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。     

内力封闭自适应机构初始运动链综合的胚图支链法

根据内力封闭型自适应机构初始运动链的自由度特征,提出了一种运动链构型综合的新方法,即胚图支链法。此方法视运动链由多元素杆和支链两部分构成,并通过一种有序分步的方法构建运动链的拓扑胚图,然后在拓扑胚图上配置支链形成广义拓扑图,再转化为运动链。利用此方法,综合出了自由度为0或-1的9杆、10杆运动链的全部独立构型,为内力封闭自适应机构的创新设计提供了理论依据。     

基于再生运动链法的锁芯机构创新设计

在分析现有锁具机构的基础上,应用机构再生运动链设计法对机构进行还原再生,找出满足拓扑要求与约束要求的非同构运动链,从而实现新锁具的机构创新。首先应用一般化原则将现有玥玛空转锁芯机构转化为与之对应的一般化链;然后运用数综合理论,对原型的机构运动链进行还原,找到所有可能的具有相同构件数和运动副数的一般化运动链图谱;再根据设计要求与约束对运动链进行元件识别,从而得到可行特定化链;最后由可行特定化链具体化为新的锁芯机构方案简图。利用三维软件对新设计的锁芯机构进行三维建模并分析其工作原理,结果表明设计的锁芯机构是合理的,并申请了2项国家发明专利。     

基于机构创新设计的机构再生设计的探讨

介绍了机构再生设计法,该方法由传统的选型设计转向构型创新设计,在机构设计过程中缩短了设计周期,提高了工作效率.机构再生设计法着重研究现有机构简图一般化运动链,根据设计要求给原始机构一般化运动链各个杆件赋予不同的功能目的,从而再生出与原始机构不同构型的运动链.     

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.     

基于机构创新设计的机构再生设计的探讨

机构再生设计法打破了传统的机构设计方法，由传统的选型设计转向构型创新设计，在机构设计过程中缩短了设计周期，提高了设计工作效率。机构再生设计法着重研究了现有机构简图一般化运动链，根据设计要求给原始机构一般化运动链各个杆件赋与不同的功能目的，从而再生出与原始机构不同构型的运动链。     

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。     

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。     

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。     

Structural Synthesis of Compliant Metamorphic Mechanisms Based on Adjacency Matrix Operations

A compliant metamorphic mechanism attributes to a new type of metamorphic mechanisms evolved from rigid metamorphic mechanisms. The structural characteristics and representations of a compliant metamorphic mechanism are different from its rigid counterparts, so does the structural synthesis method. In order to carry out its structural synthesis, a constraint graph representation for topological structure of compliant metamorphic mechanisms is introduced, which can not only represent the structure of a compliant metamorphic mechanism, but also describe the characteristics of its links and kinematic pairs. An adjacency matrix representation of the link relationships in a compliant metamorphic mechanism is presented according to the constraint graph. Then, a method for structural synthesis of compliant metamorphic mechanisms is proposed based on the adjacency matrix operations. The operation rules and the operation procedures of adjacency matrices are described through synthesis of the initial configurations composed of s+1 links from an s-link mechanism (the final configuration). The method is demonstrated by synthesizing all the possible four-link compliant metamorphic mechanisms that can transform into a three-link mechanism through combining two of its links. Sixty-five adjacency matrices are obtained in the synthesis, each of which corresponds to a compliant metamorphic mechanism having four links. Therefore, the effectiveness of the method is validated by a specific compliant metamorphic mechanism corresponding to one of the sixty-five adjacency matrices. The structural synthesis method is put into practice as a fully compliant metamorphic hand is presented based on the synthesis results. The synthesis method has the advantages of simple operation rules, clear geometric meanings, ease of programming with matrix operation, and provides an effective method for structural synthesis of compliant metamorphic mechanisms and can be used in the design of new compliant metamorphic mechanisms.     

一种新型变胞快速夹紧装置

提出了一种新型变胞快速夹紧装置。以机构运动简图、拓扑图和装配图描述了该装置的结构。阐明了该装置变胞快速夹紧的原理。阐述了该装置的设计计算方法。该装置用螺旋机构实现夹紧，以棘齿条机构实现止退，由凸轮机构实现变胞控制，从而可整体空程快移，在止退的同时快速夹紧。该装置已成功用于铝合金汽车轮毂模具修理过程中的夹紧，并已获得国家专利。     

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...     

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。     

基于球面五杆机构的变胞并联机构构型综合

提出一类基于球面五杆机构的变胞并联机构。基于具有解耦特性的球面五杆机构,应用螺旋理论综合出一类具有变胞特性的可重构混联支链,该混联支链由一个球面五杆机构和一个四自由度串联支链混联而成,应用三条相同的所述可重构混联支链构型出一类变胞并联机构。不同于现有利用约束奇异和支链奇异综合可重构并联机构的方法,提出利用球面五杆机构的解耦特性和关节锁死的方法来实现并联机构的可重构,因此该类变胞并联机构可有效避免重构过程中的约束奇异以及支链奇异。该类变胞并联机构可在一个广泛的范围内变换其工作模式和自由度,且伺服电动机均可安装在机构的固定平台。提到的方法可应用于其他基于解耦闭链的变胞并联机构构型综合。     

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。     

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。     

有关“工程变自由度机构”的几个问题

讨论了工程变自由度机构的概念和分类,阐述了其功能,总结了变自由度机构的两个主要运动规律,简述了变自由度机构和变胞机构的区别和联系.