本文介绍了一项关于3自由度（3-DOF）球面混合机构（Spherical Hybrid Mechanism, SHM）的原创研究，该研究由Shuyang Shi, Kai Li, Zheng Ma, Huiqiang Wang, Xuesong Qiu, 和 Yulin Zhou等作者共同完成，发表于2024年的Advances in Mechanical Engineering期刊。该研究旨在通过耦合串联传动链与球面并联机构（Spherical Parallel Mechanism, SPM）的中心被动链，提出一种具有固定旋转中心的球面混合机构的类型综合方法，以提高机构的承载能力和运动平台的旋转范围。

研究背景与动机

球面机构广泛应用于空间指向机构、仿生关节和医疗康复等领域。传统的球面并联机构（SPM）虽然具有高精度、高刚度和高动态性能，但其运动平台在法线方向上的旋转范围受到限制，无法实现无限制的旋转。为了克服这一限制，研究者提出了球面混合机构（SHM）的概念，通过结合串联和并联机构的优点，扩展了球面机构的应用范围。

研究方法与流程

研究的主要方法基于螺旋理论（Screw Theory），通过分析球面机构的约束系统，系统地综合出四种类型的肢体链（Limb Chains），并提出了筛选优选肢体链的规则。具体流程如下：

1. 螺旋理论基础的约束综合方法：通过螺旋理论分析每种肢体链提供的约束系统，并进行类型综合。
2. 肢体链的合成与优选：根据约束任务，分析每种肢体链的可能约束系统，并通过线性组合得到不同的肢体链配置。研究提出了优选肢体链的筛选规则，确保肢体链的简单性和合理性。
3. 球面混合机构的类型综合：根据旋转中心的位置和约束类型，选择并排列组合优选肢体链，生成一系列具有固定旋转中心且能够在法线方向上无限制旋转的球面混合机构。

主要结果

研究通过螺旋理论综合出了多种肢体链配置，并通过筛选规则得到了优选肢体链。基于这些肢体链，研究者生成了多种球面混合机构，并通过实例验证了其有效性。具体结果包括： - RBR-2RRR SHM：该机构具有较大的工作空间、良好的运动灵活性和刚度，适用于矢量推进装置或仿生关节。 - 工作空间与奇异性分析：通过仿真验证了机构的工作空间和奇异性，结果表明该机构能够在法线方向上实现无限制旋转，且具有较高的刚度。 - 运动灵活性分析：通过雅可比矩阵的条件数分析了机构的运动灵活性，结果表明该机构在可达工作空间内具有良好的运动性能。 - 刚度对比：通过ANSYS静态分析模块对比了RBR-2RRR机构与3-RRR机构的刚度，结果表明RBR-2RRR机构在相同载荷下的变形更小，具有更高的刚度。

结论与意义

该研究提出了一种基于螺旋理论的球面混合机构类型综合方法，通过耦合串联传动链与球面并联机构的中心被动链，显著提高了机构的承载能力和运动平台在法线方向上的旋转范围。研究丰富了球面混合机构的配置类型，为其在工程领域的设计和应用提供了理论支持。

研究亮点

1. 创新性：提出了基于螺旋理论的球面混合机构类型综合方法，扩展了球面机构的配置类型。
2. 应用价值：生成的球面混合机构具有高承载能力和无限制旋转能力，适用于多种工程应用场景。
3. 系统性：通过螺旋理论系统地分析了肢体链的约束系统，并通过筛选规则得到了优选肢体链，确保了机构的简单性和合理性。

其他有价值的内容

研究还通过仿真验证了机构的运动学逆解、工作空间、奇异性和刚度，进一步验证了所提出方法的有效性和机构的可行性。此外，研究还对比了不同配置的球面混合机构，为用户提供了根据应用场景选择合适配置的参考。

该研究为球面混合机构的设计和应用提供了重要的理论支持，具有较高的科学价值和工程应用潜力。