本文介绍的研究由Tengfei Tang、Hanliang Fang、Haiwei Luo、Yaqing Song和Jun Zhang等人完成，分别来自福州大学机械工程与自动化学院和北京首都航天机械有限公司。该研究发表于2021年5月4日的《Robotics and Computer-Integrated Manufacturing》期刊，题为《Type synthesis, unified kinematic analysis and prototype validation of a family of Exechon inspired parallel mechanisms for 5-axis hybrid kinematic machine tools》。

研究背景

该研究的主要科学领域是机器人学和计算机集成制造，特别是关于并联机构（Parallel Mechanisms, PMs）的类型综合与运动学分析。并联机构在工业操作任务中广泛应用，尤其是在5轴高速加工和复杂几何组件的装配中。Exechon是一种商业上非常成功的1T2R（一平移两旋转）并联机构，因其高刚度、低成本和优异的运动学性能而备受关注。然而，现有的Exechon变体大多基于个人灵感或工程经验，缺乏系统的理论推导。因此，本研究旨在通过螺旋理论（Screw Theory）系统地综合出一系列具有工程潜力的Exechon启发式并联机构，并通过统一的运动学模型对其进行分析和验证。

研究流程

研究主要分为以下几个步骤：

1. 类型综合：基于螺旋理论，研究人员综合出了一系列具有1T2R自由度的Exechon启发式并联机构。这些机构继承了Exechon的三个关键特征：对称排列的三脚架结构、过约束拓扑结构和较少单自由度关节的使用。通过螺旋理论，研究人员推导出了24种具有过约束特性的1T2R并联机构。

2. 运动学分析：研究人员对综合出的并联机构进行了统一的运动学分析，包括逆运动学、奇异性分析和可达工作空间分析。通过统一的运动学模型，研究人员发现这些机构均无约束奇异性，但可能存在结构奇异性。此外，工作空间的分布与机构的拓扑排列密切相关。

3. 原型验证：研究人员选择了一种拓扑结构为2UPR-1RPS的并联机构作为优选配置，并制作了实验室原型进行实验验证。通过实验，研究人员验证了类型综合的可行性和运动学分析的正确性。

4. 全尺寸原型开发：研究人员将优选配置的并联机构与2自由度滑动龙门架集成，开发了一种新型的5轴混合运动学机床（Hybrid Kinematic Machine Tool, HKMT）。通过加工测试，研究人员验证了该机床在5轴加工任务中的工程潜力。

主要结果

1. 类型综合：通过螺旋理论，研究人员综合出了24种具有过约束特性的1T2R并联机构。其中，16种机构在相同几何水平下具有与Exechon相当的工作空间。

2. 运动学分析：统一的运动学分析表明，这些综合出的并联机构均无约束奇异性，但可能存在结构奇异性。工作空间的分布与机构的拓扑排列密切相关，特别是“S”关节的排列方式对工作空间形状有显著影响。

3. 原型验证：实验室原型的实验验证表明，优选配置的2UPR-1RPS并联机构能够实现1T2R运动，且运动学误差小于3.2%，验证了类型综合和运动学分析的正确性。

4. 全尺寸原型：通过将优选配置的并联机构与2自由度滑动龙门架集成，研究人员开发了一种新型的5轴混合运动学机床。加工测试表明，该机床能够完成复杂的5轴加工任务，加工精度和表面粗糙度均达到预期要求。

结论与意义

该研究的主要贡献在于： 1. 通过螺旋理论系统地综合出了一系列具有工程潜力的Exechon启发式并联机构，并对其进行了统一的运动学分析。 2. 优选配置的2UPR-1RPS并联机构通过实验验证了其可行性和运动学性能。 3. 开发了一种新型的5轴混合运动学机床，展示了这些并联机构在5轴高速加工中的工程潜力。

该研究不仅为并联机构的设计提供了新的理论依据，还为5轴机床的开发提供了新的解决方案，具有重要的科学价值和应用前景。

研究亮点

1. 创新性：通过螺旋理论系统地综合出了一系列具有过约束特性的1T2R并联机构，填补了现有研究的空白。
2. 统一运动学模型：提出了统一的运动学分析方法，能够同时处理多种拓扑结构的并联机构。
3. 工程应用：开发了新型的5轴混合运动学机床，展示了这些并联机构在复杂几何加工中的工程潜力。

未来工作

未来的研究将集中在这些并联机构的尺寸综合、结构优化以及静态和动态性能评估上，目标是设计出性能与Exechon相当的并联机构集成机床。