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。     

具有变胞功能的电动装载机构构态进化拓扑结构分析与基因建模

变胞机构是一类具有多功能阶段变化、多拓扑结构变化、多自由度变化等特征的机构。将其应用于装载机研究发明的新型电动装载机构,可按不同阶段的工作需求改变其执行机构的拓扑结构,只需一台驱动电动机就能完成传统两自由度液压装载机铲装、翻转、抬升、卸料等工作任务。采用电动机驱动、连杆传动的方式,能有效克服液压系统零部件加工装配要求高、维护保养困难、易产生漏油等缺点;且电动机均安装在机架上,避免了传统串联式机械手的驱动电动机大都安装在铰链处,导致的刚性差、惯量大等问题。介绍变胞装载机构的变胞源机构以及实现变胞功能的几何变胞方法,利用邻接矩阵和拓扑图描述了各工况对应的子工作阶段机构的拓扑结构变化,分析其工作原理和构态转化特点,得到机构构态演变过程的生物学进化特性。针对机构的结构和连接特点,研究变胞进化生长过程中构型的转化方式和蜕化方法,对各个构型单元分别进行进化计算,得到变胞源机构的基因模型表达式。     

基于变胞原理的自动垃圾车装车机械手的设计与分析

多功能阶段变化特征、多拓扑结构变化特征和多自由度变化特征是变胞机构最主要的特征,因此变胞机构尤其适应于在不同工作阶段完成不同工作任务等要求的工况。应用功能分析法,通过研究现有的垃圾车装车机械手的运动情况,设计开发了一种新型变胞机械手,该机械手只需一台直线驱动装置就可完成垃圾车用机械手的动臂伸缩动作、手抓夹紧动作和动臂翻转的动作。采用机构简图表达法、邻接矩阵表示法、拓扑结构分析法等方法分析了该变胞机械手的不同工作子阶段的机构的功能与构态解析。     

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.     

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。     

曲面切割机变胞机构的构态变换与研究

分析了空间复杂曲面切割机变胞机构的变胞原理及构态之间的相互转换,并在对复杂曲面切割机变胞切割机构的变胞特性分析基础上,结合变胞机构的基因建模理论对复杂曲面切割机切割变胞机构进行多构态转换分析,并完成对其变胞源构态构型的求解;运用机构的构型图以及拓扑图对复杂曲面切割机变胞机构进行多构态的构型分析;并运用机构的邻接矩阵法及改进邻接矩阵法,列出变胞机构的改进邻接矩阵,并对复杂曲面切割机变胞机构进行构态之间转换的综合分析。     

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。     

2-PrRS-PR(P)S并联变胞机构工作空间分析与优化

根据变胞理论,提出一种新型可变转动副轴线的2-PrRS-PR(P)S并联变胞机构,通过机构两个分支转动副轴线角度的改变实现机构变胞。首先,分析得出机构两个工作构态的运动学反解;其次,分析机构各参数对不同构态工作空间的限制,采用三维扫描法求解机构两个工作构态的工作空间;最后,研究机构各参数变化对机构不同构态工作空间体积大小的影响,以工作空间体积最大化为目标,利用遗传算法和单一变量法优化机构的结构参数。     

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。     

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。     

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。     

基于图论的新型变胞挖掘机构构型综合研究

本文基于图论理论,首先对传统挖掘机构进行结构分析,得出了新型可控连杆式挖掘机的设计要求;采用杆件类配综合法得到新型挖掘机构所有的构件组合方案,再利用胚胎插点法在拓扑胚图上进行插点,获得挖掘机构的所有基本构型。然后根据传统挖掘机的结构特点和工作性能要求,提出了挖掘机构拓扑图功能性判定准则,以便从获得的拓扑图中获得最合适的构型;根据现实可行性和机构工作可靠性对筛选出的挖掘机构进行改进,并为了减少驱动元件的数量,提出一种主动变胞方法,得到本文的新型变胞挖掘机构,并对其进行了三维建模;采用邻接矩阵法对该新型变胞机构进行拓扑结构变换分析,并对计算了各构态的自由度,然后对该新型变胞挖掘机构的各工况进行了分析,初步证明了利用主动变胞方法减少主动杆数量的可行性。     

2-PrRS-PR(P)S并联变胞机构伴随运动分析

根据变胞理论,提出一种新型可变转动副轴线的2-PrRS-PR(P)S并联变胞机构,通过机构两个分支转动副轴线角度的改变实现机构变胞。首先,利用螺旋理论,对机构两个工作构态自由度进行分析;其次,根据机构特点,建立机构伴随运动的运动学模型,得到机构在不同构态的伴随运动和结构参数的联系;最后,利用仿真软件MATLAB得到机构不同构态结构参数对伴随运动影响的变化图。研究表明,该机构在不同构态存在不同方向的伴随运动,且伴随运动的大小随着机构参数的变化具有对称性。伴随运动的分析为机构的优化设计和误差分析提供了理论依据。     

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。     

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。     

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。     

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。     

一种约束变胞筛分机构的建立与动态仿真分析

变胞机构已成为当前国际机构学理论研究的前沿课题,通过对变胞机构的研究,可以利用变胞机构的构态变换性质来设计一些新的变胞机构.本文在前人研究的基础上,通过常见的平面五杆机构,改进建立了一种新型约束变胞筛分机构,为了研究机构变换过程中的物料筛分过程,对此机构的构态进行了动态静力分析,得出相应的速度、加速度、角加速度、惯性力和惯性力距.最后,利用ADAMS软件建立了仿真模型,分析了筛箱的动力学特性,可以验证分析的正确性,同时可以将变胞机构的随机构态应用到生产实际中.     

考虑杆长误差的变胞机构运动可靠性分析

变胞机构可按需进行构态转换以适应于不同的工况,故拥有良好的应用前景.以一种基础变胞机构为例,先划分构态以简化机构,采用环路矢量法进行各分构态的运动学分析,在此基础上,采用矩阵法与一阶泰勒展开建立机构各构态及变胞时刻的运动学误差模型,类比强度-应力干涉理论建立可靠性通用模型,并对其进行数值仿真计算.研究结果得到了特定情况...