恒雅可比并联式力觉交互操作器机构设计与误差分析

doi:10.3901/JME.2025.21.249

机械工程学报 ›› 2025, Vol. 61 ›› Issue (21): 249-258.doi: 10.3901/JME.2025.21.249

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恒雅可比并联式力觉交互操作器机构设计与误差分析

金兆鹏^1,2, 赵延治^1,2, 刘亚军^1,2, 孙悦^1,2, 赵鸿飞^1,2

1. 燕山大学河北省并联机器人与机电系统重点实验室秦皇岛 066004;
2. 先进锻压成形技术与科学教育部重点实验室(燕山大学) 秦皇岛 066004

收稿日期:2025-02-24 修回日期:2025-08-19 发布日期:2025-12-27
作者简介:金兆鹏，男，1995年出生，博士研究生。主要研究方向为自动控制与智能机器人。E-mail：1124599678@qq.com
赵延治(通信作者)，男，1981年出生，博士，教授，博士研究生导师。主要研究方向为机器人机构学理论与应用、特种机器人技术。E-mail：yzzhao@ysu.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金资助项目(52475032)。

Mechanism Design and Error Analysis of a Parallel-type Force-interactive Manipulator with Constant Jacobian

JIN Zhaopeng^1,2, ZHAO Yanzhi^1,2, LIU Yajun^1,2, SUN Yue^1,2, ZHAO Hongfei^1,2

1. Hebei Provincial Key Laboratory of Parallel Robot and Mechatronic System, Yanshan University, Qinhuangdao 066004;
2. Key Laboratory of Advanced Forging & Stamping Technology and Science (Yanshan University), Ministry of Education of China, Qinhuangdao 066004

Received:2025-02-24 Revised:2025-08-19 Published:2025-12-27

摘要/Abstract

摘要： 为提升力觉交互操作器临场感，提出将具有雅可比矩阵恒定特性的3-PRRR并联机构应用于操作器构型设计之中，基于螺旋理论确定机构的自由度，利用机构约束力螺旋计算雅可比矩阵，通过机构几何方程得到初始条件下移动平台位置，进而得到机构的运动学正解表达式。之后，对样机进行了研制并验证了机构的恒雅可比特性。在样机的误差测量实验中，建立了操作器的位置误差模型。此外，对电机推力的测量表明，超过一定阈值后推力与输入呈线性关系。角度误差分析显示，整体误差水平较为理想，均值在1°以内。通过实验验证了所提理论的正确性，并揭示了未来的优化方向。

关键词: 恒定雅可比矩阵, 力觉交互操作器, 样机研制, 误差分析

Abstract: To enhance the force feedback and presence in haptic interaction manipulators, this study proposes the application of a 3-PRRR parallel mechanism with a constant Jacobian matrix to the manipulator’s configuration design. Based on screw theory, the degrees of freedom of the mechanism are determined, and the Jacobian matrix is calculated using the constraint wrench of the mechanism. The initial position of the operating platform is obtained through the geometric equations of the mechanism, leading to the derivation of the forward kinematics expressions. Subsequently, a prototype is developed to verify the constant Jacobian characteristics of the mechanism. During the error measurement experiments on the prototype, a position error model of the manipulator is established. Furthermore, measurements of motor thrust indicate a linear relationship between thrust and input beyond a certain threshold. Analysis of angular errors reveals that the overall error level is satisfactory, with a mean value within 1°. The experiments validate the correctness of the proposed theory and highlight potential directions for future optimization.

Key words: constant Jacobian matrix, force-interactive manipulator, prototype development, error analysis

中图分类号:

TH112

金兆鹏, 赵延治, 刘亚军, 孙悦, 赵鸿飞. 恒雅可比并联式力觉交互操作器机构设计与误差分析[J]. 机械工程学报, 2025, 61(21): 249-258.

JIN Zhaopeng, ZHAO Yanzhi, LIU Yajun, SUN Yue, ZHAO Hongfei. Mechanism Design and Error Analysis of a Parallel-type Force-interactive Manipulator with Constant Jacobian[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2025, 61(21): 249-258.

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Mechanism Design and Error Analysis of a Parallel-type Force-interactive Manipulator with Constant Jacobian

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