基于约束函数的变胞机构变胞方程

变胞机构拥有多个变换的稳态和变胞态,其拓扑构态描述与分析是变胞机构结构学的难点。采用数学分析方法,探索全面、简便而准确地描述和分析变胞机构构态拓扑结构的问题。根据运动副约束的特征,定义反映运动副类型、级别、自由度、方位、性质及其随时间变化情况等诸多特征信息的参数——运动副约束函数,采用矩阵法构建以约束函数为元素的机构变胞源运动链邻接矩阵。针对合并构件、分离构件、改变构件性质、新增运动副、消除运动副及改变运动副性质等六类机构变胞方式,分别定义相应的机构变胞函数和变胞矩阵,建立相邻稳态之间变胞态的机构变胞方程。应用实例表明,所定义的运动副约束函数、运动链邻接矩阵、变胞矩阵和变胞函数等概念能简便、广泛地描述变胞机构的构态特征,基于约束函数的机构变胞方程能准确地描述和分析机构相邻稳态之间变胞态的变换过程,为变胞机构的结构分析提供一种新的途径和方法,并为进一步的变胞机构运动学和动力学分析以及机构综合研究提供理论基础。     

变胞机构的构态变换矩阵与运动副方位变胞

针对邻接矩阵不能用于运动副方位变胞的问题,构建了一种描述变胞机构结构拓扑和构型演化的构态变换矩阵。该矩阵提供了运动链连接状况、运动副类型和运动副方位特征信息,使各类运动链都可应用该构态变换矩阵进行描述。给出了基于该构态变换矩阵的运动副方位变胞的基本原理和方法。首先构造平面运动链的构态变换矩阵,然后构造对应的带有消极自由度的平面运动链的构态变换矩阵,进而改变矩阵中某些运动副的轴线方位,构造出变胞后的运动链的构态变换矩阵,最后根据构态变换矩阵的拓扑信息,构造对应的机构结构简图,实现运动副方位变胞。实例表明,给出的构态变换矩阵结构简单,便于构造,信息量大;提出的变胞方法便捷可行。     

一种新的描述和分析变胞机构的拓展全息矩阵

论述了描述变胞机构构态变换的矩阵表达方法,提出一种能描述变胞机构构态所有结构信息的拓展全息矩阵。通过检索该矩阵,可获得机构中运动副数、构件数、多元构件、多元复绞、多元构件结构尺寸、构件间的连接关系等所有运动链结构信息,增加拓展列表达机构的原动件及机架等运动学参数。分析了3种典型构态变换公式(构件数目增加、减少及运动副类型改变),通过一个案例论证了该矩阵和构态变换公式的正确性。提出了一种新的表达机构所有结构和运动学信息的矩阵,基于此实现了变胞机构变胞和运动学分析的程序化设计。     

含变胞运动副结构的约束变胞机构构型综合

同一种变胞源机构由于变胞运动副约束形式或结构的不同,可获取多种约束变胞机构实现预定的作业任务。即根据工作构态变换对变胞运动副的约束力性态变化要求,给出一种反求相应变胞运动副约束形式和结构的约束变胞机构构型综合方法。根据基于任务的变胞源机构的运动循环图,建立一种对应的变胞运动副运动状态矩阵和约束状态矩阵。根据变胞运动副的等效阻力梯度线图并参照约束状态矩阵,获取约束变胞运动副的等效阻力矩阵。通过归纳变胞运动副的约束形式和约束力性态的矢量表示,对比等效阻力矩阵建立约束变胞机构构型矩阵,给出基于构型矩阵的构型综合方法。以粉料压片机机构的设计为例,求出了12种典型约束变胞构型矩阵及其机构运动简图。     

描述变胞机构构态变换的新表示法

针对现有构态变换矩阵不能衍生邻接矩阵和描述运动副空间位置的问题,构造了1种即可衍生邻接矩阵又可描述变胞机构运动副空间位置的构态变换矩阵,此矩阵包含杆件数、运动副数、运动副类型、运动副空间位置、连杆与运动副的连接关系等信息,不但可求出机构的自由度和构造构态变换矩阵衍生出的邻接矩阵,还可以在仅知道构态变换矩阵的情况下,逆向思维描绘出机构运动简图,通过平面变胞机构、空间机构和平面—空间变胞机构构态变换举例,说明此构态变换矩阵便于构造、信息量大、运用范围广。     

描述变胞机构构态变换的关联矩阵法

基于变胞机构的变拓扑结构特性,提出了3种基本变胞过程:构件数目变化、运动副数目变化和连接方式变化,这些过程的组合使用可实现全部变胞要求.为了完整、简便、清晰地描述构态变换过程,提出运用含有运动副类型的关联矩阵及其逻辑运算对变胞过程进行描述,同时给出了构态变换方程的逻辑表达式和实现变胞过程的4种基本变胞矩阵.该方法能直观...     

五杆变胞机构构态变换的运动性能分析

构态变换是变胞机构应用中的一个重要环节,在构态发生变换的时候机构的运动变得不连续,使机构的运动性能发生变化.以一个五杆变胞机构为例,验证了在构态变换时的冲击效应,分析了不同的构态变化初始条件对变胞机构运动性能的影响.研究结果表明,即使是在低速条件下,机构在构态变换也会产生较大冲击;通过改变机构在构态变换时输入构件的运动...     

