Configuration Analysis of Metamorphic Mechanisms Based on Extended Adjacency Matrix Operations

The adjacency matrix operations,which connect with configuration transformation correspondingly,can be used for analysis of configuration transformation of metamorphic mechanisms and the corresponding algorithm can easily be simulated by computer.But the adjacency matrix based on monochrome topological graph is not suitable for the topological representation of mechanisms with multiple joints.The method of adjacency matrix operations has its own limitations for analysis of configuration transformation of me...     

基于广义关联矩阵的变胞机构结构分析与综合软件设计

指出单色拓扑图和邻接矩阵只能表示单铰机构,无法表示复铰机构的缺点,利用约束图和广义关联矩阵进行了复铰变胞机构的结构表示,并用基于广义关联矩阵运算的变胞机构结构分析与综合方法进行了软件的设计。     

一种基于变胞变换的柔顺剥线钳

剥线钳是一种用于剥去电线绝缘皮的手持工具。现有的剥线钳结构复杂、成本高、容易磨损。考虑到剥线钳在运动过程中自由度会发生变化,将变胞变换的思想引入剥线钳的设计中,基于柔顺五杆机构得到一种新型的柔顺剥线机构。利用伪刚体模型法对柔顺剥线钳的不同工作状态进行建模,给出了相应的运动静力学模型;根据剥线钳的设计要求建立优化目标函数,并采用粒子群算法完成了优化设计。参照优化结果加工的样机对不同规格的电线进行剥线测试,证实该新型柔顺剥线钳具有较好的剥线效果,可大幅降低现有剥线钳的成本,便携且具有结构简单、工作可靠等优点。     

基于杆组邻接矩阵的平面机构综合方法

为在平面机构综合中能够求解出包含R副和P副的全部运动链,给出一种基于杆组邻接矩阵的平面机构综合新方法。通过对前期研究提出的杆组邻接矩阵进行修正,构造改进的杆组邻接矩阵。基于改进的杆组邻接矩阵,求解给定杆组的所有装配方式,并同步辨识同构体,获取杆组装配关系的杆组邻接矩阵。根据提出的约束条件,采取逐级构造杆组邻接矩阵方法,求解杆组间的可行连接方式,并同步辨识同构体,从而获取全R副杆组间的连接关系的杆组邻接矩阵。将所有类型杆组代入求得的杆组连接关系矩阵,获取所有类型杆组可构成的全部机构构型,包含主动件和机架变换问题。以平面6杆机构为例,应用该方法首次求出包含R副和P副的所有机构构型为364种,验证了提出的综合方法的有效性和实用性。     

传递矩阵法分析平面柔顺机构的振动特性

为了分析柔顺机构的动态性能和力学传递关系,提出一种新型的基于传递矩阵法的振动力学模型。柔顺机构由若干个柔性铰链与杆件顺序联接而成,采用传递矩阵法描述其力学状态量的传递关系。将柔性铰链视为拉伸和弯曲变形的弹性梁,应用材料力学理论建立反映其自振性能的传递矩阵。将杆件视为刚体,采用动量矩定理建立其动力学模型,得到描述振动刚体的传递矩阵。按照柔顺机构的联接形式,将每个元件的传递矩阵进行拼装,得到系统总传递矩阵。总传递方程以柔顺机构的边界点状态矢量为未知变量,矩阵中的元素为机构结构参数和频率的函数。应用边界条件,可得柔顺机构的特征方程,通过求解方程可得系统的固有频率和振型。将外力纳入传递矩阵,建立反映外力激励与系统的关系的扩展传递矩阵以求解系统的频率响应。通过2种常用平面柔顺机构的动态性能分析,结果表明所建立模型的正确性,能精确描述柔顺机构力学传递关系。     

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。     

基于变胞原理的变自由度机构拓扑型分析

变自由度机构是一类具有特殊用途的机构。根据自由度的变化规律对变自由度机构进行了分类;利用变胞机构原理和拓扑理论对变自由度机构自由度的变化过程进行了构态变换描述。提出了一种对不同类型的变自由度机构进行拓扑型分析的“杆-杆”合并的新方法,由于把机构的型分析问题转化为矩阵计算,该方法可推广应用于更复杂的问题,并有利于在计算机上进行机构型分析。通过实例对该方法进行了验证。     

