3SPS＋1PS四自由度并联仿生平台运动学分析.pdf

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3SPS+IPS四自由度并联仿生平台运动学分析
Kinem atics ofa 4·D0F 3SPS+1 PS bionic paralleItest piatform
于敬利,程刚,顾伟
。CHENG Gang。GU Wei
(中国矿业大学机电学院,徐州 221116)
摘要:针对3SPS+IPS对称型并联仿生平台,利用螺旋理论对其进行自由度分析得出该机构具有三转
一平4个自由度,当平动自由度固定时可用于模拟人体髋关节的三维运动。基于四元数法建立
了机构位姿运动方程。以四元数描述机构运动特性,避免了欧拉角描述刚体位姿存在的奇异
问题。将髋关节运动曲线作为机构输出运动,基于逆运动学模型仿真出各驱动支链位移变化
曲线为平滑曲线,说明该机构在模拟髋关节运动时其驱动支链易于控制。
关键词:四元数;自由度;并联平台;运动学
中图分类号:TH11 2 文献标识码:B 文章编号2)02(上)一0003—02 ;1 34(201 009—01
Doi:.1 009-01 (I-).02
0 引言 3SPS+1PS并联仿生平台由3个SPS型和 1个
并联机构具有多自由度、结构简单、大承载 PS型直线驱动杆件、动平台m及定平台B构成。
力及易于控制等优点,被广泛应用。本文提出的图 l(a)所示为其拓扑结构图,m、B上三个球铰点
3SPS+1PS并联仿生平台可作为人工髋关节运动 ai(i=l,2,3)和Ai(i=l,2,3)构成正三角形,建立坐标系
● O O 0 O
模拟试验机。运动学分析是机构分析基础,主要 O—XYZ及O—xyz。SPS型杆用球副连接m、B,PS型
0 O 0 0
有解析法、数值法、神经网络法、传感器测量法上端由球副连接于点O,下端垂直固定于点O。为
等。路懿uJ用解析法解出一种四自由度并联机构运了该机构自由度及运动学分析,构造了图 1(b)所示●『_
动学;赵口提出自然坐标法;程用螺 H 旋理论对并模拟机构。
联机构进行运动学分析。图 1(b)所示参考坐标系O-XYZ, 由于该机
本文首先利用螺旋理论分析 3SPS+IPS并联仿构支链空间对称分布,文献【5】已证实 SPS型杆
生试验平台的自由度;其次基于四元数描述了该机(i_1,2,3)对m不 Aia 提供约束。故仅考虑 PS型杆建
构位姿,并对各驱动支链运动学性能进行了数值仿立旋量系:
真分析,为该机构的应用提供一定理论基础。阪-矗 l:一Uo 】r J 0 ‘W
1 机构自由度分析
其中 UD,',D, 分别为 X,Y,Z轴单位向量,
r4--[O 0 r4--[O Z。】为PS杆矢量。
由反旋量理论$ 0 =0,得的约束$ 螺旋系为
= r1, [ ],其中。=[Uo;r4×Uo], =[1,。;r4×Vo】。
SPS和Ps型杆作用于= 的合约束为$C= 。根
据反旋量理论得 m运动螺旋系为
1 1 0 0: 0 Z 0
o
( )拓扑结构( 图(b)模拟机构图$ : 0 1 0; 一Z。 0 0
0 0 1: 0 0 0