基于螺旋理论的三棱锥折展机构构型综合与组网

研究折展单元机构构型综合对于可展开天线机构创新设计具有重要意义。根据三棱锥折展单元机构多运动输出期望公共运动和期望同步运动自由度要求,基于螺旋理论约束综合法,完成机构公共运动和耦合同步运动支链的构型综合,获得了多种基本折展单元构型,并结合应用实际确定一种优选三棱锥折展单元机构。根据3RR-3RRR单元折展机构的组网方式和组网运动的要求,采用螺旋理论进行了运动副的构型设计和优化,综合出一种具有耦合自由度的高刚度三棱锥折展单元组网机构。所采用的构型综合方法实现了螺旋理论约束综合法在折展机构构型综合中的应用,为具有多运动输出部件耦合运动要求的机构综合研究提供参考。综合得到的机构适用于星载构架天线反射器等空间曲面支撑类机构应用需求,具有广泛的应用前景。     

基于正六边形折纸的单自由度可展结构

可展结构在航空航天领域应用广泛,其性能的优劣直接决定航天任务的成败.随着各种空间设备向着大型化和复杂化方向发展,对性能优良的可展结构的需求与日俱增.为了设计具有高可控性、大收纳率的可展结构,从刚性折纸的角度出发,对一种已有折纸图案进行改进,设计出一种新型零厚度正六边形折纸.进一步结合桁架理论和厚板折纸理论分析并降低了其自由度,从而提高了该机构的可控性,并借助D-H法对其进行了运动学分析.考虑到实际工程中应用的空间设备多有一侧为平整的工作表面,通过采用新的机构对原有机构进行运动等效替换,使其具有一侧平整展开表面,最终得到了一种具有单自由度大折展比的可展结构设计方案.     

空间伸展臂折展单元展开运动特性分析

基于对国内外空间伸展臂机构研究状况分析,提出一种四棱柱型剪叉式空间伸展臂。在分析伸展臂工作原理的基础上,确定折展单元(剪叉单元)的构型特征,并基于螺旋理论求解伸展臂折展单元运动度,验证四棱柱型剪叉式空间伸展臂的运动单一性和折展稳定性。据此,分析空间伸展臂折展单元的几何特性,获得折展单元轴向展开运动规律线图,并利用所研制的原理装置在低重力模拟环境下完成伸展臂展开性能和重复展开精度测试,结果表明四棱柱型剪叉式空间伸展臂满足空间折展机构的功能需求。     

基于直线驱动的空间可展机构运动分析

将直线机构与折纸机构相结合,设计出一种新型空间可展机构,并对其进行运动分析。运用抽象思维将筝形纸板的四条边线抽象为构件,将相邻边线间的拐点抽象为转动副,提出一种二自由度筝形七杆机构,采用几何证明的方式,对机构执行构件实现直线运动的条件进行研究,结合运动支链为末端执行构件提供约束的本质,通过引入平行约束的方式,设计得到多种单自由度筝形直线机构。以筝形直线机构为基础构造可展单元,阐述模块化组成筝形直线可展机构的原理和过程。根据三浦折纸机构的运动几何特性和面对称性,在运动学分析的基础上,提出一种通过改变对称面上共线等距点的间距来实现机构折展的驱动方式,经由筝形直线可展机构予以实现后,建立整体空间可展机构的虚拟样机模型,研究机构的运动干涉问题及其影响因素,绘制折展率性能图谱,得到了该空间可展机构的折展率随着板厚h的减小和切除长度c的增大而增大的结论,为机构的结构设计和工程应用提供参考依据。     

一种仿生折展机构设计与应用研究

以合瓣高脚蝶形花冠的迎春花为例,对花朵开放过程中的展开过程进行提取,设计出一种能够实现折展功能的仿生折展机构,根据花瓣开放展开形态,并根据机构学概念,提出一种仿花瓣折展机构设计概念模型,通过机构构件运动副数目方程组和运用胚图法完成对七杆以下平面闭环机构的构型综合,并从中优选可用机构构型作为仿花瓣折展机构单元,对折展单元...     

基于旋量理论平板折展机构构型综合与分析

为了解决平板折展机构单元构型种类少的问题,对平板折展机构进行了构型综合,并优选出了一种机构进行运动学分析.基于对平板折展机构收拢原理的分析,运用旋量理论提出了一种平板折展单元机构的构型综合方法,综合出多种平板折展机构构型.通过分析比较优选出一种运动副全部为转动副的平板折展机构,对其构型机理及几何特征进行了分析,并基于旋量约束拓扑图计算了机构自由度.然后对其进行了运动学分析,分析了各个构件的角速度,进而推导得到了各个构件的质心线速度与质心线加速度,并进行了数值计算与仿真验证,验证了理论分析结果的正确性.研究内容可以为此类机构的设计分析与工程应用提供参考.     

