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。     

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。     

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。     

几何约束驱动的可重构位移子群建模理论

提出基于位移子群的构态重构理论模型,由此探讨约束驱动的空间变胞运动链连续衍生设计策略。通过结合机构构态含拓扑与功能两方面变化特性分析,定义变胞机构中可重构特性的内涵,并将其封装进变胞结构单元,即变胞单元,依据此构建空间运动链构态特性的约束模型,分别构建构态约束矩阵与构态约束特征图,分析约束驱动生成运动链群的构型思想。具体是通过分析子群元素组合对应的构态变化,讨论约束作用性质与子群组合规律,确定几何约束引导单元的交、并运算规则,得出子群约束模型理论,驱动构态方案变化时对应的约束规则与方案衍生过程。深入研究构态约束图对空间变胞链中的拓扑与功能特征尤其含自由度特征的作用机制及约束操作规则、子群运动子集的组合规律,使得变胞运动链的设计转化为子群构态约束特征中元素的改变问题,由此构建变胞机构的多构态结构模型向约束驱动几何模型映射的建模方法,为变胞运动链群的构型方案自动生成与设计提供理论支持。     

基于变约束旋量原理的变胞机构构型综合

变胞机构具有变结构和变功能特性。对满足变胞条件的运动链进行综合,是变胞机构结构学研究的难点。基于机构分析理论和变胞原理,对变胞机构的组成进行分析,定义变胞支链和变胞机构的概念。根据变胞机构中变胞支链数目的不同,提出三种变胞机构类型:单变胞支链型、多变胞支链型和全变胞支链型。将变胞机构变拓扑的实质归纳为机构所受约束的变化,使对变胞机构的综合转化为含变约束串联支链的变胞源机构综合。将约束旋量原理引入变胞机构的构型综合,采用数学分析方法,阐述变胞源机构与子构态机构之间的关系,给出构态变化条件及变约束旋量方程的数学表达式,形成基于变约束旋量原理的变胞机构综合理论及其一般过程。以空间变胞并联仿生关节机构为例,运用变约束旋量原理对其进行构型综合,求解出所有可能的支链约束组合,列举满足对应约束条件的多种支链运动副形式,得到多种具有被动径向移动自由度的球面关节机构,联同平面双层折纸变胞机构示例,验证了变约束旋量原理对变胞机构综合的有效性和正确性。     

变胞机构与机构再生运动链综合研究

变胞机构是机构在运动的过程中通过改变构件或运动副的数量或类型从而完成不同的功能,而机构再生运动链方法是根据初始机构通过综合理论得到所有可能的运动链的一种机构创新方法,由于这两种方法都要利用拓扑结构来表达,因此笔者创造性的将两种方法利用其内在的拓扑关系结合起来,从而提出了基于拓扑的变胞机构再生运动链创新方法,该方法为利用再生运动链对变胞机构的创新提供一定参考依据。     

变拓扑机构理论的基本问题

研究了变拓扑机构理论的三个基本问题：变拓扑机构的定义、变拓扑机构的基本变拓扑方式及其相关性。主要以图论和点形图理论为工具,在定义机构拓扑结构、机构理想化、理想机构、机构的元和变元集等新概念基础上,提出了变拓扑机构新概念,并给出了严谨的数学定义。提出了变拓扑机构的三种基本变拓扑方式,准确表述了三种基本变拓扑方式的内涵。基本变拓扑方式是变拓扑机构拓扑结构变化的基本原理之一。依据该基本原理,发现、提出并充分证明了变拓扑机构基本变拓扑方式的两个相关性定理及其三个推论。     

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。     

基于扩展Assur杆组的变胞机构组成原理

提出一种模块化构造变胞机构的新方法,系统研究变胞机构结构组成问题。该方法即基于Assur杆组构造自由度为1的扩展的Assur杆组,应用Assur杆组法构造平面单自由度机构的规则,构造多自由度平面变胞机构。基于Assur杆组构建自由度为1的扩展Assur杆组,给出基于扩展Assur杆组的变胞机构组成原理、自由度的计算、具有确定运动的构型等基本问题。根据变胞后的蜕化的等效Assur杆组,研究扩展Assur杆组的运动变换特征,为变胞机构的结构综合提供依据。基于扩展杆组的概念,构造几种典型的空间1自由度变胞杆组,并对空间变胞机构的结构组成原理进行探索。实例表明,就像用Assur杆组构造普通机构一样,平面和空间变胞机构都能用所给出的自由度为1的模块构造而成,实现了系统的设计变胞机构。     

