基于运动副变胞实现的变胞机构构型综合

变胞机构具有可变拓扑结构的特点,其构型综合的难度很大.文中通过分析变胞运动副的约束变化特征和结构实现方式,提出一种变胞机构构型综合方法.采用约束函数的算术运算描述运动副在增加、消除和改变类型共3类变胞过程中的约束变化特征;通过归纳设计常见运动副变胞的结构形式,构建变胞运动副结构设计目录;以此为基础,结合形态学矩阵法构造变胞源机构,通过求解变胞运动副的约束变化特征,选择变胞运动副结构,综合变胞机构构型.示例表明,文中方法不仅能综合出多种满足功能需求的变胞机构构型,还能改进机构结构与性能.     

多孔腔镜手术机器人翻展机构设计与优化

提出一种新型多孔腔镜手术机器人翻展机构.以人体腹部微创手术切入点实际约束为需求,基于机构拓扑综合理论,在关节耦合类平行四边形机构基础上,通过改变运动副数目设计具有冗余自由度的远心机构,简称翻展机构.运用Solidworks与Workbench相结合的方法,对各个关节进行结构设计与轻量化分析.基于D-H法对翻展机构进行了正逆运动学求解.用ROS-Kinetic仿真器搭建仿真环境,验证了新型翻展机构构型的合理性.     

单铰运动链的型综合——拓扑胚图的构建

运动链构型综合是机械创新设计的重要途径之一,提出了一种基于拓扑理论的运动链型综合方法,通过机构的自由度、构件数与运动副数的关系,确定杆型组合,再利用结构树法构建机构拓扑胚图,从而为下一步拓扑图的有序构建打下基础。     

单铰运动链的型综合——拓扑胚图的构建

运动链构型综合是机械创新设计的重要途径之一,提出了一种基于拓扑理论的运动链型综合方法,通过机构的自由度、构件数与运动副数的关系,确定杆型组合,再利用结构树法构建机构拓扑胚图,从而为下一步拓扑图的有序构建打下基础。     

平面2T1R并联机构无过约束构型设计

基于螺旋理论和集合论原理,根据动平台所受约束与支链约束之间的关系,分析平面2T1R并联机构无过约束构型条件,得到了6种3支链结构的约束配置方式.根据支链约束要求,采用转动副和移动副设计具体的支链结构,并按不同支链间约束配置方式确定各支链运动副轴线的几何布置,综合出了一类新的完全对称结构和非完全对称结构无过约束平面2T1R并联机构.     

平面变胞机构及其结构分析

首先定义了变胞机构和变胞运动副的概念,提出了5种类型的变胞运动副,并对它们的特性和原理进行了详细的研究;通过变胞机构中自由度变化分析,提出了变胞机构中变胞运动链的概念,研究了变胞机构的结构组成原理和变胞机构的结构分解步骤,为变胞机构构态变换和机构的综合打下了坚实的基础.     

基于分形理论的混联机器人构型设计方法

为综合得到混联机器人构型,基于分形理论提出了一种新的混联机器人机构构型设计方法,其能够有效地解决多路径横向非典型混联机构构型的设计问题.首先,阐述了机构拓扑图和分形理论的概念;其次,建立了运动副及其空间方位关系的二进制码,规定了为求解机构拓扑图的路径法则和用以推导运动副的输出位移子集的串并联计算法则;然后,根据分形理论推导出分形后的机构拓扑图,并适配运动副从而获得混联机器人机构的整体构型;最后,根据该构型设计方法,实现了2T1R三自由度混联机构的构型设计,并对综合后的混联机器人机构进行分析,验证了该构型设计方法的可行性.     

利用分形理论的3T1R混联机构型综合

为综合得到三移动一转动(3T1R)混联机构,利用分形理论和机构拓扑图,提出了一种全新有效的混联机构型综合方法,主要思想是将混联构型转化为连杆机构,机构拓扑图作为连杆机构的主体,运动副作为杆件的组成元素。根据分形理论,对机构拓扑图进行有序分形,并通过输出位移子集的排列组合和适配运动副,实现了混联机构构型的多样化。提出了可用于求解复杂机构拓扑图的多路径输出的路径法则,并且规定了用于推导运动副位移子集的串并联计算方法。根据机构拓扑图和分形方式,将混联机构按有、无横向支链分为2种类型。建立了分形与混联机构的关系模型,在数理逻辑关系上使机构设计与分形理论得到了统一。采用Matlab编程的形式综合出了3T1R四自由度混联机构,实现了其中一个混联机构的构型设计,并验证了构型设计方法的正确性。     

变胞机构运动特性的旋量代数分析方法

针对已有拓扑结构描述方法无法分析变胞机构的空间结构和运动特性的局限性,提出了变胞机构结构变换的旋量邻接矩阵描述新方法.在此基础上进一步提出了变胞机构运动特性的旋量代数分析方法,这种方法是通过旋量邻接矩阵确定运动螺旋的齐次线性方程组,通过齐次线性方程组的基础解系确定反螺旋系,并得出动平台的运动螺旋系,从而确定变胞机构在各构态的空间结构、构件数和运动副数、自由度等特性.提出了一种新型4-URU并联变胞机构,并采用所提出的方法对这种并联变胞机构进行运动特性分析,验证了所提出方法的正确性和有效性.     