基于折纸机构设计的新型行走机器人

针对行走机器人存在的驱动复杂、无法适应不同行走环境等局限,基于折纸机构设计出一种新型的具有单自由度的行走机器人的两种腿部折纸构型;通过将三浦折纸(Miura-Ori)折痕转角理论与腿部等效运动学模型相结合,简化运动学的求解并设计出一种新型的驱动方式.将单顶点折纸理论拓展到多顶点的折纸构型之中,得到了不同单元的折痕转角之间的确定关系.提出一种配合折纸折叠状态的步态规划.结果表明,机器人腿部折纸构型能够实现大跨度、大步长的行走步态;由于足部末端的大跨度动作,不与地面发生相对滑动,能够在不同复杂程度的路面实现平稳行走.     

折纸启发的折叠式柔性关节及步行机器人设计

基于折纸折叠原理启发的新构型的开发与应用日益成为相关领域的研究热点,其中,平面折痕的设计、三维形体的折叠、构型的运动特点、自由度及与之相配合的驱动设计都是需要解决的问题。首先,在经典的Water-Bomb折纸基本单元的基础上设计出具有单自由度的非汇交折叠单元的平面折痕,将基础折痕进行组合设计以及三维折叠设计,得到两种具有一定刚度且可实现折叠运动的立体单元：可折叠式移动副、可折叠式转动副。同时,由可折叠式转动副启发设计出一种可与基础非汇交单元相配合的软体驱动,并与两种立体单元进行组合,实现了对立体单元的稳定控制;在实验中发现,软体驱动对立体单元输入角的控制可同时控制立体单元的刚度。将两种立体单元进行串联,设计出能够实现完整跨步行走动作的折纸腿及步行机器人,并实现了机器人的行走仿真实验及跨越阶梯实验,得到折纸腿在跨越阶梯时的最大裕度,验证了两种变刚度单元在行走、跨步过程中的特殊性能。     

可重构立方体机构的设计与运动模式分析

随着航空航天技术的飞速发展,大型空间折展机构的功能需求越来越多样化,具有多种展开模式的可重构可展机构应运而生。以可展立方体机构作为研究对象,介绍了其机构组成以及分层构造方法。通过分析立方体机构的相邻面单元间约束,绘制了面单元的机构简图,得到了面单元在正方形和长方形外轮廓下的几何约束条件。分析了三个相邻面单元的耦合运动情况,得到了三个面的可能运动模式,并在此基础上得到了立方体机构的可能运动模式。通过顶点连接、边连接、面连接,得到了两个立方体机构的组合机构,并开展了各种连接条件下的多模式分析。最后通过制作原理模型样机,搭建了边连接和面连接的立方体组合机构的典型构型,验证了理论分析的正确性。     

基于昆虫羽化与折纸的折展机构设计与分析

基于蝉翅羽化展开过程的运动特点,建立了蝉翅的结构简化模型.并在此基础上,基于折纸理论抽象简化出了一种折展机构.基于雅可比矩阵法对其进行了 自由度分析;同时,基于坐标变换矩阵方法,分析了该折展机 构的运动过程,得出了其输入角与输出角关系;利用仿真软件ADAMS建立了该折展机构的虚拟样机模型,并对其进行了模拟仿真,得出了其具体的运动过程;最后,基于该折展机构制作了简易的折纸模型,验证了模型展开与收拢过程的有效性.     

大型空间薄膜遮阳罩折展构型设计与分析

将折纸技术应用于空间薄膜结构构型设计并在展开全过程进行应力优化,设计折纸型充气管结构组合使用,完成大型空间薄膜遮阳罩折展构型设计。基于光学系统遮阳需求,采用杆系等效方法分析了两种薄膜折痕方案折展过程中的应力改变水平,并进行了遮阳罩薄膜结构的参数设计。考虑到充气管与薄膜结构的点连接和同步折展问题,采用单顶点六折痕模式改进了传统的Z字型充气管设计方案并进行了通气性能分析。采用ANSYS/LS-DYNA仿真计算了薄膜结构和充气管结构的展开全过程,并进行了应力水平和气压分析,最终通过样机模型进行了展开试验验证。结果表明,组合采用改进薄膜折痕方案和改进Z字型充气管方案,大型空间薄膜遮阳罩的展开路径明确,收纳比高且不会造成遮阳薄膜损伤。     

基于刚性折纸的新型可折展移动机器人折展原理分析及验证

针对现有轮式机器人的本体相对固定无法适应复杂环境的问题,将自由度较少、折展比大的刚性折纸机构与高效的轮式运动相结合,提出一种新型可折展移动机器人机构,提升了移动机器人在复杂环境下的通过性能。对此机构折展原理进行分析,得到机器人三维尺寸与驱动角之间的关系,并通过建立简化模型,对动力学进行研究,得到不同位置的驱动力矩随驱动角的变化,从而得到最优驱动布置方案,之后通过运动协调算法研究,实现了机器人移动与折展协调运动,使其能够在复杂环境中高效运动。最后搭建物理样机以及控制系统,并通过试验验证机器人的移动及折展性能。结果表明,该可折展移动机器人具有三维折展比大,运动灵活高效的优点,可通过切换姿态适应复杂路径,有望在探测、检测以及救援等工程领域得到应用。     

径向可伸缩式车轮机构的构型设计与分析

针对航天发射时运载工具性能需求和有效载荷舱空间有限的矛盾,提出一种径向可伸缩式车轮机构.在分析径向可伸缩式车轮机构组成原理的基础上,对车轮机构进行拓扑综合分析,即车轮构型分解与综合.以车轮机构的轮缘环链为单元构型,进行拓扑变换分析,分类讨论轮缘环链外接副的三种型式.通过构态分析确定径向可伸缩式车轮终态的运动情况,验证所设计车轮构型的正确性,为该机构在航天领域的实际应用提供理论条件.     

