本文由Yimin Song、Wei Xian、Xinming Huo和Yang Qi共同撰写，分别来自天津大学教育部机构理论与装备设计重点实验室、天津仁爱学院机械工程系以及天津职业技术师范大学机械工程学院。该研究论文于2023年4月14日在线发表在《Mechanism and Machine Theory》期刊上，题为《Type Synthesis of Parallel Mechanism with 3T/3R Motion Patterns》。

研究背景与目的

在并联机构（Parallel Mechanism, PM）领域，具有可变运动模式的并联机构（Parallel Mechanisms with Multi-Motion Patterns, PMMPs）近年来引起了广泛关注。与传统的6自由度（6-DOF）并联机构相比，PMMPs能够在不同的运动模式之间切换，例如从3个平移自由度（3T）切换到3个旋转自由度（3R），反之亦然。这种机构在空间操作、抓取、装配等领域具有广泛的应用前景。然而，现有的研究大多集中在单一运动模式的机构设计上，缺乏对多运动模式机构的系统性研究。因此，本文旨在提出一种基于有限和瞬时螺旋（Finite and Instantaneous Screws, FIS）理论的统一类型综合方法，以解决多运动模式并联机构的设计问题。

研究方法与流程

本文的研究方法基于有限和瞬时螺旋理论，通过代数变换操作分析运动模式之间的关系，并提出了一种统一的类型综合流程。具体步骤如下：

1. 运动模式切换设计：本文讨论了两种切换方式，即有限运动驱动和瞬时奇异运动驱动。有限运动驱动通过关节和链的变换实现运动模式的切换，而瞬时奇异运动驱动则依赖于特定的几何条件，通过奇异点实现运动模式的转换。

2. 集成运动描述：通过有限螺旋和瞬时螺旋的微分映射操作，本文提出了一个集成的运动描述框架，能够统一描述不同运动模式之间的转换过程。通过定义转换项，运动模式之间的关系得以代数化表达。

3. 支链生成：基于集成运动描述，本文生成了支持多运动模式的支链。对于瞬时奇异运动驱动的切换方式，支链的运动通过奇异点的瞬时运动描述；对于有限运动驱动的切换方式，支链的运动通过释放或锁定关节来实现。

4. 装配条件求解：在生成支链后，本文通过求解装配条件，确保并联机构的运动平台能够实现预期的运动模式。装配条件的求解基于有限螺旋的交集操作，确保各支链的运动能够共同支持多运动模式。

主要结果

通过上述方法，本文成功生成了多种具有3T/3R运动模式的并联机构，并展示了其在空间机器人中的应用。具体结果包括： - 提出了基于有限和瞬时螺旋的统一类型综合方法，能够同时处理有限运动驱动和瞬时奇异运动驱动的切换方式。 - 通过代数变换操作，将多运动模式集成到一个统一的表达式中，简化了支链生成的过程。 - 生成了多种具有3T/3R运动模式的并联机构，并通过3D打印技术制作了典型机构的原型，验证了其在实际应用中的可行性。

结论与意义

本文的主要贡献在于提出了一种基于有限和瞬时螺旋理论的统一类型综合方法，能够有效地设计具有多运动模式的并联机构。该方法不仅简化了设计流程，还为多运动模式机构的实际应用提供了理论支持。特别是在空间机器人领域，具有3T/3R运动模式的并联机构能够显著提高操作的灵活性和效率。

研究亮点

• 创新性方法：本文首次将有限和瞬时螺旋理论应用于多运动模式并联机构的类型综合，提出了一种统一的代数化设计方法。
• 广泛的应用前景：所设计的机构在空间操作、抓取、装配等领域具有广泛的应用潜力，特别是在需要频繁切换运动模式的任务中。
• 实验验证：通过3D打印技术制作了典型机构的原型，验证了其在实际应用中的可行性和有效性。

其他有价值的内容

本文还详细讨论了不同类型并联机构的装配条件和驱动方式，为后续研究提供了重要的参考。此外，本文提出的方法不仅适用于3T/3R运动模式的机构，还可以扩展到其他多运动模式机构的设计中。

本文通过深入分析运动模式之间的关系，提出了一种创新的类型综合方法，为多运动模式并联机构的设计和应用提供了重要的理论支持和实践指导。