[论文解读] Design of a Three-Axis Isotropic Parallel Manipulator for Machining Applications: The Orthoglide

Philippe Wenger, Damien Chablat|arXiv (Cornell University)|May 9, 2007

Robotic Mechanisms and DynamicsEngineering参考文献 10被引用 19

一句话总结

本文提出了一款三轴等 isotropic 并联操作机 Orthoglide，专为高精度加工设计，具有立方体笛卡尔工作空间、固定姿态以及均匀的静力学与运动学性能。通过正交线性执行器和平行四边形连杆机构实现等 isotropy，使工作空间内各点的运动速度与力传递性能保持一致，且无奇异性，其性能通过一个小型原型得到验证：工作空间为 200 mm×200 mm×200 mm，等 isotropy 点处速度达 1.2 m/s。

ABSTRACT

The orthoglide is a 3-DOF parallel mechanism designed at IRCCyN for machining applications. It features three fixed parallel linear joints which are mounted orthogonally and a mobile platform which moves in the Cartesian x-y-z space with fixed orientation. The orthoglide has been designed as function of a prescribed Cartesian workspace with prescribed kinetostatic performances. The interesting features of the orthoglide are a regular Cartesian workspace shape, uniform performances in all directions and good compactness. A small-scale prototype of the orthoglide under development is presented at the end of this paper.

研究动机与目标

• 设计一款具有等 isotropy 静力学与运动学性能的三自由度并联操作机，用于加工应用。
• 实现无奇异性且无自碰撞的规则立方体笛卡尔工作空间。
• 确保在整个工作空间内速度与力传递因子保持一致。
• 结合串联 PPP 机构的性能均匀性与并联运动学的动态优势。
• 开发一种紧凑、可扩展的原型，适用于高速、高精度加工。

提出的方法

• Orthoglide 采用三个正交的移动副（prismatic joints），由直线电机或旋转电机通过滚珠丝杠驱动。
• 每个运动链采用 PRPaR 结构：移动副（P）、回转副（R）和平行四边形（Pa）关节，以保持末端执行器姿态固定。
• 活动平台通过三个长度为 L 的相同平行四边形机构连接，确保在 x、y、z 方向上的纯平动。
• 通过两个优化准则进行设计：使用雅可比条件数以实现等 isotropy，使用可操作性椭球以优化关节极限与连杆长度。
• 工作空间大小通过求解关节极限约束条件确定，约束条件为允许的最大速度传递因子变化范围（1/2 ≤ ψi ≤ 2）。
• 原型采用旋转电机与滚珠丝杠制造，其运动学参数根据预定工作空间与性能要求推导得出。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计一款三轴并联操作机，使其具有规则的立方体笛卡尔工作空间与等 isotropy 性能？
• RQ2 如何在并联操作机中实现等 isotropy 与均匀的静力学与运动学性能，以适用于加工？
• RQ3 哪些设计参数（连杆长度、关节极限）可确保预定工作空间大小，同时保持可接受的传递因子？
• RQ4 与现有用于加工的并联运动学机构（PKMs）相比，Orthoglide 在紧凑性与性能方面表现如何？
• RQ5 能否构建一个小型原型，在指定的立方体工作空间内实现高速与高精度？

主要发现

• Orthoglide 实现了 200×200×200 mm³ 的立方体笛卡尔工作空间，具有高度规则性且无奇异性。
• 在中心附近，雅可比矩阵呈等 isotropy，确保工作空间内性能均匀。
• 速度传递因子在整个工作空间内保持在 1/2 ≤ ψi ≤ 2 范围内，表明动态性能一致。
• 为实现预定工作空间大小与性能，所需平行四边形长度为 L = 310 mm。
• 驱动关节的行程范围为 Δρ = 257 mm，其与工作空间尺寸的比值 r = 0.78，优于其他机构。
• 原型在等 isotropy 点处实现最大速度 1.2 m/s 与加速度 14 m/s²，负载为 4 kg。