少自由度并联机构性质及应用

本书系统论述了解耦构型综合的方法，内容新颖，系统全面。本书具有以下两大特色： （1）内容新颖：本书以移动Jacobian矩阵和转动Jacobian矩阵为基础，结合CAD变量几何技术，对少自由度并联机构，特别是3、4自由度并联机构的运动学、奇异位形和工作空间等重要性质进行介绍，展现了现代机构学在理论研究与应用研究方面的新思想、新概念、新技术与新方法。对从事机构学、机器人学的教学及科学研究具有一定的启发与帮助。 （2）系统全面：主要包含基于Jacobian和Hessian矩阵的少自由度并联机构和实验台的运动学分析、少自由度并联机构的运动学分析、少自由度并联机构奇异分析、少自由度并联机构的工作空间分析、少自由度并联机构的样机调试等从理论到实际应用的内容。

和传统的6自由度并联机构相比，少自由度并联机构具有驱动件少、控制简单方便、制造容易、价格低廉等特点。近年来，少自由度并联机构成为国际机构学和机器人领域的研究热点，少自由度并联机构的性质研究包括运动学、奇异位形和工作空间等等。
运动学是机构分析的重要组成部分，Jacobian矩阵在并联机构的运动学分析中十分重要。传统意义上少自由度并联机构的Jacobian矩阵不是方阵，即机构的输入和输出之间不满足一一对应关系。这种现象出现的本质原因是动平台的各个输出速度分量并不是独立的。本书用移动Jacobian矩阵和转动Jacobian矩阵分别表示动平台的线速度和角速度与机构独立输出速度矢量之间的关系。通过移动和转动Jacobian矩阵，得到了n(n<6)自由度并联机构的n×n 型Jacobian方阵并对其速度进行了分析；在移动和转动Jacobian矩阵的基础上，建立表示动平台的线加速度和角加速度与机构的独立输出加速度矢量之间关系的移动和转动Hessian矩阵，进而对少自由度并联机构的加速度进行了分析。
少自由度并联机构总体上具有比6自由度并联机构更复杂的运动特性，特别是动平台的运动受到约束后会表现出很多特殊的性质，这使得少自由度并联机构机型匮乏，与实际应用中的广泛需求相距甚远。本书综合出了多种3、4自由度并联机构，包括含约束分支的并联机构、驱动分支数小于自由度数的并联机构，以及含非直线分支的并联机构等。以移动和转动Jacobian矩阵为基础，对所综合出来的机构进行了详细的运动学分析。
并联机构的奇异位形是并联机构设计、分析和应用中的一个重要问题。Jacobian代数法是研究并联机构奇异位形最通用的方法。本书通过移动和转动Jacobian矩阵，以及由这两个矩阵所得的n×n 型Jacobian方阵，对少自由度并联机构，特别是具有不同运动形式的3、4自由度并联机构的奇异位形进行了分析，包括三维移动并联机构、三维转动并联机构、具有混合运动的3自由度并联机构、三移一转4自由度并联机构、三转一移4自由度并联机构，以及移动和转动耦合的4自由度并联机构等。
对于一种新型机构，能够准确、方便地分析其工作空间对于评定该机构的实际应用价值十分有帮助。本书介绍了求解少自由度并联机构工作空间的步骤，并以3、4自由度并联机构为重点，详细阐述了其工作空间的构造过程，定义了描述工作空间的参数，讨论了运动副的布置对少自由度并联机构特别是3自由度并联机构工作空间的影响。
在上述研究分析的基础上，将新型并联机构引入玻璃搬运机械手设计过程中，围绕玻璃上下片的动作过程，设计了多种少自由度并联玻璃搬运机械手，对新型并联玻璃搬运机械手的性质展开研究，进而改善玻璃搬运机械手的性能，加快少自由度并联机械结构在实际生产中的应用进程。
本书共分为7章。第1章综述了少自由度并联机器人的应用与少自由度并联机构的研究现状；第2章阐述了基于Jacobian和Hessian矩阵的少自由度并联机构的运动学；第3章对几种少自由度并联机构进行运动学分析；第4章论述了基于Jacobian矩阵的少自由度并联机构奇异性；第5章论述了少自由度并联机构的工作空间；第6章介绍了少自由度并联机构的样机调试；第7章介绍了少自由度并联玻璃搬运机械手的分析与设计。
本书可供机械、机器人或相关领域的专业人员与对机器人领域感兴趣的读者阅读、参考。
鉴于笔者水平有限，一些学术观点与书中文字的欠妥之处，恳请读者给予批评指正。