空间机构的结构描述

应用拓扑学理论,提出一种新的空间机构有级边拓扑描述方法,推导出有级边拓扑图的几个重要的矩阵:邻接矩阵,关联矩阵和环路矩阵。在此基础上,分析了矩阵的性质,空间机构运动副轴线位置关系对运动特性的影响,给出了空间机构的结构描述特征字符串。     

剪叉可展机构腿的步行机设计及性能分析

从可展开的剪叉状连杆单元入手，利用其运动特性进行了步行机腿的构型设计，并就可展单元结构进行了物理性能分析，确定了步行机可展单元腿的基本构型；进行了可展机构腿的运动学分析，采用矢量法求解了腿部运动学正解，并给出了正解的解析表达式；同时与一般单开链两自由度连杆机构腿对比进行了承载能力分析，说明可展机构腿在行走作业时具有良好的克服非结构化路面的潜能以及良好的步态遍历性；根据运动学给出了腿部的工作空间，分析了工作空间内的力学分布情况；以四足步行机为例，进行了腿的尺度设计，给出了一种可展机构腿的整机实例。     

基于深度神经网络的四折痕锥形折纸结构设计

锥形折纸结构不仅具有高强轻质、形态可变、刚度可控等特点,而且有效改善了传统薄壁折纸结构面外刚度薄弱问题,在伸展臂、可展天线、吸能耗能构件等领域具备良好的应用前景。然而,目前锥形折纸设计难以从工程需求出发、实现特定几何尺寸的结构设计。因此,通过解析几何,推导折痕参数间的关系,并基于深度神经网络(DNN),将折痕参数与几何参数进行拟合,构建一种四折痕锥形折纸结构的逆向设计方法,实现从三维结构到二维折痕图的逆向设计。计算分析表明,所设计的锥形结构与解析解吻合良好。此外,折纸实物模型不仅验证了所设计结构的可平折性,还利用搭接、镜像等操作丰富了结构的外立面。该设计方法适用于更广义的锥形结构设计,可为基于数据驱动的折纸结构创新发挥积极作用。     

空间双层过约束可展机构的设计与分析

折展机构以其优越的折展性能,广泛应用于航空航天以及建筑等领域。以基于等边Bennett机构拓展得到的6R机构与三重对称Bricard机构巧妙结合,得到了一种可折展的环状机构,建立了多种过约束机构的几何模型并改进了环状机构的理论模型。利用D-H参数法对改进组合机构进行了运动学分析,得到其运动特性。以可折展环状机构为基本组网单元搭建了大尺度单层空间折展机构;以拓展6R机构衍生的7R机构结合Sarrus机构设计了可折展的连接单元,与单层折展机构复合构建空间双层可展机构,并提出了空间多层折展机构的可能性。     

折纸衍生空间可展结构研究回顾与展望刍议

作为起源于中国,发展于日本的传统手工艺,折纸由于其可以实现二维与三维结构之间形态高效转换的特性,近年来受到了科研人员与工程人员广泛的关注,为空间可展结构的创新研究提供了新的思路。对学界与工程界针对一维、二维、三维折纸衍生可展结构的研究现状进行了阐述,指出后续研究应关注的刚性平面载荷高效折展、柔性结构管理、非欧几里得折纸理论、驱动设计与动力学、重力卸载与试验考核、与其他折展机构的综合等六个问题。     

可展开式月球车车轮构型设计及构态变换分析

为解决月球车车轮性能需求与体积约束之间的矛盾,提出了一种径向可展开式车轮结构。通过构型设计和构态变换分析对可展开式车轮进行了概念设计。首先,初步确定基本构型,并基于拓扑图理论对车轮拓扑图中的各关联杆件进行拓扑对称性的判定,去掉重复的杆件关联情况,确定实际关联杆件的可能性数目,进行构型的综合,获得各种可能产生的构型及其机构简图。其次,通过机构简图筛选符合要求的构型,针对所选出的构型分别建立邻接矩阵,利用邻接矩阵的性质分析可展开式车轮机构展开过程中的构态变换及其构态变换前后机构自由度变化情况,判定所选构型关联关系对车轮运动的影响,评价各构型的优劣,检验所设计车轮构型的合理性,最终确定所需的月球车车轮构型。     

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。