新型两支链单平台四自由度高速并联机器人动力学建模与动力尺度综合

doi:10.3901/JME.260452

机械工程学报 ›› 2026, Vol. 62 ›› Issue (15): 366-381.doi: 10.3901/JME.260452

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新型两支链单平台四自由度高速并联机器人动力学建模与动力尺度综合

马跃^1,2, 彭盾^1,2, 孙伟华^1,2, 李彬^1,2, 刘祺^1,2, 陈龙^1,2, 彭虹贵^1,2, 杨玉维^1,2

1. 天津理工大学天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室天津 300384;
2. 机电工程国家级实验教学示范中心(天津理工大学) 天津 300384

收稿日期:2025-08-29 修回日期:2025-12-05 发布日期:2026-10-13
作者简介:马跃，男，1989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与装备数字化设计。E-mail：mayue002@126.com;彭盾，男，2000年出生，硕士研究生。主要研究方向为机器人机构学。E-mail：1526091612@qq.com;孙伟华，男，1999年出生，硕士。主要研究方向为机器人机构优化设计。E-mail：sunweihua1121@163.com;李彬，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。E-mail：cnrobot@tjut.edu.cn;刘祺(通信作者)，男，1990年出生，博士，副教授，硕士研究生导师。主要研究方向为机器人机构学与控制。E-mail：rufei67@163.com;陈龙，男，1999年出生，硕士研究生。主要研究方向为机械系统动力学。E-mail：1804472509@qq.com;彭虹贵，男，2000年出生，硕士研究生。主要研究方向为机器人机构学与轨迹规划。E-mail：17802056173@139.com;杨玉维，男，1975年出生，博士，副教授，硕士研究生导师。主要研究方向为机器人技术、外骨骼、多体动力学等。E-mail：buddhawei@126.com
基金资助:
国家自然科学基金(52575033, 52575032, 52375026)和京津冀基础研究合作专项(24JCZXJC00270)资助项目。

Dynamic Modeling and Dimensional Synthesis of a 4-DOF High-speed Parallel Robot with Two Limbs and a Single Moving Platform

MA Yue^1,2, PENG Dun^1,2, SUN Weihua^1,2, LI Bin^1,2, LIU Qi^1,2, CHEN Long^1,2, PENG Honggui^1,2, YANG Yuwei^1,2

1. Tianjin Key Laboratory for Advanced Mechatronic System Design and Intelligent Control, Tianjin University of Technology, Tianjin 300384;
2. National Demonstration Center for Experimental Mechanical and Electrical Engineering Education (Tianjin University of Technology), Tianjin 300384

Received:2025-08-29 Revised:2025-12-05 Published:2026-10-13

摘要/Abstract

摘要： 针对电子等轻工行业的分拣、抓取作业，提出一种两支链单动平台四自由度高速并联机器人机构，并对其开展动力学建模与动力尺度综合方法研究。相较于其他四自由度高速并联机器人，其仅需两条支链便可实现空间3T1R(3平动1转动)运动，具有兼顾大工作空间/机构体积比、高运动/力传递效能、优异的加减速能力等多种性能设计潜力。在运动学与刚体动力学建模及分析方面，分别基于闭环矢量方程与虚功原理建立了机器人的运动学与刚体动力学模型，定义了三种无量纲的动力学性能评价指标以及压力角与工作空间/机构体积比两种运动学指标。在此基础上，通过响应面建模与贡献度分析，确定出各设计参数对性能的影响程度，并据此提出一种以惯性矩阵对角占优和加减速能力最大为目标，以尺度与运动学性能为约束，以单轴惯性项驱动力矩全域最大值最小为目标匹配条件的多目标尺度参数决策方法，得到一组兼顾运动学与动力学性能的最优尺度参数，为工程样机的研制奠定重要基础。