基于Unigraphics的产品零件邻接矩阵的自动提取

在Unigraphics的基础上，以C 十语言为开发工具，完成了零件邻接矩阵提取的二次开发，包括间隙分析对象定义、零件邻接关系判定和邻接关系输出等三个模块。解决了连通性筛子自动执行中的关键问题，为机电产品基于拆卸与或图的拆卸建模的自动化提供了有力的支持。     

任意构态变胞机构的结构综合

变胞机构是一种由于构态变化而引起自由度变化的特殊机构。为了实现任意构态变胞机构的结构综合,对任意构态变胞机构的构态变化进行了分析,利用组合理论,结合机构拓扑图和邻接矩阵一系列相应运算,提出了任意构态变胞机构的结构综合方法。该方法计算简便,结果可靠、准确。     

全柔性并联机器人支链静刚度矩阵的建立

设计了一种新型非对称全柔性3-RRRP平移微动并联机器人机构。在柔性铰链静刚度矩阵及柔性移动副静刚度矩阵的基础上,先建立该微动机器人机构单个支链的一般模型,利用坐标矩阵变换（D—H矩阵变换）的方法,推导出一般支链静刚度矩阵求解的理论过程,进而求得该支链端部的静刚度矩阵。最后,通过理论计算-简单模型,并用ANSYS对理论计算结果进行模拟。模拟结果显示,理论计算的静刚度矩阵与模拟结果很相近,说明一般支链静刚度矩阵理论推导过程具有一定的准确性。     

基于双向渐进结构优化法的柔性机构设计

基于双向渐进结构优化法提出一种面向柔性机构的拓扑优化设计策略。由于采用0/1离散拓扑设计变量和启发式变量更新机制,双向渐进结构优化法一般适用于结构刚度相关的凸优化设计问题。柔性机构以最大化驱动端的位移为设计目标,属于典型的非凸优化问题,难以直接应用该方法开展相应的设计。针对于此,通过定义一种由驱动位移和刚度特性（柔顺度）加权平均的优化目标函数,实现基于双向渐进结构优化法的柔性机构设计。该优化目标函数具有双重功效：（1）通过逐步（设计迭代步）衰减刚度特性的贡献,实现优化问题由刚度设计向驱动设计的动态演化,可应用双向渐进结构优化法开展机构的拓扑构型设计;（2）通过调节加权系数,实现对设计机构的驱动性能和刚度特性的灵活匹配调控,可有效抑制铰链的形成、防止应力集中引起的失效。典型算例的设计结果显示,提出的发展的演化式设计策略可实现稳健且高效的柔性机构设计。     

基于转动约束策略的柔顺机构拓扑优化

柔顺机构在航天航空、生物医疗、及仿生机器人等高新科技领域的精密微机械系统中拥有巨大的应用潜力。目前,拓扑优化是柔顺机构构型设计的主要方法之一。为了解决传统柔顺机构拓扑优化设计中存在虚铰的问题,首先,将旋转角引入柔顺机构构型设计中,以旋转角为观测指标,分析拓扑优化结果中存在虚铰的原因。其次,通过约束设计域内的旋转角平方的平均值不超过许用值,建立无铰链式柔顺机构拓扑优化模型,并且利用伴随法推导与之相应的灵敏度分析列式。最后,采用反向位移机构与柔性夹钳这两个经典算例的拓扑优化设计验证了所提优化模型的可行性和有效性。研究结果表明：基于转动约束策略获得的具有类桁架构型无铰链式柔顺机构,虽然在输入位移与输出位移方面表现出一定程度的减少,但避免了局部应变过大、应力集中问题的出现。     

