本文由Shihua Li、Xueyuan Gao、Yanbo Wu、Jing Sun和Yanxia Shan共同撰写，发表于《Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering》2023年第45卷第322期。该研究提出了一种基于可锁定关节的多模式并联机构（Parallel Mechanism, PM）的构型综合方法，结合了螺旋理论（Screw Theory）和图形化方法（Graphical Approach），旨在解决现有多模式PM在运动模式切换过程中存在的复杂性和不稳定性问题。

研究背景

随着工业革命的不断推进，现代生产对多模式机械设备的需求日益增加。多模式并联机构作为一种可重构机构，能够在较少的驱动器和无需重新组装的情况下实现多种运动模式的控制和切换。然而，现有的多模式PM大多通过运动学分岔（Kinematic Bifurcation）来切换运动模式，这会导致机构在切换过程中经过奇异位置（Singular Position），从而引发不稳定性问题。为了解决这一问题，研究者们提出了基于可锁定关节的多模式PM，通过锁定关节来改变机构的约束条件，从而实现运动模式的切换。

研究方法

本文提出了一种新的多模式PM构型综合方法，主要基于螺旋理论和图形化方法。研究首先确定了构型综合的条件，并详细描述了构型综合的过程。具体步骤如下：

1. 确定自由度空间和约束空间：根据预期的运动模式，确定每个模式下的自由度空间（Freedom Space）及其正交补空间（Constraint Space）。
2. 计算基本约束空间和可锁定关节的约束空间：通过计算不同运动模式约束空间的交集和差集，得到基本约束空间和可锁定关节的约束空间。
3. 分配约束空间：根据分支数量，将基本约束空间和可锁定关节的约束空间分配到各个分支中，得到每个分支的约束螺旋系统（Constraint Screw System）和可锁定关节螺旋系统（Lockable Joints Screw System）。
4. 构型综合：根据可锁定关节螺旋系统在分支中布置可锁定关节，并根据约束螺旋系统综合其他运动副的构型。最后，验证分支的瞬时性（Instantaneity），并通过组合分支构建多模式PM。

研究结果

通过上述方法，研究者综合出了一类具有2T1R（两个平移和一个旋转）和2R1T（两个旋转和一个平移）运动模式的多模式PM。这些机构在运动模式切换时无需经过奇异位置，从而避免了不稳定性问题。具体来说，研究者通过图形化方法可视化了机构的自由度和约束条件，并结合螺旋理论验证了构型综合方法的正确性。

结论与意义

本文提出的基于可锁定关节的多模式PM构型综合方法具有以下优势： 1. 简化了构型综合过程：通过螺旋理论和图形化方法，研究者能够更直观地分析和综合多模式PM的构型，避免了传统方法的繁琐过程。 2. 避免了奇异位置问题：新综合的多模式PM在运动模式切换时无需经过奇异位置，从而避免了不稳定性问题，具有更高的可靠性。 3. 广泛的应用前景：这类多模式PM在康复医学、运动模拟平台、姿态调整平台等领域具有广泛的应用前景。例如，2T1R运动模式的PM可用于膝关节康复，而2R1T运动模式的PM可用于踝关节康复，通过一套设备实现多个关节的康复，大大降低了康复成本。

研究亮点

1. 新颖的构型综合方法：本文提出的基于螺旋理论和图形化方法的构型综合方法具有创新性，能够简化多模式PM的设计过程。
2. 避免奇异位置：新综合的多模式PM在运动模式切换时无需经过奇异位置，解决了现有PM在切换过程中存在的不稳定性问题。
3. 广泛的应用前景：该研究为康复医学、运动模拟平台等领域提供了新的解决方案，具有重要的应用价值。

总结

本文通过螺旋理论和图形化方法提出了一种新的多模式PM构型综合方法，综合出了一类具有2T1R和2R1T运动模式的多模式PM。这些机构在运动模式切换时无需经过奇异位置，具有较高的可靠性和广泛的应用前景。该研究为多模式PM的设计和应用提供了新的思路和方法。