关键词: 高速并联机器人, 运动学与动力学建模, 性能评价, 尺度综合

Abstract: Aiming at the sorting and grasping operations of light industry such as electronics, a 4-DOF high-speed parallel robot with two limbs and a single moving platform is proposed, and its dynamic modeling and design method is studied. Compared with other 4-DOF high-speed parallel robots, it only requires two limbs to achieve spatial 3T1R (three translations and one rotation) movement capabilities, and has the potential to be designed by balancing multiple performance indices, such as large workspace/mechanism volume ratio, high motion/force transmission efficiency, and excellent acceleration ability, etc. The kinematic and dynamic models are established based on the closed-loop vector equation and the principle of virtual work, respectively, leading to the definition of three dimensionless dynamic performance indices and two kinematic performance indices (pressure angle and workspace/mechanism volume ratio). On this basis, the influence of design parameters on the performance indices is determined by response surface modeling and contribution analysis. This is followed by a multi-objective dimensional optimization method by maximizing the diagonal dominance of the inertia matrix and acceleration capability subject to the geometrical and kinematic performance constraints. Decision of the optimized parameters are finally made by minimizing the maximum value of inertia term torque of the single motor shaft over the entire workspace. In this way, the kinematic and dynamic performance indices are balanced, laying a foundation for the development of engineering prototypes.

Key words: high speed parallel robot, kinematic and dynamic modeling, performance evaluation, dimensional synthesis

中图分类号:

TP242

马跃, 彭盾, 孙伟华, 李彬, 刘祺, 陈龙, 彭虹贵, 杨玉维. 新型两支链单平台四自由度高速并联机器人动力学建模与动力尺度综合[J]. 机械工程学报, 2026, 62(15): 366-381.

MA Yue, PENG Dun, SUN Weihua, LI Bin, LIU Qi, CHEN Long, PENG Honggui, YANG Yuwei. Dynamic Modeling and Dimensional Synthesis of a 4-DOF High-speed Parallel Robot with Two Limbs and a Single Moving Platform[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2026, 62(15): 366-381.

