Structural Synthesis of Compliant Metamorphic Mechanisms Based on Adjacency Matrix Operations

A compliant metamorphic mechanism attributes to a new type of metamorphic mechanisms evolved from rigid metamorphic mechanisms. The structural characteristics and representations of a compliant metamorphic mechanism are different from its rigid counterparts, so does the structural synthesis method. In order to carry out its structural synthesis, a constraint graph representation for topological structure of compliant metamorphic mechanisms is introduced, which can not only represent the structure of a compliant metamorphic mechanism, but also describe the characteristics of its links and kinematic pairs. An adjacency matrix representation of the link relationships in a compliant metamorphic mechanism is presented according to the constraint graph. Then, a method for structural synthesis of compliant metamorphic mechanisms is proposed based on the adjacency matrix operations. The operation rules and the operation procedures of adjacency matrices are described through synthesis of the initial configurations composed of s＋1 links from an s-link mechanism （the final configuration）. The method is demonstrated by synthesizing all the possible four-link compliant metamorphic mechanisms that can transform into a three-link mechanism through combining two of its links. Sixty-five adjacency matrices are obtained in the synthesis, each of which corresponds to a compliant metamorphic mechanism having four links. Therefore, the effectiveness of the method is validated by a specific compliant metamorphic mechanism corresponding to one of the sixty-five adjacency matrices. The structural synthesis method is put into practice as a fully compliant metamorphic hand is presented based on the synthesis results. The synthesis method has the advantages of simple operation rules, clear geometric meanings, ease of programming with matrix operation, and provides an effective method for structural synthesis of compliant metamorphic mechanisms and can be used in the design of new compliant metamorphic mechanisms.

Configuration Analysis of Metamorphic Mechanisms Based on Extended Adjacency Matrix Operations

The adjacency matrix operations,which connect with configuration transformation correspondingly,can be used for analysis of configuration transformation of metamorphic mechanisms and the corresponding algorithm can easily be simulated by computer.But the adjacency matrix based on monochrome topological graph is not suitable for the topological representation of mechanisms with multiple joints.The method of adjacency matrix operations has its own limitations for analysis of configuration transformation of metamorphic mechanisms because it can only be used in the topological representation of mechanisms with single joints.In order to overcome the drawback of the adjacency matrix,a kind of new matrix named as extended adjacency matrix is proposed to express topological structures of all mechanisms.The extended adjacency matrix is not only suitable for the topological representation of mechanisms with single joints,but also can be used in that of mechanisms with multiple joints.On this basis,a method of matrix operations based on the extended adjacency matrix is proposed to analyze the configuration transformation of metamorphic mechanisms.The method is not only suitable for configuration analysis of metamorphic mechanisms with single joints as well as metamorphic mechanisms with multiple joints.The method is evaluated by calculating two examples representing metamorphic mechanisms with single joint and multiple joints respectively.It can be concluded that the method is effective and correct for analysis of configuration transformation of all metamorphic mechanisms.The proposed method is simple and easy to be achieved by computer programming.It provides a basis for structural synthesis of all metamorphic mechanisms.

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。

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。

基于变胞原理的变自由度机构拓扑型分析

变自由度机构是一类具有特殊用途的机构。根据自由度的变化规律对变自由度机构进行了分类;利用变胞机构原理和拓扑理论对变自由度机构自由度的变化过程进行了构态变换描述。提出了一种对不同类型的变自由度机构进行拓扑型分析的“杆-杆”合并的新方法,由于把机构的型分析问题转化为矩阵计算,该方法可推广应用于更复杂的问题,并有利于在计算机上进行机构型分析。通过实例对该方法进行了验证。

描述变胞机构构态变换的一种新方法及其在构型综合中的应用

通过分析变胞机构的拓扑构态变换过程,提出一种能描述杆件减少过程中任意杆件合并的矩阵表达新方法,此方法不需要进行行列变换就可得到简洁的终态矩阵,且不影响原机构杆件的编号。以此方法为基础,阐述杆件数增加或不变的变胞机构拓扑构态变换的数学描述和实现方法。根据变胞机构构态变化规律和平面机构构型综合的拓扑相关性,提出基于变胞机构拓扑构态变换的数学描述进行平面闭链机构构型综合的新方法,给出单自由度闭链构型综合的实现方法和步骤,并以8杆机构构型综合为例进行应用说明。

描述变胞机构构态变换的关联矩阵法

基于变胞机构的变拓扑结构特性,提出了3种基本变胞过程:构件数目变化、运动副数目变化和连接方式变化,这些过程的组合使用可实现全部变胞要求。为了完整、简便、清晰地描述构态变换过程,提出运用含有运动副类型的关联矩阵及其逻辑运算对变胞过程进行描述,同时给出了构态变换方程的逻辑表达式和实现变胞过程的4种基本变胞矩阵。该方法能直观地描述出构态变换的过程和目的,变胞矩阵构造简便,与传统数学运算相比运算次数少,且变换过程中不需要对构件重新编号,有利于形成变胞机构计算机辅助设计方法。

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.