变胞机构的结构组成及实现方法

对变胞机构的结构组成进行了分析研究,提出了变胞构件的概念,并提出变胞机构是由构件和变胞构件通过运动副联接而成的机构.分析了工程上应用的几种具有变胞特征的机构,在分析、研究这些变胞机构工作原理的基础上,提出了变胞机构的实现方法,为变胞机构的分析和设计提供了思路.     

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。     

Type Synthesis of 1T2R Parallel Mechanisms Using Structure Coupling-Reducing Method

Direct kinematics with analytic solutions is critical to the real-time control of parallel mechanisms.Therefore,the type synthesis of a mechanism having explicit form of forward kinematics has become a topic of interest.Based on this purpose,this paper deals with the type synthesis of 1T2R parallel mechanisms by investigating the topological structure coupling-reducing of the 3UPSUP parallel mechanism.With the aid of the theory of mechanism topology,the analysis of the topological characteristics of the 3UPSUP parallel mechanism is presented,which shows that there are highly coupled motions and constraints amongst the limbs of the mechanism.Three methods for structure coupling-reducing of the 3UPSUP parallel mechanism are proposed,resulting in eight new types of 1T2R parallel mechanisms with one or zero coupling degree.One obtained parallel mechanism is taken as an example to demonstrate that a mechanism with zero coupling degree has an explicit form for forward kinematics.The process of type synthesis is in the order of permutation and combination;therefore,there are no omissions.This method is also appli cable to other configurations,and novel topological structures having simple forward kinematics can be obtained from an original mechanism via this method.     

基于图论的可控装载机构构型设计及其应用

基于图论相关理论对一种新型装载机工作装置进行了全面、系统的构型设计与研究。利用胚图插点法对九杆以内只含单铰转动副的平面闭环两自由度机构进行了构型综合,得到了51种拓扑图;根据可控装载机构拓扑结构要求、功能性要求、约束条件要求以及拓扑结构最简原则对得到的拓扑图进行了拓扑综合,共筛选出了22种满足构型要求的拓扑图;再根据提出的机架存在条件、铲斗存在条件、动臂存在条件对得到的所有拓扑图进行了特定化;最后提出可控装载机构优选原则,对拓扑图特定化方案进行优选和具体化,获得了11种可控装载机构。通过样机研制验证了构型设计的合理性。     

关于刚性子链的新定理

对不可分平面 R副运动链的刚性子链进行了研究 ,给出并证明了关于不可分平面 R副运动链的刚性子链的六个新定理及其推论。其中 ,定理 4比 Tuttle.E.R.的定理 1更具普遍性。本文所述定理和推论都是严密、方便和实用的。本研究为平面 R副机构的结构分析和数字综合提供了新的理论基础     

一类1T2R并联机构拓扑结构综合及优选

研究了一类1T2R并联机构拓扑结构综合和优选。应用平面机构的组成原理和约束特性,将1T2R并联机构拓扑结构视为由一条串接一转动副的1T1R平面并联运动链和两条空间无约束主动支链组成。统筹考虑机构位姿能力恰当性、支链结构力学合理性、机器人模块可重构性、位置逆解简易性和动平台结构紧凑性等准则,完成1T2R并联机构拓扑结构优选及性能验证。在此基础上,提出一种可继承Tricept机器人优点的新型五自由度混联机器人模块,该模块具有与Tricept机器人完全相同的运动学性能,且绝大部分部件可与Tricept机器人互换。     

基于均匀化理论的微小型柔性结构拓扑优化的敏度分析

介绍微小型柔性结构在ＭＥＭＳ中的应用前景及连续体结构拓扑优化的一般方法。在此基础上探讨利用均匀化理论,有限元及伴随变量法计算连续体结构拓扑优化敏度应的方法,并取得较为理想的数值计算结果。