本文由Yunzhan Niu、Jingwei Song、Fujuan Li和Shihua Li共同撰写，发表于2025年的《Journal of Mechanical Science and Technology》第39卷第1期。研究团队来自中国燕山大学机械工程学院及河北省并联机器人与机电系统实验室。该研究提出了一种考虑速度/力各向异性的三平移并联机构（3T PMs）的类型综合方法，旨在解决实际应用中机构性能与需求不匹配的问题。

研究背景

三平移并联机构（3T PMs）因其高刚度、高精度和快速运动等优点，广泛应用于工业制造、医疗和建筑等领域。然而，现有的并联机构设计大多追求各向同性性能，忽略了实际应用中不同方向上的性能需求差异。例如，在隐形眼镜包装、芯片分拣等应用中，机器人需要在垂直于传送带的方向上高速运动，而在平行于传送带的方向上低速运动。这种性能需求的不匹配会导致能耗增加、成本上升和空间占用增大。因此，本研究提出了一种考虑速度/力各向异性的3T PMs类型综合方法，旨在实现机构性能与实际需求的高度匹配。

研究方法

研究首先分析了影响速度/力各向异性的关键因素，提出了满足各向异性需求的机构条件。基于这些条件，研究团队提出了一种支链综合方法，并制定了支链选择的原则。具体步骤如下：

1. 速度/力各向异性条件分析：通过逆雅可比矩阵（inverse Jacobian matrix）分析3T PMs的速度/力各向异性条件，推导出速度/力传输指数的表达式。
2. 支链综合方法：根据速度/力各向异性的需求，提出了支链的空间几何关系，并基于螺旋理论推导了支链的运动学关节条件。
3. 支链选择原则：根据速度/力传输能力的需求，制定了支链选择的原则，确保机构在不同方向上的性能与实际需求匹配。
4. 机构配置综合：基于实际应用需求，确定了3T PMs的性能差异方向，并通过支链综合方法设计了六种新型的3T PMs。

主要结果

研究通过分析2URU/PPAPA并联机构在不同方向上的速度传输指数和实验结果，验证了所提出的配置综合方法的有效性。实验结果表明，该机构的速度各向异性特性与实际应用需求一致，验证了所提出方法的正确性。具体结果如下：

1. 速度各向异性分析：2URU/PPAPA机构在x轴方向的速度传输指数为1，而在y轴和z轴方向的速度传输指数分别为1.43-3.38和1.43-4.12，表明机构在yoz平面内的运动速度显著高于x轴方向。
2. 实验验证：通过物理样机的实验验证，2URU/PPAPA机构在x轴方向表现出解耦特性，而在yoz平面内表现出弱耦合特性。实验数据与理论分析结果一致，验证了机构的速度各向异性特性。

结论

本研究提出了一种考虑速度/力各向异性的3T PMs类型综合方法，能够根据实际需求设计具有特定性能的并联机构。该方法不仅明确了支链结构与机构速度/力传输能力之间的关系，还提供了支链选择的原则，有效缩短了机构的设计周期。基于该方法设计的2URU/PPAPA机构在隐形眼镜包装应用中表现出良好的速度各向异性特性，且具有弱耦合特性、简单的运动学模型和较小的空间占用，适用于狭小空间的应用。

研究亮点

1. 创新性方法：提出了考虑速度/力各向异性的3T PMs类型综合方法，填补了现有类型综合方法无法满足特定性能需求的空白。
2. 支链综合方法：通过将传输力螺旋（TWS）与被动关节螺旋的关系转化为被动关节的条件，提出了支链综合方法，避免了瞬时验证的需求。
3. 实际应用验证：基于所提出的方法设计了新型3T PMs，并通过实验验证了其速度各向异性特性与实际需求的一致性。

研究价值

本研究为设计具有特定性能需求的并联机构提供了新的思路和方法，具有重要的科学价值和应用价值。该方法不仅适用于隐形眼镜包装等特定应用，还可推广至其他需要各向异性性能的机械设计领域，为未来的高效机械设计铺平了道路。