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参考文献

[1] 周济. 智能制造——“中国制造2025”的主攻方向[J]. 中国机械工程，2015，26(17)：2273-2284. ZHOU Ji. Intelligent manufacturing-the main direction of “Made in China 2025”[J]. China Mechanical Engineering，2015，26(17)：2273-2284.
[2] 董凯. “十四五”智能制造发展规划解读及趋势研判[J]. 中国工业和信息化，2022(1)：24-29. DONG Kai. “Fourteen Five” intelligent manufacturing development planning interpretation and trend judgment[J]. China Industry & Information Technology，2022(1)：24-29.
[3] 刘辛军，谢福贵，汪劲松. 当前中国机构学面临的机遇[J]. 机械工程学报，2015，50(13)：2-12. LIU Xinjun，XIE Fugui，WANG Jinsong. Current opportunities in the field of mechanisms in China[J]. Journal of Mechanical Engineering，2015，50(13)：2-12.
[4] 孟齐志，谢福贵，张赛，等. 高速高加速并联机器人构型与尺度参数设计[J]. 机械工程学报，2022，58(13)：36-49. MENG Qizhi，XIE Fugui，ZHANG Sai，et al. Type synthesis and dimensional optimization of a high-speed and high-acceleration parallel robot[J]. Journal of Mechanical Engineering，2022，58(13)：36-49.
[5] CLAVEL R. Device for the movement and positioning of an element in space：USA，US4976582[P]. 1990-12-11.
[6] 李玉航，梅江平，刘松涛，等. 一种新型4 自由度高速并联机械手动力尺度综合[J]. 机械工程学报，2015，50(19)：32-40. LI Yuhang，MEI Jiangping，LIU Songtao，et al. Dynamic dimensional synthesis of a 4-DOF high-speed parallel manipulator[J]. Journal of Mechanical Engineering，2015，50(19)：32-40.
[7] COMPANY O，MARQUET F，PIERROT F. A new high-speed 4-DOF parallel robot synthesis and modeling issues[J]. IEEE Transactions on Robotics and Automation，2003，19(3)：411-420.
[8] NABAT V，MIJANGOS M，COMPANY O，et al. Par4：Very high speed parallel robot for pick-and-place[C]// Proceedings of IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems，Center Edmont，Alberta，Canada，2005：553-558.
[9] KRUT S，COMPANY O，NABAT V，et al. Heli4：A parallel robot for scara motions with a very compact traveling plate and a symmetrical design[C]// Proceedings of IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems，Beijing，China，2006：1656-1661.
[10] LI Yuhang，MA Yue，LIU Songtao，et al. Integrated design of a 4-DOF high-speed pick-and-place parallel robot[J]. CIRP Annals-Manufacturing Technology，2014，63(1)：185-188.
[11] 吴存存，杨桂林，陈庆盈，等. 四自由度2PPPaR并联机构运动学及性能分析[J]. 机械工程学报，2018，54(3)：36-45. WU Cuncun，YANG Guilin，CHEN Qingying，et al. Kinematic and performance analysis of a 4-DOF 2PPPaR parallel manipulator[J]. Journal of Mechanical Engineering，2018，54(3)：36-45.
[12] ESKANDARY P K，ANGELES J. The dynamics of a parallel Schönflies-motion generator[J]. Mechanism and Machine Theory，2018，119：119-129.
[13] ZHANG Shuai，LI Wei，ZHOU Songlin，et al. Kinematics and workspace analysis of a 3-CR(Pa)(Pa)R parallel mechanism with an orthogonal layout[J]. Mechanism and Machine Theory，2024，195：105616.
[14] JOSHI S A，TSAI L W. Jacobian analysis of limited-DOF parallel manipulators[J]. ASME Journal of Mechanical Design 2002，124(2)：254-258.
[15] HOEVENAARS A G L，GOSSELIN C，LAMBERT P，et al. A systematic approach for the Jacobian analysis of parallel manipulators with two end-effectors[J]. Mechanism and Machine Theory，2017，109：171-194.
[16] LIU Haitao，HUANG Tian，KECSKEMETHY A，et al. A generalized approach for computing the transmission index of parallel mechanisms.[J]. Mechanism and Machine Theory，2014，74：245-256.
[17] SHEN Xudong，XU Lingmin，LI Qinchuan. Motion/Force constraint indices of redundantly actuated parallel manipulators with over constraints[J]. Mechanism and Machine Theory，2021，165104427.
[18] DASGUPTA B，MRUTHYUNJAYA T S. A Newton-Euler formulation for the inverse dynamics of the Stewart platform manipulator[J]. Mechanism and Machine Theory，1998，33(8)：1135-1152.
[19] ABDELLATIF H，HEIMANN B. Computational efficient inverse dynamics of 6-DOF fully parallel manipulators by using the Lagrangian formalism[J]. Mechanism and Machine Theory，2009，44(1)：192-207.
[20] 梁栋，庞书康，宋轶民，等. 一类新型末端铰接高速并联机器人建模与动力尺度综合[J]. 机械工程学报，2024，60(21)：38-55. LIANG Dong，PANG Shukang，SONG Yimin，et al. Modeling and dynamic dimension synthesis for a novel class of high-speed parallel robot with articulated end structure[J]. Journal of Mechanical Engineering，2024，60(21)：38-55.
[21] 商德勇，黄欣怡，黄云山，等. 基于Kane方程的Delta并联机器人刚柔耦合动力学研究[J]. 机械工程学报，2024，60(07)：124-133. SHANG Deyong，HUANG Xinyi，HUANG Yunshan，et al. Research on rigid-flexible coupling dynamics of Delta parallel robot based on Kane equation[J]. Journal of Mechanical Engineering，2024，60(7)：124-133.
[22] ASADA H. Dynamic analysis and design of robot manipulators using inertia ellipsoids[C]// Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation，Atlanta，Georgia，1984，1：94-102.
[23] WU Jun，GAO Ying，ZHANG Binbin，et al. Workspace and dynamic performance evaluation of the parallel manipulators in a spray-painting equipment[J]. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing，2017，44：199-207.
[26] 赵庆，王攀峰，黄田. 考虑链间耦合的高速并联机器人惯性参数预估方法[J]. 天津大学学报，2017，50(8)：868-876. ZHAO Qing，WANG Panfeng，HUANG Tian. An inertial parameter estimation method for high-speed parallel robots by considering inter-chain coupling[J]. Journal of Tianjin University，2017，50(8)：868-876.
[25] LIU Xinjun，HAN Gang，XIE Fugui，et al. A novel acceleration capacity index based on motion/force transmissibility for high-speed parallel robots[J]. Mechanism and Machine Theory，2018，126：155-170.
[26] LIU Songtao，HUANG Tian，MEI Jiangping，et al. Optimal design of a 4-DOF SCARA type parallel robot using dynamic performance indices and angular constraints[J]. ASME Journal of Mechanisms and Robotics，2012，4：031005.
[27] 张惠普，汪满新. 高速并联机器人动力尺度综合[J]. 机械工程学报，2022，58(1)：29-40. ZHANG Huipu，WANG Manxin. Dynamic dimension synthesis of 4-RR (SS)² high speed parallel robot[J]. Journal of Mechanical Engineering，2022，58(1)：29-40.
[28] DONG Chenglin，LIU Haitao，XIAO Juliang，et al. Dynamic modeling and design of a 5-DOF hybrid robot for machining[J]. Mechanism and Machine Theory，2021，165：104438.
[29] ZHAO Yanqin，MEI Jiangping，JIN Yan，et al. A new hierarchical approach for the optimal design of a 5-dof hybrid serial-parallel kinematic machine[J]. Mechanism and Machine Theory，2021，156：104160.
[30] BRIOT S，CARO S，GERMAIN C. Design procedure for a fast and accurate parallel manipulator[J]. ASME Journal of Mechanisms and Robotics，2017，9：061012.
[31] MA Jintao，LIAN Binbin，WANG Meng，et al. Optimal design of a parallel assembling robot with large payload-to-mass ratio[J]. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing，2023，46：102474.

