变自由度机构的构态变换研究

变自由度机构是一类新颖的机构,利用自身的结构约束或系统的约束,使其自身的自由度发生变化,从而实现不同的功能。在分析变自由度机构功能的基础上,根据其特点把它与其它机构进行了区分;研究讨论了该机构的构态变化,发现只须写出该机构原始构态矩阵,然后在此基础上利用矩阵计算可得到邻接矩阵,并借助于MATLAB软件,可以快速、准确的计算出邻接矩阵,从而反映拓扑图的变换性质及机构的变换规律,这种求解方法为该类机构的结构学、动力学研究提供了依据。     

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.     

可重构机器人单元组合的自同构研究

可重构机器人利用单元组合结构,可以提高环境适应性,改善机器人的使用性能,本文首先提出了一种新的可重构机器人单元结构模型,然后针对可重构机器人拓扑构形中所存在自同构问题,根据单元组合拓扑构形的邻接矩阵,提出了拓扑结点的关联属性及其关联度码的概念,在此基础上,提出了单元组合自同构的列举算法,以及同一拓扑构形特征下所有非同构单元组合状态的计算方法。最后对一拓扑构形实例进行了计算,计算结果表明,本文提出的自同构算法简便有效,使用灵活,可用于可重构机器人的单元组合结构设计。     

描述变胞机构构态变化的改进邻接矩阵

针对目前对变胞机构构态描述存在的问题,提出一种改进的邻接矩阵.利用该矩阵可以描述变胞机构构态变化的各种情况.机构变胞过程由一个矩阵就可以描述清楚,不需要复杂的矩阵运算.     

一空间变胞机构的拓扑结构变换和对应的矩阵演算

拓扑结构变化是变胞机构的一个特征。概括了矩阵演算在拓扑结构变化中的应用,揭示了E单位变换矩阵和U单位消元矩阵与机构拓扑变化的关系,从而演示了对应于拓扑变化的矩阵演算。重点分析了一空间变胞机构。应用矩阵演算去描述该机构的多种结构变化,从而预测此机构的新构态,并展示了各拓扑构态衍生的新机构。这一分析揭示了两种拓扑变化类型的矩阵演算规律。     

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。     

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。     

柔性机构的结构拓扑特征及其自由度分析

柔性机构是利用组成元素间的相对柔性来获得运动或力的一类机构。通过分析柔性机构的结构特点 ,本文提出了一个新的拓扑图来表示柔性运动链的结构拓扑特征 ,并给出了相应的矩阵表示 ,借助该矩阵中的信息 ,可以方便地对柔性机构进行自由度分析。并且指出柔性机构是一种变自由度机构 ,其自由度的数目与机构所受外力 (矩 )的大小和方位有关。     

盒式柔性变胞机构的构态研究

变胞机构是一类具有自我重组和重构特征的机构.要进行变胞机构的动力学建模和分析,必须先进行构态分析,采用规则编号法和拓扑图相结合的方法描述柔性变胞机构的构态,并引入关联矩阵、邻接矩阵和通路矩阵来描述变胞机构体间的关系.     

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。     

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。     

含复铰平面运动链拓扑对称性识别的邻接矩阵方法

提出了识别含复铰平面运动链拓扑对称性的邻接矩阵方法。根据能够反映复铰和多副杆特点的构件邻接矩阵和铰链点关联矩阵,按照构件或铰链点的划分,利用圆排列转动和圆排列对应匹配的方法进行构件或铰链点拓扑对称性的识别,并提出了基本算法。研究表明:该方法能应用于无复铰平面运动链,并且具有简便、直观、可靠和便于用计算机进行处理等特点。     

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。     

三阶魔方机构的拓扑与运动简图

表面上简单、紧凑的魔方机构,实际上却可以实现着运动的千变万化,这种奇妙的模型远超出了传统机构学的概念和设计方法。以经典三阶立方体魔方为对象,从建立魔方机构的运动简图为突破口探索魔方世界中的机构学问题。分析魔方机构中的构件和运动副,提出了两种新的运动副以描述魔方在运动过程中构件间的连接在可动与相对固定之间切换的问题;提出了正位状态和非正位状态的概念,表达魔方机构在转动过程中构态的变化,用机构拓扑图分别描述该两种构态下构件间的连接关系,采用邻接矩阵反映构件间的位置关系和拓扑特征,从而将魔方机构的图表达转换为数学表达的方法。为将复杂的魔方机构模块化,采取对魔方整体的约束关系进行内外划分并提取魔方运动单元机构的方法,结合抽离出的单元机构子邻接矩阵,以第一卦限单元机构为例,分别建立了正位和非正位状态时外部环路魔方机构的运动简图。研究工作为非传统、变拓扑、多构态、多环路机构的结构分析提供参考,为魔方机构后续的自由度分析与运动特性分析提供模型。     

关于任意机械系统动力学方程的结构

本文给出了任意机械系统（完整、非完整的约束,含有各类运动副的开、闭或混合链系统）动力学显式方程。其中,含约束反力的动力学显式方程乃是Newton-Euler方法与动力学普遍方程（虚功原理）的统一形式;提出了动力学等效分解模型,在一定意义上将系统动力学方程试为若班干子系统在特定运动输入下的运动学关系的某种叠加与组合;给出了动力学方程生成的计算量与系统结构单元的划分层次及其拓扑结构特征之间的关系。从而进一步提示了系统动力学、运动学与结构学之间的内在联系。     

基于功能离散法的周转轮系拓扑综合研究

提出基于功能离散法的拓扑图描述周转轮系,建立轮系拓扑单元的三个层次,总结出复杂轮系是在3种基本单元的基础上组成的,并根据基本单元的组合特点,提出4种组合方式。对拓扑图作缩微变换,建立了拓扑图的分层邻接矩阵,给出了同构判定步骤,为轮系的拓扑综合提供了理论基础。依据拓扑图中回路的特点,将常见的周转轮系分为四类轮系。以六齿轮周转轮系为例,提出轮系基本单元组合的统计方法,对于每一个基本单元的组合,依据拓扑演化规律得到拓扑图谱,并利用拓扑反演规律推导出各种可能的周转轮系。结果证明此拓扑综合法是构建新型行星轮系的方便有效方法,此方法具有一般性,可应用于多构件周转轮系的拓扑综合。