变胞机构理论与应用研究概述

阐述了变胞机构的特点及其结构学、运动学、动力学、控制、柔性建模及设计等若干理论问题。介绍了矢量法、矩阵法、指数积方法等几种运动分析方法,比较了Newton/Euler法、Lagrange方法、Kane方法、Roberson/W ittenburg方法、高斯最小约束原理法等几种动力学建模方法的优缺点,提出了变胞机构的几种控制方法和柔性变胞机构建模中存在的几个关键性的问题。最后概述了变胞机构的应用领域,展望了变胞机构的应用前景。

一种基于变胞机构的智能药箱的创新设计

针对现有助老药箱存在智能化程度不高、功能单一等缺点,无法有效解决独居老人定时定量吃药的问题,设计了CareKit助老药箱,包含常用的液体药部分、颗粒药部分、片装药部分。液体药部分采用自适应夹持七杆机构与螺杆螺母组合的变胞机构,实现液体药瓶的夹紧、倾斜倒药;螺母旋转带动六杆机构实现夹紧瓶盖、继续转动变化为三构件机构实现瓶盖拧开。颗粒药部分设计槽轮机构依次实现取药袋、夹持剪切、倾倒药袋、杯装药退出四个动作。片状药部分由双转盘结构与风机吸气配合,按量取出预存的药片。增设一键紧急呼叫以应对老人突发事故。CareKit助老药箱很好地解决了独居老人定时定量吃药问题,具有较好的应用前景。

柔性变胞机构的研究现状与发展

变胞机构具有自我重组和重构的特性,自提出以来迅速成为机构学领域的研究热点。柔性变胞机构是变胞机构新的研究方向,具有柔性机构和一般刚性变胞机构的双重优点。根据近几年的研究成果,从柔性变胞机构的概念、分类、结构学、运动学及动力学等方面对柔性变胞机构的研究进行了分析和总结。结合柔性变胞机构的实际应用,提出现阶段研究需要解决的关键性问题并对潜在的研究方向进行了展望。

基于构态变换的变胞机构结构综合

讨论了一种在运动中构态可变并改变自由度的新机构。基于构态变换的矩阵运算,提出了变胞机构结构综合的新方法。从其终态出发,应用终态的拓扑结构及其相应的邻接矩阵,进行了杆件添加和相应构态变换的矩阵运算,研究了所有组合可能性,并应用拓扑对称性去除重复情况,从而综合出新的变胞机构。

变胞机构的研究综述与展望

随着变胞机构研究的深入,变胞机构理论和应用也不断地发展和创新,有必要将现有的研究成果加以总结和分析,对未来的发展趋势进行展望,以促进变胞机构理论和应用的进一步发展。在变胞机构研究的基础上,介绍变胞机构的起源和意义,提出判定条件和5种变胞方式及其实现方法。并按照变胞机构的结构学、运动学、动力学、柔性变胞机构等方面,对变胞机构理论的研究现状进行阐述。鉴于变胞机构的结构学研究较多,按照变胞机构的构态描述方法、结构分析方法和结构综合方法等3个方面进行总结。并介绍变胞机构在航天、现代制造业和机器人等领域的应用现状。对于变胞机构的未来发展趋势进行构想和展望,提出几个未来潜在的研究方向。

变胞原理和变胞机构类型

追述了变胞机构的发展,首次阐述了变胞原理及其在变胞机构的应用。进一步探讨了变胞机构与其他机构的区别,提出了变胞机构的延伸和分类,有助于挖掘具有变胞特性的原有机构和设计构造新的变胞机构。探讨了变胞方式,阐明了数学模型在变胞构态演变中的运用。并进一步运用各种例子,探讨了变胞机构在国内外的发展和在机器人以及制造业的应用,尤其是变胞原理在机器人及机器手的应用。该研究奠定了变胞机构的理论基础,为变胞机构新的研究和发展开拓了道路。

一种变胞机构——魔术花球的自由度分析

介绍了一种常以手工艺品形式出现的可高度展开、折叠的变胞机构。通过去除不影响机构自由度的运动子链,进行了机构的结构分解,得到了空间并联四分支及三分支机构等基本运动链。运用旋量理论对各运动子链进行了虚约束和公共约束的判定,计算了它们的自由度。基于对魔球机构结构分解和虚约束的系统分析,提出了魔球机构自由度分析的理论基础,得到了其自由度及特点。应用回路连接矩阵对结果进行了验证。