完全各向同性解耦3T1R型并联机器人构型综合

为综合得到完全各向同性解耦并联机器人构型,基于GF集理论提出了一种简单而有效的构型综合方法.阐述GF集的基本概念、运算法则,转动特征存在条件;给出机构输入运动副选择原则和分支设计准则,确保了并联机构运动各向同性及解耦性;根据该构型综合原理,实现了3T1R的4自由度完全各向同性解耦并联机构型综合,得到了大量新构型;针对所综合的一种新型并联机构,运用螺旋理论求解其机构的自由度并推导其雅克比矩阵,验证了该机构的完全各向同性,也进一步证明了该构型综合方法的有效性.     

两移动三转动完全解耦混联机器人机构型综合

为综合得到两移动三转动(2T3R)完全解耦混联机器人机构,基于GF集理论提出了一种简单而有效的解耦混联机构型综合方法,并且给出了完全解耦混联机构型综合的具体设计步骤。首先分析了GF集的运算法则;接着通过GF集元素组合公式和混联机构数综合方程构造了混联拓扑结构,并结合机构输入运动副选择原则和解耦分支设计准则,确保了混联机构运动的解耦性;然后根据该构型综合方法,完成了完全解耦2T3R五自由度混联机构的型综合过程。运用该型综合方法,得到了构成2T3R解耦混联机构各模块单元的组合形式,再以其中一种组合形式为例,综合出了2T3R五自由度完全解耦混联机构,并得到了大量新构型。针对该完全解耦混联机构,求解了机构位置的正解解析表达式,推导出了机构的雅可比矩阵,进而依据此雅可比矩阵表达式,验证了混联机构的完全解耦特性,进一步证明了该构型方法的正确性。基于GF集的完全解耦混联机构型综合方法可用于具有确定运动特征的解耦串联、并联以及混联机构的构型设计。     

一种新的考虑柔顺度要求的结构拓扑优化方法

为了解决拓扑优化分析计算量大和材料分布等问题,提出一种不影响算法收敛性的设计空间调整手段.针对体积约束和柔顺度最小的结构拓扑优化问题,采用变体积约束限的方法控制柔顺度变化的步长,然后,根据优化准则法,提出一种新的考虑柔顺度要求的结构拓扑优化方法.研究结果表明:该方法具有较高的求解效率,同时能够获得较好0～1分布特征的优化拓扑.     

2-PrRS-PR(P)S并联变胞机构自由度分析与仿真

针对并联机构输出自由度固定,难以适应变化的环境和工况的问题。根据变胞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副轴线的2-PrRS-PR(P) S并联变胞机构,通过机构的变胞实现机构在不同构态下输出自由度和工作空间的变化。2-PrRS-PR(P) S机构包含3个分支、动平台和静平台,利用移动副作为驱动副,其中分支2和分支3能够通过改变移动副的位移来改变的可转轴线转动副在滑槽中的位置,进而改变其转动轴线的方向,且分支1上连杆的移动副在轴线变化时被动作用,实现机构不同构态的变化。根据机构特点,利用螺旋理论对2-PrRS-PR(P) S机构2个工作构态进行自由度分析和计算,应用多自由度并联机构输入选取理论确定主动输入副。利用SolidWorks软件建立三维实体模型,并将2种工作构态模型分别导入到ADAMS软件,对其进行自由度的分析和验证。计算和仿真结果表明机构工作构态1具有x轴和y轴方向转动自由度、z轴方向移动自由度;机构在构态3具有x轴和z轴方向转动自由度、y轴方向移动自由度。机构能够根据需求改变工作构态实现输出变化。     

基于参数化水平集法的约束阻尼结构动力学拓扑优化

约束阻尼(CLD)结构拓扑优化是轻量化设计下实现振动与噪声控制的有效手段。结合约束阻尼结构的有限元模型,以前两阶模态损耗因子及其加权最大化为目标函数,以参数化水平集函数的扩展系数为设计变量,以约束阻尼材料用量为约束条件,建立了基于参数化水平集法(PLSM)的拓扑优化模型。基于伴随向量法推导了目标函数对设计变量的灵敏度,采用优化准则法更新设计变量。算例结果表明:基于参数化水平集法对约束层阻尼结构进行拓扑优化是可行有效的,且以基板结构应变能分布构建初始构型可提高优化效率。此外进一步讨论了在附加质量保持不变的条件下,约束层材料和阻尼材料厚度变化对约束阻尼材料模态损耗因子和最优构型的影响规律。     

1自由度8杆单铰LEMs构型的研究

提出一种Lamina Emergent Mechanisms(LEMs)机构综合方法,对1自由度8杆LEMs构型进行研究,该方法能够求解包含单铰转动副,以及机架和主动件变换的LEMs机构综合问题.首先,通过构造平面运动链的杆组邻接矩阵,求解基于1自由度8杆的所有平面机构的可能连接方式.其次,基于杆件和自由度的数目,分析包含各级Assur杆组的所有装配方式,构建杆组邻接矩阵的框架.再次,依据一定的约束条件,将第一级及之后的杆组依次装配到主动件和机架或者前级杆组上,并且同步辨识同构体,从而获取仅含转动副的所有平面机构构型.最后,用相应的柔顺片段代替刚性片段,完成LEMs构型综合.     

