用虚拟环约束表示的机构自由度公式

本文介绍了用约束数表示的自由度公式的几个重要的发展阶段，指出了以往用环路公共约束表示的自由度公式的不足之处是：在处理含有虚约束机构时，必需通过计算虚约束数，才能得出正确的自由度结果．为克服这一缺点，本文用虚拟环路、虚拟环约束、广义副约束数等新概念，分析了构件的自由度数和运动副约束数之间的关系，给出了用虚拟环路公共约束表示的自由度公式．得出了机构自由度是机构所有构件自由度之和与所有运动副约束数之差，再加上各虚拟环公共约束之和的计算公式，以及机构总的过约束数就是各虚拟环约束数之和的重要的结论．这种用虚拟环公共约束表示的机构自由度公式，能避开虚约束的计算．通过多个计算实例，证明了虚拟环路法对自由度分析的正确性、有效性和适用性．     

机构自由度、原动件和执行构件关系的一般问题研究

在工程实践和理论研究中经常会遇到机构自由度与原动件数目不相等的情况,这是经典机构自由度理论所无法解释的.针对这一问题,从对偶或二元性概念出发,提出了机构运行规律的对偶描述.以键合图理论为工具,建立了一般理想机构端口描述的结型结构方程,给出了机构自由度的功能描述.在能量传递分析和信号因果分析的基础上,提出并定义了“运动传递自由度”的对偶概念“力传递自由度”.利用自由度公式的结构描述、功能描述和对偶描述,进一步论述和分析了运动传递自由度与力传递自由度两者之间的关系,从而给出了机构自由度与原动件、执行构件关系更一般的描述.最后分析了几个典型理想机构的自由度、原动件和执行构件之间的关系.     

少自由度并联机器人机构的型综合原理

通过分析少自由度并联机器人机构的结构约束螺旋特性和几何条件, 建立了少自由度并联机器人机构型综合理论, 并用此对少自由度并联机器人机构进行了综合, 得到多种有应用前景的机构.     

一类少自由度并联构型装备运动学标定方法研究

以一种外副驱动含平行四边形支链的三平动自由度并联机床为对象, 研究少自由度并联构型装备运动学标定方法. 首先建立末端可控与非可控位姿误差与结构误差的映射关系, 并据此构造出具有分层递阶格式的参数辨识模型. 针对少自由度并联机构的特点, 提出一种通过修正系统输入实施误差软件补偿的方法, 并通过实验验证其有效性.     

基于约束螺旋理论的机构自由度分析的普遍方法

系统总结和陈述了基于约束螺旋理论的机构自由度分析的原理和方法，并进一步用典型的6个疑难机构的自由度为例介绍这一方法的应用．从这些例子可以看出，这个方法简单有效，相对别的方法更具有一般性．此外，这个方法对自由度瞬时性和连续性的判定也非常方便．相对而言，它成为当今有效分析自由度的一般方法，具有重要的科学价值和实用意义．     

基于螺旋理论的转动解耦并联机构型综合

随着并联机构研究的逐步深入,其内部耦合性的存在给其理论分析和实际应用所带来的困难愈发凸显.而作为在空间定向领域已获广泛应用的转动并联机构,目前绝大多数并不解耦.基于螺旋理论,通过分析转动并联机构自由度与分支自由度间关系,确定了并联机构转动条件;由分支运动螺旋系建立了分支型综合准则,保证了分支中转动的解耦;提出了输入运动副选择原则,形成了转动解耦并联机构型综合方法,并依此对转动解耦并联机构进行了综合.     

少自由度并联机构的位移流形综合理论

提出了少自由度并联机构基于李群理论的位移流形综合理论. 给出了全部9类少自由度并联机构的机构位移流形, 分支位移流形和保证所有分支位移流形之交集为期望机构位移流形的几何条件. 利用位移子群乘法运算的封闭性, 可得到不同结构的分支运动链. 使用这些分支运动链, 满足相应几何条件即可构建出具有期望自由度的并联机构, 并且其优点是无需判别机构的瞬时性, 依据此原理可以进一步根据多方面的实际需要综合新的机型.     

多环运动链环路代数基础理论的建立及其应用

基于运动链环路的数学描述, 首次提出了环路的“Å”代数运算及其基本规律, 建立了运动链环路代数体系基础. 基于此, 提出了运动链的基本环路集及其确定条件, 讨论了如何经过环路的代数运算得到有决定意义的运动链的周长拓扑图, 并形成特征周长拓扑图及其特征邻接矩阵. 此理论的最大特点就是对任意方式绘制、标号的运动链拓扑图, 运用该理论得到的运动链特征周长拓扑图及特征邻接矩阵都是唯一的, 它们与运动链是一一对应的. 这个特点首先极大地简化了同构识别, 并为拓扑图的数字化提供了理论基础, 为今后的机构的型综合以及进一步的机械设计的数字化和计算机化开辟了新的思路. 最后还提出了基于特征邻接矩阵的简便的运动链同构识别方法.     