石岩
河北水利电力学院

石岩，机械电子工程专业博士，第三届全国水利职教教学新星，河北省优秀教师，“河北省三三三人才工程”三层次人才。主要研究方向为机器人机构学理论与应用，主研、主持完成国家、教育部、省市级项目等9项，包括国家自然科学基金项目“具有被动分支自由度为3和4并联机器人机构综合与性质研究”、教育部博士点基金项目“可变式少自由度并联机器人机构性能的理论研究与实验综合”、河北省高等学校科学技术研究重点项目“高可靠性平板玻璃上下片机械手关键技术研究”等。基于研究工作发表论文30余篇，其中SCI检索9篇，中文核心期刊12篇；编写教材5部；获国家实用新型专利授权17项。主研完成的项目获2015年度河北省自然科学三等奖。

本书以移动Jacobian 矩阵和转动Jacobian 矩阵为基础，结合CAD 变量几何技术，对少自由度并联机构，特别是3、4 自由度并联机构的运动学、奇异位形和工作空间等进行了介绍。结合工业实际，将少自由度并联机构应用于玻璃搬运领域，综合出新型并联玻璃搬运机械手，并介绍样机研制与调试。本书对读者系统掌握少自由度并联机构的研究方法具有一定的指导意义，同时也为少自由度并联机构在其他领域的应用提供了重要思路。
本书适合从事机器人特别是并联机器人研究与开发的科研工作者与工程技术人员使用，也可供高等院校相关专业师生参考学习使用。

第1章绪论001
1.1并联机器人的起源和发展002
1.2少自由度并联机器人的应用006
1.2.1三维移动并联机器人的应用006
1.2.2三维转动并联机器人的应用008
1.2.3具有混合运动少自由度并联机器人的应用009
1.2.4专用机械手对少自由度并联机构的应用需求011
1.3少自由度并联机构的研究现状013
1.3.1几种特殊构型的少自由度并联机构研究概述013
1.3.2少自由度并联机构运动学研究现状016
1.3.3少自由度并联机构奇异位形研究现状017
1.3.4少自由度并联机构工作空间研究现状018
1.4本书意义及内容020

第2章少自由度并联机构移/转动Jacobian 和Hessian 矩阵023
2.1概述024
2.2基于移/转动Jacobian 和Hessian 矩阵的少自由度并联机构运动学分析025
2.2.1少自由度并联机构模型简介025
2.2.2少自由度并联机构位置分析025
2.2.3移/转动Jacobian 矩阵及速度分析028
2.2.4移/转动Hessian 矩阵及加速度分析031
2.32SPS＋SPR＋SP 实验台的运动学分析033
2.3.12SPS＋SPR＋SP 机构描述及自由度计算033
2.3.22SPS＋SPR＋SP 机构的位置分析035
2.3.32SPS＋SPR＋SP 机构的速度分析039
2.3.42SPS＋SPR＋SP 机构的加速度分析040
2.3.5数值算例041
2.3.62SPS＋SPR＋X 机构的约束分支综合051
2.4本章小结052

第3章几种少自由度并联机构的运动学分析054
3.1概述055
3.2坐标系的建立与通用公式055
3.3一种平面对称3-SPR 并联机构的运动学分析056
3.3.1平面对称3-SPR 机构描述及自由度计算056
3.3.2平面对称3-SPR 机构的位置分析057
3.3.3平面对称3-SPR 机构的速度和加速度分析060
3.4一种2SPR＋UPU 并联机构的运动学分析065
3.4.12SPR＋UPU 机构描述及自由度计算065
3.4.22SPR＋UPU 机构的位置分析066
3.4.32SPR＋UPU 机构的速度和加速度分析068
3.5一种4 自由度过约束并联机构的运动学分析073
3.5.12UPU＋RRPU 机构描述及自由度计算073
3.5.22UPU＋RRPU 机构的位置分析074
3.5.32UPU＋RRPU 机构的速度和加速度分析077
3.6一种含非直线分支的4 自由度并联机构运动学分析082
3.6.12SPS＋RPRR 机构描述及自由度计算082
3.6.22SPS＋RPRR 机构的位置分析083
3.6.32SPS＋RPRR 机构的速度和加速度分析085
3.7本章小结095