基于可重构虎克铰链副的仿人变胞手设计与分析

三指手能够模仿人手的大拇指、食指和中指的姿态,从而实现仿人手的动作.变胞手掌的引入,更加提升了机械手的工作空间以及抓取可适应性.着眼于对手掌的仿生设计,基于可重构虎克铰链副(r T铰链副),设计出一款新型的仿人变胞手,使机械手可以部分模拟出人手的真实动作,从而增强机械手在空间中的抓取能力.将含有r T铰链副的六杆机构作为机械手的手掌,基于r T铰链副的可重构特性,使机械手的手掌在r T铰链副的不同构态下呈现出不同的运动方式,变胞手的手掌操作平面与Oxy平面的倾角以及手掌工作空间的大小也可以呈现不同的变化.因为当手指长度固定时,若要获得最大操作空间,机械手手掌的半径与物体半径有近似正比例对应关系,因此机械手掌半径的较大变化有利于提高机械手的抓取灵活性.此外,此机械手掌在非奇异构型下的单自由度特性也有利于机械手的控制,提高其工作稳定性.运用旋量系分解与基于公共约束和冗余约束的活动度扩展准则分析了该手掌在其工作空间内两个奇异位姿及其过渡姿态的活动度,并计算了新型变胞手在不同工作模式下手掌的工作空间大小及手掌工作平面位置,同时给出了手指操作平面倾角的变化与手掌半径的变化,展示了采用此变胞机构作...     

一种基于面的拓扑元素永久命名及辨识方法

通过对面的合并、分割拓扑结构演化和设计意图的分析,提出和实现一个基于面的拓扑元素新的命名和辨识方法.该命名方法采用基于面拓扑结构演化的动态命名和可变长字符串编码,将造型过程中面复杂的拓扑变化简单地通过一个可变长字符串编码描述;设置特征引用拓扑元素的实名和虚名,基于命名编码子集操作和特征拓扑相关性分析,辨识特征引用拓扑元素;并将边元素引用统一按基于面的命名和辨识方法处理.该法较好地实现了参数化特征造型中拓扑结构变化情况下拓扑元素的辩识,并成功应用于自主版权的基于历史和特征的造型软件系统--JhSolid中.     

多排行星齿轮动力耦合器的构型综合方法

根据行星齿轮机构的结构特点,提出了新三色拓扑图表示方法.将变胞机构的构态变换方法应用于混合动力汽车动力耦合器的构型综合,并将动力耦合器的多排行星齿轮机构的构型综合问题转化为行星齿轮机构邻接矩阵的运算问题.通过各阶段矩阵运算,将单排行星齿轮机构的邻接矩阵转换成多排行星齿轮的联合矩阵和邻接矩阵,进而得到多排行星齿轮机构的拓扑图和构型综合方案,为后续构型方案的同构判断提供数学模型.以双排和三排行星齿轮构型综合为例,得出多款行星齿轮拓扑构型方案,验证了上述方法的有效性,并采用模糊一致矩阵的优选方法得到几款适用于混合动力汽车动力耦合器的新型基础构型方案.     

基于末端任务特征的操作机构型综合

依据锻造操作机的末端运动特征与输入和输出关联特性,将构型任务分为3组。建立机构运动输出特征矩阵,以有序单开链单元作为设计目标对主运动机构特征进行构型综合,然后基于系统整体特性与操作机极端服役环境对3组特征进行整合构造,最终得到众多操作机整机构型。分析了部分具有代表性的典型机构与新型机构的输入和输出关联特性与控制解耦性。结果表明,就控制解耦性而言,所综合出的部分新构型要优于传统构型。     

基于再生运动链法的大车行走机构创新设计

针对轨道式起重机大车行走机构运行效率低、自重大和整机较高等问题,在对传统大车构成原理分析的基础上,采用运动链再生创新设计法对大车行走机构进行结构优化.首先利用胚图插点法对大车行走机构一般化后的运动链进行综合,得到了16种运动链图谱.随后根据大车行走机构的拓扑结构要求,在图谱中对至少具有2个三副杆且其一连接3个二副杆的运动链图进行筛选,得到了满足构型要求的3种运动链.最后为满足轮压均载的需求,优选了一种最佳方案,即含有连杆均载机构的新型三轮大车行走机构.结果表明,相比同规格传统机构,新型大车机构样机降低了机构质量与设计高度.此外,该方案还可进一步推广至四轮大车行走机构中.