本文由Yang Qi和Zhiyong Meng共同撰写，发表于2024年的《Advances in Mechanical Engineering》期刊第16卷第12期。该研究主要聚焦于双层层叠并联机构的拓扑综合（topology synthesis）问题，旨在为大型工件的精确操控提供理论支持。研究基于有限和瞬时螺旋理论（Finite and Instantaneous Screw Theory, FIS理论），提出了一种新型的双层层叠并联机构设计方法，能够通过单一驱动系统精确控制末端平台的运动，显著提高了大型工件加工的稳定性和精度。

研究背景与动机

在制造业中，大型复杂工件的加工需求日益增长，尤其是航空航天、船舶制造等领域。传统的加工设备往往无法满足这些大型工件的加工需求，主要原因在于其加工行程有限，且开发大型专用设备的成本高昂，使用频率低，导致资源浪费和生产成本增加。因此，如何设计一种高效、灵活且成本较低的加工设备成为了当前研究的重点。

现有的串联机械臂虽然灵活，但在承受重载或交变载荷时表现不佳，而传统的并联机构则存在工作空间小、灵活性低的问题。为了解决这些问题，研究者们提出了双层层叠并联机构的概念，通过将两个或多个并联机构叠加，扩展其工作空间。然而，现有的双层层叠并联机构通常需要两套驱动系统，这不仅增加了机构的重量，还降低了其动态性能。因此，本文提出了一种仅需一套驱动系统的双层层叠并联机构设计方法，旨在解决现有技术的不足。

研究方法与流程

本文的研究流程主要包括以下几个步骤：

1. 目标运动分析：首先，研究分析了大型工件加工中的基本任务，如拉伸、去旋转、扭转和抓取等，得出了这些任务所需的最简数学表达式。基于FIS理论，研究将这些任务的运动模式统一表示为有限和瞬时螺旋的形式。

2. 双层层叠原理：研究提出了双层层叠并联机构的叠加原理，并基于加工任务的需求，提出了预期的运动模式和分配方法。通过分析标准链（standard chains），研究得出了满足预期运动模式的派生链（derived chains），并通过关节等效变换（joint equivalent transformations）进一步优化了这些链的结构。

3. 拓扑综合：在拓扑综合阶段，研究通过关节位置变换和类型替换，生成了多种派生链，并基于装配条件（assembly conditions）得出了满足加工需求的各种可用配置结构。研究还提出了一种基于FIS理论的拓扑综合方法，能够精确合成复杂的运动模式，如旋转、平移及其组合。

4. 双层层叠并联机构的拓扑结构：研究最终合成了一种双层层叠并联机构的拓扑结构，该结构能够通过单一驱动系统精确控制末端平台的运动，显著提高了大型工件加工的稳定性和精度。

主要结果

研究的主要结果包括： 1. 参数化描述：研究提供了拉伸、扭转、旋转和抓取等连续运动的参数化描述，并通过交集操作形成了加工任务的最简数学表达式。 2. 双层层叠原理：研究提出了双层层叠并联机构的拓扑原理，并确定了双层层叠结构的关节排列方式。 3. 运动叠加原理：研究提出了双层层叠并联机构的运动叠加原理，为该类机构的拓扑综合提供了数学基础。 4. 派生链生成：研究基于预期运动模式对标准链进行了参数化，并通过关节等效变换生成了多种派生链，最终合成了满足加工需求的新配置结构。

研究意义与价值

本文的研究为双层层叠并联机构的拓扑综合提供了坚实的理论基础，具有重要的科学价值和应用价值。首先，研究提出的FIS理论能够更精确地控制机构的运动特性，尤其是在处理复杂运动模式时表现出色。其次，研究提出的双层层叠并联机构设计方法能够显著提高大型工件加工的稳定性和精度，具有广泛的应用前景，尤其是在航空航天、船舶制造等需要高精度加工的领域。

研究亮点

1. 创新性设计：本文提出了一种仅需一套驱动系统的双层层叠并联机构设计方法，解决了现有技术中需要多套驱动系统的问题。
2. 理论创新：研究基于FIS理论提出了一种新的拓扑综合方法，能够精确合成复杂的运动模式，为并联机构的设计提供了新的思路。
3. 应用前景：研究提出的双层层叠并联机构设计方法具有广泛的应用前景，尤其是在大型工件加工领域，能够显著提高加工效率和精度。

未来研究方向

本文的研究主要集中在理论层面，未来的研究将在此基础上进一步开展实际应用和数值验证，以支持所提出的方法。此外，研究还可以进一步探索双层层叠并联机构在其他领域的应用，如医疗机器人、空间机器人等。

结论

本文通过FIS理论提出了一种新型的双层层叠并联机构拓扑综合方法，为大型工件加工提供了高效、灵活且成本较低的解决方案。研究不仅为并联机构的设计提供了新的理论支持，还为未来的实际应用奠定了坚实的基础。