第4章基于移/转动Jacobian 矩阵的少自由度并联机构奇异分析096
4.1概述097
4.23 自由度并联机构的奇异分析098
4.2.13 自由度并联机构的分类及Jacobian 矩阵098
4.2.2三维移动并联机构的奇异分析099
4.2.3三维转动并联机构的奇异分析100
4.2.4具有混合运动3 自由度并联机构的奇异分析106
4.34 自由度并联机构的奇异分析120
4.3.14 自由度并联机构的分类及Jacobian 矩阵120
4.3.23T1R 4 自由度并联机构的奇异分析122
4.3.33R1T 4 自由度并联机构的奇异分析125
4.3.4移动和转动耦合的4 自由度并联机构的奇异分析128
4.4本章小结133

第5章少自由度并联机构的工作空间分析135
5.1概述136
5.2基本概念和方法136
5.2.1一般并联机构及其工作空间136
5.2.2位置空间的通用求解方法137
5.2.3姿态角的描述及求解方法140
5.33 自由度并联机构的工作空间141
5.3.13 自由度并联机构工作空间的描述141
5.3.2一种平面对称3-SPR 并联机构的工作空间142
5.44 自由度并联机构的工作空间144
5.4.1线性驱动的4 自由度并联机构的工作空间145
5.4.2包含转动驱动的4 自由度并联机构的工作空间Ⅰ 148
5.4.3包含转动驱动的4 自由度并联机构的工作空间Ⅱ 150
5.55 自由度并联机构的工作空间152
5.5.12SPS＋RRPRR 机构及其模拟机构152
5.5.22SPS＋RRPRR 机构的可达工作空间153
5.6运动副布置对并联机构工作空间的影响分析155
5.6.1运动副布置及其对工作空间的影响155
5.6.2运动副布置对2SPS＋SPR＋SP 实验台工作空间的影响分析156
5.6.3运动副布置对3-SPR 并联机构工作空间的影响分析158
5.6.4运动副布置对2SPR＋UPU 并联机构工作空间的影响分析161
5.7本章小结164

第6章3 种少自由度并联机构的样机调试165
6.1概述166
6.2平面对称3-SPR 并联机构样机调试167
6.2.1可调式3-SPS 型并联机构实验平台167
6.2.2平面对称3-SPR 并联机构样机调试过程167
6.32SPS＋SPR＋SP 并联机构样机调试169
6.3.1可调式具有被动约束分支3 自由度并联机构简介169
6.3.22SPS＋SPR＋SP 并联机构样机调试过程170
6.42UPU＋RRPU 并联机构样机调试171
6.5本章小结172

第7章几种少自由度并联玻璃搬运机械手的设计173
7.1概述174
7.2一种抑制振动的玻璃上下片机械手的设计与分析174
7.2.1机械手机构简介174
7.2.2机械手模型制作175
7.2.3机械手动力学仿真分析178
7.3平板玻璃上下片机械手执行机构结构设计及动力学分析180
7.3.1总体布局结构设计180
7.3.2执行机构的结构设计181
7.3.3基于SolidWorks Motion 的执行机构动力学分析181
7.4一种减振平板玻璃上下片机械手的设计185
7.4.1上下片机械手机械结构设计185
7.4.2有益效果187
7.5一种高度可调节的平板玻璃转运机械手的设计188
7.5.1转运机械手机械结构设计188
7.5.2有益效果190
7.6基于西门子PLC 的平板玻璃上下片机械手控制系统设计191
7.6.1平板玻璃上下片机械手机构简介191
7.6.2机械手控制的基本要求192
7.6.3机械手控制系统硬件设计193
7.6.4机械手PLC 程序设计194
7.7一种部分解耦并联玻璃搬运机械手样机研制196
7.7.1部分解耦并联玻璃搬运机械手机构简介196
7.7.2样机加工制作198
7.8本章小结198

参考文献200