用Loop细分曲面插值三角网格

利用Loop细分方法的极限点公式,给出了一种用Loop细分曲面插值三角网格的简单高效方法.其优点有:(1)局部性:改变一个待插值点的位置时,只影响其附近插值曲面的形状.(2)计算简单:新点直接由显式公式给出,不用解复杂的线性方程组.(3)易于实现:只改变第1步细分规则中的几何规则,其他步骤与Loop细分方法相同.(4)自由度多:有足够的自由度调节插值曲面的形状,得到使设计者满意的插值曲面.(5)易推广:几乎适用于任何逼近型细分方法,对逼近型细分方法的唯一要求是:初始顶点处对应的极限点公式由显式公式给出.     

一种两自由度球面并联机构的建模与分析

基于空间位姿变换和三面角余弦定理,对一种具有两转动自由度的球面并联机构进行运动学建模与分析,从而确定驱动器和末端执行器之间的角度、角速度和角加速度关系。采用虚功原理和一阶影响系数矩阵建立该机构的动力学模型,并通过数值仿真,求解了机构的逆动力学,进而得到了驱动力矩的变化规律。结果表明,运动轨迹规划不当会导致驱动转矩2过大,甚至超出了伺服电机的最大转矩,因此需要对机构的运动规划进行进一步优化,提高其稳定性和可靠性。该研究对提高该机构的运动稳定性和运动控制提供了理论基础。     

多工况拓扑优化问题的一种新解法——导重法

将导重法引入两类多工况拓扑优化问题的求解.首先介绍了导重法及其拉格朗日乘子的求法,并用对偶方法对多约束优化问题的拉格朗日乘子求法进行了改进;然后推导了用导重法求解最小柔度拓扑问题和最小质量拓扑优化问题的迭代公式并计算了相应的算例.算例计算结果表明,采用导重法求解多工况拓扑优化问题具有迭代公式简单、收敛速度快、求解效果好的优点.通过与Ansys中采用的SCP方法的计算结果进行比较可以看出,导重法是求解拓扑优化问题的一个行之有效的方法,它为拓扑优化问题的求解提供了一条新的途径.     

一种新型全姿态飞行仿真转台的运动学分析

针对三轴转台无法避免运动学奇异的缺陷,提出了一种四轴型全姿态飞行仿真转台,利用冗余自由度机构的特点,使机构始终保持提供三个自由度的运动.针对所提出的四轴转台的运动学正解问题,采用双欧拉法计算负载的姿态角,解决了全姿态欧拉角计算的奇异问题.针对四轴转台的运动学反解问题,采用基于伪逆的梯度投影法给出了带有性能指标优化的转轴角速度的最优解,然后用基于动态控制的方法获得转轴的角位置.提出的运动学反解算法能保证在获得期望姿态的同时,避免接近奇异位置和各轴的极限角位置.仿真结果表明,四轴型全姿态飞行仿真转台运动学性能明显优于三轴转台.     

一种刚柔统一的并联机构构型综合方法

刚、柔两类机构的构型综合问题一直是机构学领域的研究热点,但统一构型综合的问题尚未提及及讨论．基于对当前刚柔两类机构构型综合方法研究的现状分析,指出了可统一实现刚柔机构构型综合的可行性,并提出了一种以旋量系理论为理论框架,基于数学、物理与机械模块分层映射的机构构型综合思想．该方法的核心在于建立几何模块、运动（约束）模块与机械模块三者之间的映射关系,优点在于简单、可视化．基于所提出的模块分层映射方法,通过实例初步验证了该方法对刚、柔两类机构构型综合的有效性,为系统构筑可视化的刚柔机构统一构型综合（或概念设计）的算法及软件提供了理论支撑．     

一种2自由度球面并联机构动力学建模与伺服电机参数预估

TriVariant-B是一种新型5自由度混联机械手,由一个2自由度球面并联机构和1条与之串接的两转动一移动串联运动链组成,具有工作空间／支链行程比大及可重构性强等优点．在建立其2自由度球面并联机构逆动力学模型的基础上,提出一种可根据对末端执行器速度及加速度要求,预估机构中伺服电机转子惯量、额定转速及峰值转矩的方法,并结合样机开发验证了该方法的有效性．     

基于POD-Observer技术的非定常气动力建模方法

基于本征正交分解（POD）结合观测器（Observer）技术,发展了一种新的适合于气动弹性分析的非定常气动力降阶方法.通过全阶系统行为的样本采用POD方法导出一组流体模态.将POD训练的全阶响应投影到流体模态上,得到模态幅值的响应时间历程.经由deadbeat观测器处理,这些训练数据用于识别模态幅值动态系统的Markov参数.采用特征实现算法基于上述的Markov参数构建系统的状态空间模型.算例选取了亚声速流场中的二维翼型系统.结果表明降阶模型复现了全阶系统的主要动态特性,极大缩减了原系统的自由度数量并且显著提高了计算效率.     

