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。     

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。     

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。     

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。     

基于约束函数的空间机构邻接矩阵描述与分析

针对目前空间机构结构描述和分析方法存在的不足,提出了基于约束函数和邻接矩阵的新方法。根据空间机构运动副的约束特征,定义了向量形式的空间机构运动副特征参数——约束函数及以约束函数为元素的空间机构特征参数矩阵——运动链邻接矩阵;分析了约束函数的性质;运用运动副约束函数和运动链邻接矩阵对空间机构的拓扑结构进行了描述和分析。结果表明,运动副约束函数适用于包括变拓扑结构的各类运动副,能综合描述运动副类型、级别、自由度、方位、性质等信息及其变化的情况;运动链邻接矩阵适用于各类机构的非瞬时描述与分析,能广泛描述运动链的构件数、运动副数目、类型、级别、方位、性质、机构类别、自由度、空间布局等诸多信息;示例证明了约束函数和邻接矩阵描述分析空间机构的直观性、有效性和简便性。基于约束函数和邻接矩阵的解决方案为空间机构的描述和分析提供了一种新的途径和方法。     

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...     

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.     

基于遗传基因理论的变胞机构变胞方程研究

为分析变胞机构稳定态的构型组成和变胞态的变胞过程,将遗传学基因理论引入变胞机构学,将机构主要特征分为三类,即运动副特征、构件特征和构件间连接关系特征;通过机构特征改变对机构结构特征和构型变化的影响,归纳总结出运动副类型基因改变、运动副数目基因改变、单个运动副的方位基因改变三种变胞方式,并以此建立基于构态变换矩阵的变胞方程。以平面三构态变胞机构为例,通过构态变换矩阵和变胞方程对该变胞机构的稳定态和变胞态进行详细描述和分析,验证其可行性与普遍适用性。     

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。     

变胞机构的基因进化综合理论

首次引入生物学原理研究机构综合与设计.提出变胞元素(进化单元),探讨基于变胞元素的变胞机构基因进化机制,建立基于基因进化技术的变胞机构创新设计理论.首先深入分析变胞机构的综合过程与构态进化特点,结合变胞机构的机构组成原理与结构构型建模分析,建立基于变胞元素的变胞机构基因建模方法,以基因模型讨论变胞机构的构态演变与进化.针对提出的变胞进化单元,深入研究底层变胞单元的基因进化机制与规律,主要探讨基因聚合进化机制、主动基因进化机制、基因变异进化机制、基因相交进化机制和基因分离进化机制,建立变胞机构基因设计理论基础与构态自动演变计算方法,实现满足多功能阶段设计需求的变胞源机构多构态模式.计算实例中变胞源机构综合过程验证了基因设计理论的正确性,变胞源机构到具体工作阶段机构的可分离蜕化变胞元素求解过程体现了进化综合理论的有效性.     

变胞机构及其综合的理论基础

分析变胞机构的工作过程与性质,归纳出变胞机构具有变化的多功能阶段、多拓扑结构、多自由度的三个显著特征。给出变胞机构的定义,讨论变胞机构的范畴和内涵,并分析容易与变胞机构相混淆的多自由度机构、机构组合、对称机构和运动限定机构等及应用场合。总结变胞机构的表达方式和变胞方法;提出变胞机构的工作阶段矩阵、变胞源矩阵和变胞矩阵的概念及构造方式,建立变胞机构在整个工作周期内各个工作阶段之间的内在联系及演变规律的数学模型——变胞方程,将变胞机构综合问题转化为多工作阶段机构型综合、变胞源机构型综合与变胞方程的求解问题,通过各工作阶段矩阵的集合运算产生变胞源矩阵和变胞矩阵,进而得到变胞源机构与变胞方式。列举几种可能的变胞方式,指出工作阶段机构与变胞源机构综合属于多解问题,给出变胞机构综合示例,讨论机构描述与型综合存在的问题,为变胞机构的研究和发展提供理论基础。     

变胞机构的基因建模理论与构态进化分析

变胞机构的英文首创是“Metamorphic mechanisms”。这一概念借用了生物学中“Metamorphosis”,即变形、变拓扑态、可生长并进化演化。基于这一基本概念,并结合机构的基本杆组组成原理,首次提出变胞机构具有生物特性的组成原理,定义变胞元与变胞基因,并基于变胞基本单元建立变胞机构生物特性结构模型,分析基因进化引导的构型综合思想。通过分析变胞机构的构态转化特点,讨论变胞源机构及生成方法与过程,得出变胞机构构态演变过程生物学进化特性。深入研究变胞机构在变胞进化生长过程中构型要素的转化方式与蜕化方法,建立变胞机构学具有生物演变特征的机构组成原理及进化构态建模理论。在此基础上结合传统基本机构进化生成变胞机构构型给出分析示例,并基于工作阶段子机构之间进化为变胞机构过程中不同的自由度跃迁结果,对变胞源机构的进化计算分别进行讨论。     

变拓扑机构结构组成理论

研究得出了变拓扑机构(含变胞机构)新的结构组成理论。提出并定义变拓扑机构的不变元、不变子链、变元、可变子链、变胞器等新概念;给出并严格证明变拓扑机构结构组成的4个新定理,它们分别是变拓扑机构结构与其各阶段构态的关系定理;变拓扑机构的不变子链定理;变拓扑机构的可变子链定理;变拓扑机构的组成定理。研究得出并严格证明关联关系变胞器的等效转化定理。研究变胞器的分类,并给出构件变胞器、连接变胞器和关联关系变胞器的图形描述。变拓扑机构结构组成理论为变拓扑机构的结构分析和综合奠定了新的理论基础。     

面向构态切换稳定性的约束变胞机构可靠性优化设计方法

为获得稳定、可靠的构态切换能力而开展可靠性优化设计是降低约束变胞机构运动功能失效概率的关键。基于多构态欠驱动约束变胞源机构的组成原理建立了含变胞运动副的扩展Assur杆组的模块化受力分析模型。根据变胞运动副的等效阻力梯度模型，考虑系统内外部误差的随机性，利用可靠性理论建立了约束变胞机构构态切换能力的概率评估模型。基于可靠性评估及可靠性灵敏度分析，提出了面向约束变胞机构构态切换稳定性的可靠性优化设计方法，进而针对可靠性灵敏度较高的结构参数随机变量的公差进行优化设计，使优化后的设计方案同时满足可靠性和经济性要求。最后，以折纸变胞机构为例，验证了提出的可靠性优化设计方法的可行性和有效性。研究工作为开展面向高概率的构态切换重复执行能力的变胞机构可靠性优化设计奠定了基础，同时对推进变胞机构的工程应用具有理论和实际意义。     

DYNAMIC MODELING OF METAMORPHIC MECHANISM

The concept of metamorphic mechanism is put forward according to the change of configurations from one state to another. Different configurations of metamorphic mechanism are described through the method of Huston lower body arrays. Kinematics analyses for metamorphic mechanism with generalized topological structure, including the velocity, angular velocity, acceleration and angular acceleration, are given. Dynamic equations for an arbitrary configuration, including close-loop constraints, are formed by using Kane's equations. For an arbitrary metamorphic mechanism, the transformation matrix of generalized speeds between configuration ζ and ζ+1 is obtained for the first time. Furthermore, configuration-complete dynamic modeling of metamorphic mechanism including all configurations is completely established.     

Constraint Force Analysis of Metamorphic Joints Basedon the Augmented Assur Groups

In order to obtain a simple way for the force analysis of metamorphic mechanisms, the systematic method to unify the force analysis approach of metamorphic mechanisms as that of conventional planar mec...