关联矩阵在变胞机构设计中的应用

随着变胞机构研究的深入,其连续构态变化的灵活性、机构运用的多功能性逐渐凸显。结合多杆机构的构造方法,分析了变胞机构在特定场合推动箱体翻转运行的可行性。针对常见的变胞类型,分析拓扑结构变化,提出矩阵这种数学工具,用以描述变胞机构构态变化过程。矩阵中包含运动副类型,体现运动副和构件的数量,结构简便,描述完整,便于计算机编程和逻辑运算,普遍适用于各种变胞机构的分析研究工作。     

描述变胞机构构态变换的邻接矩阵法

根据变胞机构的变胞原理,提出变胞机构的三种变胞过程：杆件增加、杆件减少和杆件数不变仅拓扑结构发生变化。在研究变胞机构的三种变胞过程后,提出用邻接矩阵变换的方法来描述变胞机构的变胞过程,同时提出用于相应邻接矩阵变换的4种初等矩阵。矩阵变换法能清楚地描述机构在变胞过程中,各构件的邻接特性变化以及增加或减少的构件数。采用矩阵变换法来描述机构的变胞过程,将变胞机构的构态变换转化为一系列矩阵运算,普遍适用于各种变胞机构的构态变换分析。变换过程全部由矩阵实现,且不需对新机构重新编号,易于计算机编程运算。     

描述变胞机构构态变换的一种新方法及其在构型综合中的应用

通过分析变胞机构的拓扑构态变换过程,提出一种能描述杆件减少过程中任意杆件合并的矩阵表达新方法,此方法不需要进行行列变换就可得到简洁的终态矩阵,且不影响原机构杆件的编号。以此方法为基础,阐述杆件数增加或不变的变胞机构拓扑构态变换的数学描述和实现方法。根据变胞机构构态变化规律和平面机构构型综合的拓扑相关性,提出基于变胞机构拓扑构态变换的数学描述进行平面闭链机构构型综合的新方法,给出单自由度闭链构型综合的实现方法和步骤,并以8杆机构构型综合为例进行应用说明。     

变胞机构构态变换可靠性分析模型

根据变胞机构构态变换过程中的运动学和动力学特性,分析了影响变胞机构构态变换可靠性的主要因素,并对其概率分布特征参数进行了求解。以等效阻力梯度模型为理论基础,建立变胞机构构态变换约束可靠性分析模型,用变胞运动副等效阻力系数的概率分布特性来衡量变胞机构构态变换的可靠性。     

基于约束变化特征分析的变胞机构构型综合方法

变胞机构可认为是机构构态按照特定规律进行连续变化的运动链序列集合,能够适应多种不同的工作任务和功能需求.可进行连续构态变化是变胞机构区别于传统组合机构的重要特性之一,而约束变化是使其构态发生变化的本质原因.根据变胞机构的多构态特性及其约束变化特征分析结果,给出约束变化的实现方式,提出变胞运动副的设计原则.在此基础上,提出一种变胞机构构型综合方法,其实质是根据变胞机构各阶段工作任务和约束条件得到各构态机构构型方案,并对各相邻构态机构方案进行相似度分析和筛选,进而以约束变化特征为基础设计变胞运动副,实现各最优相邻构态机构方案的耦合.以一种物料运输车驱动机构的设计为例对此方法进行验证.     

基于变胞原理的轮履复合式机器人行走机构

研究了1种三构态变胞机构,能够及时转换构态,实现末端参考点的预定轨迹。对该机构进行了构态变换分析,给出了在不同构态时机构的自由度、邻接矩阵及构态变换时的变胞方程。根据机构在不同构态时的性质,将该变胞机构应用于移动机器人的设计中,提出了1种轮履复合式机器人行走机构。该机构融合了轮式机构高速和履带式机构通过能力强的优点,具有3种运动模式,能通过构态的变换来满足野外环境中的不同运动需求。     

一种新型并联变胞机构的设计与分析

3-UPU并联机构的动静平台虎克铰关节轴线在满足不同的几何约束条件下可分别具有平动和转动的输出特性。根据变胞机构理论中改变运动副方位特征实现构态变换的原理,设计一种3-UPU并联机构构态转换实现机构。此机构由结构相同的上下两部分运动链组成,通过改变其连接关系可实现3-UPU并联机构动静平台虎克铰轴线在平行和汇交之间变化,达到改变其运动输出的目的,从而形成一种新型并联变胞机构。由于变胞机构具有多组耦合关系,合适的构态转换位置是影响后续构态机构工作性能的重要因素,应用螺旋理论分别进行其各构态机构的自由度分析,并以机构工作空间为例分析构态转换位置点对其工作性能的影响。     

