含变胞运动副结构的约束变胞机构构型综合

同一种变胞源机构由于变胞运动副约束形式或结构的不同,可获取多种约束变胞机构实现预定的作业任务。即根据工作构态变换对变胞运动副的约束力性态变化要求,给出一种反求相应变胞运动副约束形式和结构的约束变胞机构构型综合方法。根据基于任务的变胞源机构的运动循环图,建立一种对应的变胞运动副运动状态矩阵和约束状态矩阵。根据变胞运动副的等效阻力梯度线图并参照约束状态矩阵,获取约束变胞运动副的等效阻力矩阵。通过归纳变胞运动副的约束形式和约束力性态的矢量表示,对比等效阻力矩阵建立约束变胞机构构型矩阵,给出基于构型矩阵的构型综合方法。以粉料压片机机构的设计为例,求出了12种典型约束变胞构型矩阵及其机构运动简图。     

面向作业任务的约束变胞机构设计方法

如何根据作业任务需求设计约束变胞机构的构型,特别是包含变胞运动副的类型与约束方式的变胞机构,是变胞机构在实际应用中有待解决的关键问题之一。将作业任务分解为子任务,获取对应的变胞构态及其输出运动形式,进而获得对应的变胞运动副的类型及约束周期,构成了基于任务的变胞机构的输出运动与约束组合循环图。根据变胞运动副的类型和邻接关系,归纳出扩展Assur杆组可以提供的输出运动形式,建立了扩展Assur杆组与变胞机构的运动形式与约束组合的关联,因而可以便捷设计出变胞源机构。通过研究变胞机构的组合变胞循环图与变胞机构的等效阻力梯度变化的对应关系,求得约束变胞运动副的约束形式和结构,代入变胞源机构即可得到对应带有变胞运动副约束形式的全部变胞机构;同时进一步考虑工艺条件及运动的可靠性等因素,从中选取适合作业要求的变胞机构。以设计实例演示和验证了提出的设计理论和设计方法的可行性和实用性。     

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。     

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。     

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。     

基于变胞原理的微容积式机器设计与研究

基于变胞原理提出一种转子与气缸分离、以平面变胞间歇机构实现周期性配气的微容积式机器。首先,采用型综合的方法设计具有间歇运动的平面变胞机构,进而根据该变胞机构设计出了微容积式机器的整体方案,并得到表示各构态下变胞副运动状态的变胞机构运动循环表和等效阻力梯度线图;最后对平面变胞机构关键部件及容腔运动规律进行仿真分析。研究设计表明,基于变胞原理的容积式机器结构简单、动态特性好,为提高容积式机器的综合性能提供了一种新的途径。     

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。     

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。     

平行四边形变胞移动机构的构态变换随机性分析

变胞机构在运动过程中可以实现不同的构态变换。为了研究变胞机构构态变换过程中的随机性影响,建立一种常见的平行四边形变胞移动机构模型。以等效阻力梯度模型为基础,对机构进行动态静力学分析,并最终对其构态变换过程进行研究。分析不同参数变化时,对平行四边形变胞移动机构构态变换过程中的随机性影响,得出转速、杆长、外力、外力矩不同参数变化情况下构态变换过程中产生的随机性影响。结果表明：随着转速、外力、外力矩的增大,使变胞机构构态变换过程中更容易产生随机构态,杆长的影响不明显。研究结果对于未来如何利用和控制具有作业任务的变胞机构中的随机构态起到借鉴作用。     

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。     

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.     

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。     

多源不确定性下平面变胞机构运动可靠性分析

变胞机构可根据环境和工况的变化及需求,进行重组和重构,在机器人领域得到广泛应用.变胞机构可变拓扑结构特性,使得分析多源不确定性下变胞机构全构态运动可靠性更为困难.以多源不确定性下平面五杆变胞机构为研究对象,提出一种适应交变温度工况的变胞机构全构态运动可靠性分析方法.建立温度载荷下连杆制造公差-热变形、关节配合公差-热变形的耦合模型,采用服从截断正态分布的随机参数和区间参数描述连杆尺寸、转动副和移动副间隙的不确定性,基于变胞特性建立变胞机构全构态运动误差传递模型,结合区间优化算法和蒙特卡洛算法建立多源不确定性下变胞机构全构态运动可靠性模型.基于提出的方法,分析了交变温度工况下变胞机构全构态运动可靠性分布规律,并分析了不同孔轴配合、连杆公差等级及其热膨胀系数对变胞机构全构态运动可靠性的影响规律.     

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.     

剪叉弯曲折展变胞机构的设计与分析

提出了一种基于剪叉机构单元的剪叉弯曲折展变胞机构单元,给出了构造该变胞机构的约束条件。建立了该机构单元运动的数学模型,通过计算分析了该机构的自由度和运动形式。提出了剪叉弯曲折展机构单元在剪叉机构运动和弯曲机构运动状态转变的工程实现方法,并通过计算分析得到了实现该方法所需的杆长约束条件和角度初始条件。提出了控制机构单元弯曲曲率的方法,通过数值计算得到了限位连杆长度与弯曲曲率的定量关系。该机构单元可以串联组合用于大尺寸物体的抓取。建立了单个机构单元以及两个机构单元组合的三维模型,进行了运动仿真模拟,验证了设计的可行性。     

2-PrRS-PR(P)S并联变胞机构运动学分析

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,设计一种新型可变转动轴线的2-PrRS-PR(P)S并联变胞机构。其中,两条分支能够利用移动副的位移变化改变转动副的转动轴线,从而改变机构运动输出。根据该机构特点,利用螺旋理论对机构进行自由度分析,利用封闭矢量法和几何约束关系建立机构位置正解和逆解模型,并通过求导得出机构的速度加速度方程;应用Matlab代入机构参数和位型参数,求解位置正解和逆解,绘制机构位姿图;利用Adams仿真验证了理论分析的正确性。     

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.