能，可有效降低原有设备的成本。

[1]仲明.改进型3-RPS并联机构的设计与研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，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]方跃法，黄真.三自由度3-RPS并联机器人机构的运动分析[J].机械科学与技术，2013，16（1）：82-88.

[7]安梓铭，朱大昌，李雅琼，等.基于3-RPS型并联机器人模糊PID控制研究[J].制造业自动化，2014，36（8）：15-18.

[8]霍电辉.新型三自由度动感模拟平台的研发[D].太原：太原科技大学机械电子工程，2013.

[9]王旭明.动感影院系统研究与设计[D].武汉：华中科技大学，2013.

[10]王红州.三平动输入多重3-RPS机构输出的4D特效座椅[P].中国：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

江西省科技支撑重点项目（20151BBE50125）

王红州（1986-），男，河北邯郸人，硕士，助理工程师，研究方向：机器人与并联机构。