具有自适应能力的轮-履复合变形移动机器人的移动机构与地面约束关系分析

针对非结构环境中路面软硬相间、平坦与崎岖并存的地形特征,提出并研制出一种对非结构环境具有自适应能力的轮-履复合变形移动机器人（NEZA-I）.NEZA-I由控制系统单元、尾轮单元和两个相同的可变形轮-履复合（Transformable wheel-track,TWT）移动模块组成.每个TWT模块能够在一个驱动力的作用下以轮式和履带式两种运动模式在复杂路面上运动,也能根据地面约束力而改变运动模式（即＂轮式-履带式互换＂）和调整运动姿态（即＂改变履带几何形状＂）.本文旨在介绍NEZA-I机器人的基本结构、驱动系统原理、运动模式及姿态,分析TWT模块内部构件之间运动关系,建立NEZA-I在一些典型的运动情形下移动机构与地面之间的约束关系的数学模型,探究TWT模块内部机构参数对机器人环境自适应性能的影响,优化机构参数.实验表明：NEZA-I移动机构平台具有较强的环境自适应性和越障性能,机构参数的优化结果是合理的,所建立的相关数学模型及参数的分析方法是正确的.同时也验证了NEZA-I自适应移动机构平台概念的可行性,从机构学的角度为机器人环境自适应性的研究提供一个思路.     

同时发生的颗粒凝并和沉积现象的Monte Carlo模拟

同时发生的颗粒凝并和沉积所导致的离散系统动力学演变过程数学上可由通用动力学方程描述. Monte Carlo算法是求解通用动力学方程的一类重要方法. 然而, 常体积法由于模拟颗粒数目的波动而存在着计算代价和计算精度无法协调的矛盾, 常数目法由于计算区域的不断收缩或扩展而难以工程实际应用和科学定量分析, 且这些Monte Carlo算法均依赖于子系统概念而大大限制了其扩展性和应用范围. 发展一种多重Monte Carlo算法求解同时考虑凝并和沉积的通用动力学方程. 该算法引入加权虚拟颗粒的概念, 基于时间驱动, 在颗粒尺度分布时间演变过程中同步保持恒定的虚拟颗粒数目和稳定的计算区域体积, 这使得MMC算法具有考虑边界条件、颗粒尺度分布空间扩散、甚至颗粒-流体动力学的可扩展性. 利用多重Monte Carlo算法对几种特殊工况进行数值模拟, 结果与理论分析解符合很好, 表明该算法具备较高且稳定的计算精度和较低的计算代价, 这是由于虚拟颗粒数目稳定且较少的缘故. 最后分析了该算法的误差源以及相对误差.     

基于改进的克隆算法的机构运动链同构识别

以节点表示构件、以边表示运动副建立拓扑图唯一表示机构运动链,并运用图论中两同构图的邻接矩阵可相互转换特性,提出判定机构运动链同构的准则.本文运用克隆算法优化目标函数求解,并提出保留更新算子 仿真结果表明,改进后的克隆算法收敛速度和运算效率大大提高,具有高效性和优越性,是一种机构运动链同构识别的很好途径.     

城市环路以单向交通为驱使系统的应用研究

单向交通是挖掘城市道路交通潜力即经济又有效的一种方法.环路单向交通与普通道路单向交通设置不同,它需要关闭环路一侧出入口:这样会造成环路外侧设施的闲置.所以,为充分利用现有道路资源;调整现有城市环路结构,是以环路单向交通为主、公交逆向行驶为辅的功能结构.它是占据3/4环路宽度为单向行驶道路;占据1/4环路宽度为公交车专用逆向行驶道路,并将逆向行驶一侧的辅路加宽一倍左右.当城市为多层环路时,可按单向交通环路对偶关系设置.这种设置倡导了一种新的出行理念,即驱使出行车辆往返途径的不同;错开了车辆的行驶方向,达到路网负荷均衡.本文以北京环路为例,针对城中心交通结构存在的问题,提出了完善城市环路交通驱使系统的改造方案.     

MPP系统芯片体系结构技术的发展

首先讨论芯片体系结构的演变,然后,分析3种计算模式的MPP系统芯片体系结构,在此基础上,提出统一改变的阵列处理器体系结构,同时实现了数据并行算法与非数据并行算法编程的简单性、高效性与通用性.