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[1]	祝高永, 鹿业波, 张玲玲, 叶伟, 杨超. 3PRRR并联机构性能评估与尺度综合[J]. 机械工程学报, 2026, 62(9): 88-103.
[2]	时贝超, 王福军, 肖聚亮, 刘海涛, 田延岭, 梁存满. 关节型宏微结合机器人装配位姿优选方法[J]. 机械工程学报, 2026, 62(13): 110-119.
[3]	张宇轩, 汪满新, 王明昊, 方明峰, 冯虎田. 3-RRS并联机构动力学建模与性能分析[J]. 机械工程学报, 2025, 61(7): 315-324.
[4]	汪满新, 李正亮, 王明昊. R(RPS&RP)&2-UPS并联机构运动学建模与性能评价[J]. 机械工程学报, 2024, 60(24): 330-339.
[5]	梁栋, 庞书康, 宋轶民, 畅博彦, 金国光, 孙涛. 一类新型末端铰接高速并联机器人建模与动力尺度综合[J]. 机械工程学报, 2024, 60(21): 38-55.
[6]	李立建, 杨朋霖, 姚建涛, 李冰, 王迎佳. 柔性并联多维力传感器协同优化设计[J]. 机械工程学报, 2024, 60(19): 20-31.
[7]	王明昊, 汪满新. 一种新型五自由度混联机器人动力学建模与性能评价[J]. 机械工程学报, 2023, 59(9): 63-75.
[8]	李照童, 杨玉维, 李彬, 赵磊, 刘凉, 马跃, 刘祺. 一种新型仿生变胞膝关节外骨骼机器人及其多体运动尺度综合方法研究[J]. 机械工程学报, 2023, 59(5): 142-155.
[9]	燕润博, 孙立清, 杨瑞鑫, 熊瑞. 锂离子电池外部短路电压行为预测模型评价[J]. 机械工程学报, 2023, 59(2): 199-211.
[10]	李海虹, 董晋安, 郭山国, 刘志奇. 动/静平台非一致型并联机构构型分析及设计方法[J]. 机械工程学报, 2023, 59(17): 116-125.
[11]	杨俊儒, 褚端峰, 陆丽萍, 王金湘, 吴超仲, 殷国栋. 智能汽车人机共享控制研究综述[J]. 机械工程学报, 2022, 58(18): 31-55.
[12]	孟齐志, 谢福贵, 张赛, 刘辛军. 高速高加速并联机器人构型与尺度参数设计[J]. 机械工程学报, 2022, 58(13): 36-49.
[13]	张惠普, 汪满新. 4-RṞ(SS)₂高速并联机器人动力尺度综合[J]. 机械工程学报, 2022, 58(1): 29-40.
[14]	蒋仁言. 工程系统服役质量指数和性能评价指标体系:文献综述[J]. 机械工程学报, 2019, 55(18): 206-214.
[15]	张伟中, 徐灵敏, 童俊华, 李秦川. 2-PUR-PSR并联机构的运动学分析及尺度综合[J]. 机械工程学报, 2018, 54(7): 45-53.