描述变胞机构构态变换的邻接矩阵法

根据变胞机构的变胞原理,提出变胞机构的三种变胞过程:杆件增加、杆件减少和杆件数不变仅拓扑结构发生变化。在研究变胞机构的三种变胞过程后,提出用邻接矩阵变换的方法来描述变胞机构的变胞过程,同时提出用于相应邻接矩阵变换的4种初等矩阵。矩阵变换法能清楚地描述机构在变胞过程中,各构件的邻接特性变化以及增加或减少的构件数。采用矩阵变换法来描述机构的变胞过程,将变胞机构的构态变换转化为一系列矩阵运算,普遍适用于各种变胞机构的构态变换分析。变换过程全部由矩阵实现,且不需对新机构重新编号,易于计算机编程运算。

一空间变胞机构的拓扑结构变换和对应的矩阵演算

拓扑结构变化是变胞机构的一个特征。概括了矩阵演算在拓扑结构变化中的应用,揭示了E单位变换矩阵和U单位消元矩阵与机构拓扑变化的关系,从而演示了对应于拓扑变化的矩阵演算。重点分析了一空间变胞机构。应用矩阵演算去描述该机构的多种结构变化,从而预测此机构的新构态,并展示了各拓扑构态衍生的新机构。这一分析揭示了两种拓扑变化类型的矩阵演算规律。

变胞机构全构态动力学模型及其数值仿真研究

依据Kane方程建立了变胞机构任意构态的动力学方程。引入广义速率的变换矩阵,建立了包含所有构态的变胞机构全构态动力学模型———一种组合式的微分/代数方程;全构态动力学模型用正交补阵的方法求解,根据变胞机构的特征,引入其构态切换条件;最后通过数值仿真算例说明该方法的应用。动力学仿真结果表明,变胞机构由一个构态向下一个构态切换的瞬时,机构将产生很大的冲击力。

变胞机构冲击运动的研究

在构态变化时,变胞机构常常发生冲击。为了探讨变胞机构在构态变化时的冲击特性,根据高斯最小约束原理和Lagrange乘子法,研究了求解变胞机构发生冲击后瞬间速度的方法,得到了求解存在约束情况下发生冲击后瞬间速度的方程式,给出了求解变胞机构构态变化时构件和运动副所受冲击的方法,从而为控制变胞机构冲击提供了理论基础。

柔性变胞机构动力学建模及仿真研究

基于柔性变胞机构由于特殊的结构和运动形式,其动力学方程是非线性的,基于第一类拉格朗日方程,推导出柔性变胞机构任意构态柔性体的质量矩阵、刚度矩阵及广义主动力矩阵,建立柔性变胞机构任意构态的动力学控制方程,为实现对柔性变胞机构的精确控制打下基础;另外,根据杆件增加和减少两种情况下的构态变换矩阵推导出全构态柔性变胞机构的动力学模型.以4构态的柔性变胞机构为例,建立动力学方程并仿真验证所建立的全构态动力学模型的正确性和有效性.

一种伞式可折叠柔性变胞机构的设计分析研究

柔性变胞机构是一种依靠柔性构件变形实现构态变化的机构,利用柔性机构的某些特性可以综合提高变胞机构的性能和效率。提出一种伞式可折叠柔性变胞机构,该机构综合了变胞机构和柔性机构两大特点。利用伪刚体模型理论对该机构进行拓扑学,运动学及稳态分析。最后,对该机构进行运动学仿真,结果表明伪刚体模型法适合于柔性变胞机构的分析与设计。

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。

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。

变胞机构的分类及其构态分析

对变胞机构进行科学的分类,是变胞机构分析与综合的基础,是对其进行运动学及动力学研究的关键。根据变胞机构的本质特征对其进行了分类,即把变胞机构分为Ⅰ类变胞机构、Ⅱ类变胞机构、Ⅲ类变胞机构和Ⅳ类变胞机构,同时给出了4个典型例子并对其进行了构态分析。

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。

柔性变胞机构中的混沌现象研究

柔性变胞机构由于其特殊的结构和运动形式,其动力学方程具有很强的非线性,将有可能导致运动呈现混沌现象.依据变胞机构全构态动力学模型,研究了双柔性机械臂动力学中的混沌现象.根据计算得到的Lyapunov指数及机构的相图,验证了柔性变胞机构中存在混沌现象.

一种新型并联变胞机构的设计与分析

3-UPU并联机构的动静平台虎克铰关节轴线在满足不同的几何约束条件下可分别具有平动和转动的输出特性。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3-UPU并联机构构态转换实现机构。此机构由结构相同的上下两部分运动链组成,通过改变其连接关系可实现3-UPU并联机构动静平台虎克铰轴线在平行和汇交之间变化,达到改变其运动输出的目的,从而形成一种新型并联变胞机构。由于变胞机构具有多组耦合关系,合适的构态转换位置是影响后续构态机构工作性能的重要因素,应用螺旋理论分别进行其各构态机构的自由度分析,并以机构工作空间为例分析构态转换位置点对其工作性能的影响。

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。