变胞机构结构设计方法探讨

变胞机构的结构设计是变胞机构的主要研究内容.根据变胞机构的变胞原理,提出了用于变胞机构结构设计的三种方法:变约束运动副法、限动运动件法和模块组合法.变约束运动副法和限动运动件法主要用于变胞机构在全构态运动过程中机构构件数不变、自由度发生变化的情况;模块组合法主要用于变胞伸展、折叠机构的设计.这三种方法为变胞机构的设计奠定了基础.     

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。     

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...     

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。     

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。     

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。     

变胞机构的研究综述与展望

随着变胞机构研究的深入,变胞机构理论和应用也不断地发展和创新,有必要将现有的研究成果加以总结和分析,对未来的发展趋势进行展望,以促进变胞机构理论和应用的进一步发展。在变胞机构研究的基础上,介绍变胞机构的起源和意义,提出判定条件和5种变胞方式及其实现方法。并按照变胞机构的结构学、运动学、动力学、柔性变胞机构等方面,对变胞机构理论的研究现状进行阐述。鉴于变胞机构的结构学研究较多,按照变胞机构的构态描述方法、结构分析方法和结构综合方法等3个方面进行总结。并介绍变胞机构在航天、现代制造业和机器人等领域的应用现状。对于变胞机构的未来发展趋势进行构想和展望,提出几个未来潜在的研究方向。     

基于虚拟样机技术的变胞机构构态变换研究

变胞机构的构态变换是变胞机构研究的重要内容,由于机构构态的突然改变,变胞机构在这个时刻会发生冲击.冲击对变胞机构的影响是变胞机构研究的一个难题,以一个平面五杆变胞机构为例,通过虚拟样机技术对变胞机构的变胞过程进行动力学仿真,从而得到机构发生冲击振动时刻的运动曲线,并分析了不同驱动条件下冲击对机构的影响.仿真结果表明,改...     

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.     

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。     

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。     

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...     

变胞机构研究中的几个问题

变胞机构自1988年提出后,获得了国内外机构学学术界的广泛兴趣.这篇文章追溯了变胞机构的演变和提出过程,回顾了国内外的发展,深入阐述了变胞机构的原理.这一原理有助于建立变胞机构与可展式机构的区别,变胞机构与运动转向机构的区别.并有助于概括变胞机构的分支.本文进一步阐述了变胞机构的分类,从而开拓了新型变胞机构开发的若干方向.     

变胞机构的分类及其构态分析

对变胞机构进行科学的分类,是变胞机构分析与综合的基础,是对其进行运动学及动力学研究的关键。根据变胞机构的本质特征对其进行了分类,即把变胞机构分为Ⅰ类变胞机构、Ⅱ类变胞机构、Ⅲ类变胞机构和Ⅳ类变胞机构,同时给出了4个典型例子并对其进行了构态分析。     

变胞原理和变胞机构类型

追述了变胞机构的发展,首次阐述了变胞原理及其在变胞机构的应用。进一步探讨了变胞机构与其他机构的区别,提出了变胞机构的延伸和分类,有助于挖掘具有变胞特性的原有机构和设计构造新的变胞机构。探讨了变胞方式,阐明了数学模型在变胞构态演变中的运用。并进一步运用各种例子,探讨了变胞机构在国内外的发展和在机器人以及制造业的应用,尤其是变胞原理在机器人及机器手的应用。该研究奠定了变胞机构的理论基础,为变胞机构新的研究和发展开拓了道路。     

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.     

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。     

利用平面变胞原理实现机构的间歇运动

文章通过对平面变胞机构的研究,针对传统机构学的概念和间歇机构设计方法提出了新的课题.介绍了利用平面变胞原理使机构按一定的规律实现有停歇的往复摆动或移动,构建新型的间歇运动机构,从而极大地简化间歇运动机构及其设计,丰富了间歇机构的设计方法.     

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。     

变胞机构理论与应用研究概述

阐述了变胞机构的特点及其结构学、运动学、动力学、控制、柔性建模及设计等若干理论问题。介绍了矢量法、矩阵法、指数积方法等几种运动分析方法,比较了Newton/Euler法、Lagrange方法、Kane方法、Roberson/W ittenburg方法、高斯最小约束原理法等几种动力学建模方法的优缺点,提出了变胞机构的几种控制方法和柔性变胞机构建模中存在的几个关键性的问题。最后概述了变胞机构的应用领域,展望了变胞机构的应用前景。