含可重构动平台的新型并联变胞腿机构设计

变胞机构在不同工作阶段会呈现拓扑结构形式不同的运动构态,为便于描述变胞机构各运动构态之间的关系,提出了变胞机构全构态的概念,据此提出了变胞并联机构的构型综合原理,即首先综合出变胞机构的全构态机构,然后由全构态机构经由其约束的增加(或自由度的衰减)演变为某一具体构态机构。构建了基于单自由度空间闭链机构的可重构动平台,据此实现了变胞并联机构的多运动构态切换。根据提出的变胞并联机构构型综合原理,对一种可实现三/四自由度构态切换的新型变胞并联机构进行了构型综合,然后将三重对称Bricard空间闭链机构作为变胞机构的可重构动平台,设计出了一种新型变胞并联腿机构。     

具有变胞功能的装载机构构态分析与基因建模

装载机是一种重要机械,将变胞机构理论引入到装载机构的设计过程中,设计出一种满足搬运需求的变胞货物装载机构,它能够通过构件的合并使多个构件固结成一个变胞构件,改变活动构件数量、改变拓扑结构,进行自我重组和重构,使变胞装载机构适应不同工作阶段的任务需求,灵活应用于不同场合。基于变胞机构理论,应用拓扑图及自由度描述该变胞装载机构构态,应用关联矩阵表征机构拓扑图特性,采用异或逻辑运算方法,对变胞装载机构构态变化过程进行分析。依据基因建模理论,建立变胞机构基因模型,讨论变胞装载机构的构态演变与进化。     

面向变胞机构动力学建模的变拓扑构型数学描述方法

针对变胞机构的变拓扑特性,以拓扑学和多体系统动力学理论为基础,提出一种可由变胞源机构动力学模型自动生成任意子机构动力学模型的建模方法。首先,从变胞机构的拓扑组成和所受约束角度出发,重新定义了变胞源机构的内涵,将变胞源机构向子机构的切换方式简化为构件数减少和构件数不变两种情况。其次,运用关联矩阵描述变胞机构的构态切换过程,提出实现构态切换所需的单位消元矩阵Ei,j、关系消去矩阵Ij和关联关系变化矩阵G,将变胞机构的拓扑结构变化转化为一系列的矩阵运算,并给出了统一的数学模型。最后,建立关联矩阵、Huston低序体阵列和通路矩阵三者之间的转换关系,结合R-W方法分析变胞机构子构态动力学模型的自动生成机理,以具有3个构态的闭环五杆变胞机构为例,建立变胞源机构动力学模型,通过编程自动生成所有子构态动力学模型,并对机构的动力学特性进行分析,验证所提方法的有效性和实用性。     

基于构态变换的变胞机构结构综合

讨论了一种在运动中构态可变并改变自由度的新机构。基于构态变换的矩阵运算,提出了变胞机构结构综合的新方法。从其终态出发,应用终态的拓扑结构及其相应的邻接矩阵,进行了杆件添加和相应构态变换的矩阵运算,研究了所有组合可能性,并应用拓扑对称性去除重复情况,从而综合出新的变胞机构。     

基于变胞铰链的并联机构结构设计与构型分析

为了拓展变胞机构的种类,提出了一种变胞运动单元,该变胞单元采用三个旋转关节,并且三个旋转关节可以通过位置调节形成等效球铰、虎克铰以及转动副。与传统的锁定运动副来实现变胞功能的变胞单元相比,此变胞单元三种构型的切换只需对轴线位置调整,无需额外增加关节锁死电机。通过研究由线矢量构成的螺旋系统的相关性,揭示了变胞运动单元构态变化的基本原理。提出了可用于构造新型变胞并联机构的支链构型设计方法,并基于螺旋的互易性分析了各支链构型所必须满足的几何约束条件。提出了两种变胞并联机构,通过不同的支链装配形式可将其从6自由度构型转换为3自由度构型,并对支链安装形式进行改进,构造出了具有3自由度平移模式和3自由度转动模式的并联机构。对变胞支链作为中心支链组装而成的并联机构的构型及对应的运动类型进行了分析,获得了六种不同构型的并联机构。     

基于变约束旋量原理的变胞机构构型综合

变胞机构具有变结构和变功能特性。对满足变胞条件的运动链进行综合,是变胞机构结构学研究的难点。基于机构分析理论和变胞原理,对变胞机构的组成进行分析,定义变胞支链和变胞机构的概念。根据变胞机构中变胞支链数目的不同,提出三种变胞机构类型:单变胞支链型、多变胞支链型和全变胞支链型。将变胞机构变拓扑的实质归纳为机构所受约束的变化,使对变胞机构的综合转化为含变约束串联支链的变胞源机构综合。将约束旋量原理引入变胞机构的构型综合,采用数学分析方法,阐述变胞源机构与子构态机构之间的关系,给出构态变化条件及变约束旋量方程的数学表达式,形成基于变约束旋量原理的变胞机构综合理论及其一般过程。以空间变胞并联仿生关节机构为例,运用变约束旋量原理对其进行构型综合,求解出所有可能的支链约束组合,列举满足对应约束条件的多种支链运动副形式,得到多种具有被动径向移动自由度的球面关节机构,联同平面双层折纸变胞机构示例,验证了变约束旋量原理对变胞机构综合的有效性和正确性。