基于并行策略的多材料柔顺机构多目标拓扑优化*

多材料柔顺机构能够让设计者充分利用各种材料的优良属性,在力,位移,以及能量转移等方面获得更大的设计自由度,因而受到重视。针对受到广泛研究的柔顺机构,结合多目标拓扑优化的方法,提出相应的基于并行策略的求解模型。该方法的核心是将一个复杂的多材料多目标问题离散成为单材料子问题,然后并行求解,再根据整体目标的需要,对所有子问题的解进行调整以得到原始问题的解。针对多目标情形,提出新的材料与输出目标关系,从而在将多材料问题离散成单材料子问题的同时,也将多目标问题离散成单目标子问题。对所有的单材料单目标子问题采用各向同性材料的刚度插值-惩罚法并行独立求解。以上方法有其独特优势：在理论和实践上都比较简单,可以处理任意多种材料,可以避免零碎的拓扑结构因而有利于制造。通过算例说明了此方法的有效性。研究结果表明,该方法在某些输出需要特定材料的设计场合更具优势。     

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。     

快速反射镜中柔顺传动机构应用与研究现状

从柔顺传动机构自身运动特点出发,介绍了应用在快速反射镜中较典型的柔性支承传动结构,对国外早期几款比较有特点和现阶段较为先进的快速反射镜从驱动方式、结构布局、支承传动、工作原理等方面进行了介绍和分析。针对目前柔顺传动机构的研究情况,归纳了应用在快速反射镜中柔顺传动单元的设计方法、空间机构构型、刚度分析以及整体动力学分析方法等。最后对快速反射镜中柔顺传动机构的研究和发展方向作出了总结。     

无奇异完全各向同性2T1R型并联机构的结构综合

提出了无奇异各向同性三自由度2T1R空间并联机构结构综合的一种系统方法。得到了24种新型无耦合并联机构方案和24种完全各向同性并联机构方案。在整个工作空间内,完全各向同性并联机构的主动副速度与动平台速度之间的线性映射雅可比矩阵为3×3阶单位阵,因此机构不存在奇异现象。由于无耦合并联机构和完全各向同性机构实现了主驱动器与动平台速度的一一对应关系,从而解决了并联机构控制难的问题。给出了完全各向同性2T1R并联机构支路的构造设计原则。     

拓扑特征演化分析下行星变速机构构型综合

针对用多个行星排和操纵元件组成预设挡位数和传动比的可行变速机构方案繁多的特征,提出了一种基于拓扑特征演化分析的行星变速机构构型综合方法。根据行星变速机构的基本构件组成,建立了行星排组和离合器组模型的设计准则,定义了相对转速意义下行星变速机构的构件和关联函数邻接矩阵,推导了构态演变的数学模型,实现了特殊构态拓扑特征的自动识别,构建了满足预设挡位数要求的构件组模型。在揭示不同构态拓扑演化特征的基础上,提出行星变速机构特性参数计算和构件属性判别的方法,实现了行星变速机构的构型综合。最后通过设计实例验证了所提方法的有效性和准确性。     

基于均匀化方法的柔顺机构的拓扑优化设计

基于柔顺机构拓扑优化设计的均匀化方法,给出了柔顺机构应变能和互应变能的算法,建立了柔顺机构多目标优化设计的模型并给出了相应的求解方法。最后通过算例说明了方法的可行性。     

变胞机构的构态分析及其运动学仿真研究

变胞机构在航天器和机器人领域有着广泛的应用。本文用Huston低序体阵列描述变胞机构的拓扑结构,并对一种典型变胞机构进行了构态分析。用齐次变换矩阵建立了该变胞机构的运动学数学模型,并对其进行了运动学仿真。数值仿真结果表明,变胞机构在构态切换时加速度有突变,进而提出了消除加速度突变的方法。     

柔顺机构几何非线性拓扑优化设计

对柔顺机构几何非线性拓扑优化设计理论进行了深入研究。首先,建立增量形式平衡方程,采用Total-Lagrange描述方法和Newton-Raphson载荷增量求解技术获得几何非线性的结构响应。其次,基于固体各向同性材料插值方法,建立体积约束下,输出位移最大为目标函数的柔顺机构几何非线性拓扑优化数学模型,目标函数敏度分析采用伴随求解技术,并用移动近似算法进行迭代求解。最后,通过算例说明以上方法的正确性和有效性。研究结果表明,应用上述方法对柔顺机构进行几何非线性拓扑优化设计能够得到合理拓扑图,并比线性分析所得机构的稳定性更高,同时也说明了对柔顺机构进行几何非线性拓扑优化的必要性。