一种新型平面-空间多面体可重构变胞机构的设计与分析

基于变胞机构的概念,结合多面体包装纸盒棱边成形原理,将多面体各棱边等效为杆件,各顶角等效为铰链,并以八面体为例,抽象出一种新型平面-空间多面体变胞机构,分析该机构可动条件,应用邻接矩阵及旋量理论分析该机构各构件间的连接与运动关系,并基于可重构理论,演化设计出具有可重构功能的平面-空间多面体变胞机构。所设计的新型机构既能够实现平面拓扑与空间多面体拓扑结构间变换,又可生成不同尺寸与不同形状的多面体构型,可作为机器的骨架或执行器应用于包装机器人、航空航天及其他工业应用领域。

基于骨架树的机械零件三维模型检索方法

提出了一种基于骨架树进行机械零件三维模型检索的方法。检索分为两个阶段。第一阶段首先提取机械零件三维模型骨架,然后将骨架转换成骨架树并用邻接矩阵来描述骨架树的拓扑结构特征,通过比较邻接矩阵特征值之和迅速完成零件拓扑结构匹配,实现零件的初步筛选。将大量与待匹配模型拓扑结构差异较大的模型过滤掉,极大地减少了第二阶段的匹配计算量。第二阶段首先寻找匹配的骨架子树,其次在匹配子树的基础上搜索骨架枝匹配对,进而采用空间离散曲线的曲率和弗朗内特标架进行空间曲线相似性计算,得到整个骨架形状相似度。通过实例验证与试验分析,该方法快速有效,具有较高的准确性和良好的鲁棒性。

盒式柔性变胞机构的构态研究

变胞机构是一类具有自我重组和重构特征的机构。要进行变胞机构的动力学建模和分析,必须先进行构态分析,采用规则编号法和拓扑图相结合的方法描述柔性变胞机构的构态,并引入关联矩阵、邻接矩阵和通路矩阵来描述变胞机构体间的关系。

一种柔顺机构结构模型与自由度计算

在分析柔顺机构基本结构的基础上,针对柔性铰链的复杂性,给出了柔顺机构结构模型的表示方法及基本准则,基于结构模型提出了柔顺机构结构拓扑图和邻接矩阵的表示方法。针对柔顺机构在有效运动范围内具有确定运动的特点,提出了有效自由度的概念并给出了计算方法,避免了可变自由度的产生。以柔顺捕鱼钳为例分别验证了结构模型、拓扑图、邻接矩阵及自由度计算对于柔顺机构分析是有效的。

基于缩杆邻接矩阵的平面运动链同构识别

在研究了平面机构运动链结构不变量的基础上,基于缩杆邻接矩阵提出了3个新的运动链结构恒量序列,这些恒量序列将杆的级别、运动副数目以及各杆的连接关系考虑在内。并进一步提出了以它们对运动链进行同构识别的缩杆邻接矩阵法,该方法具有操作简单、可靠性好、识别效率高等特点。

平面运动链类型综合的基杆构形树法

在对平面机构闭式运动链结构组成进行研究后,提出运动链类型综合的基杆构形树法。首先,针对给定的构件数与自由度,基于缩杆邻接矩阵综合出运动链连杆序列、缩杆序列、构件度序列以及基杆联结度序列等恒量序列。然后,归纳出基于缩杆邻接矩阵对运动链进行类型综合的方法与步骤,定义了基杆构形树,并用基杆构形树综合出运动链的基杆构形矩阵,进一步研究了综合运动链联结矩阵的缩杆匹配方法。由于基杆构形树法在综合过程中按杆的级别、运动副数目以及联结关系等结构不变量将运动链进行了分类细化,因此综合规律性强、效率高,有利于减少后续刚性子链消除与运动链同构识别的计算量,尤其适合于多杆多自由度平面机构闭式运动链的计算机自动综合,并在12杆以下平面机构闭式运动链的类型综合中得到成功的应用。同时,以10杆单自由度机构运动链的类型综合为例进行了实例分析。

变胞机构的构态变换矩阵与运动副方位变胞

针对邻接矩阵不能用于运动副方位变胞的问题,构建了一种描述变胞机构结构拓扑和构型演化的构态变换矩阵。该矩阵提供了运动链连接状况、运动副类型和运动副方位特征信息,使各类运动链都可应用该构态变换矩阵进行描述。给出了基于该构态变换矩阵的运动副方位变胞的基本原理和方法。首先构造平面运动链的构态变换矩阵,然后构造对应的带有消极自由度的平面运动链的构态变换矩阵,进而改变矩阵中某些运动副的轴线方位,构造出变胞后的运动链的构态变换矩阵,最后根据构态变换矩阵的拓扑信息,构造对应的机构结构简图,实现运动副方位变胞。实例表明,给出的构态变换矩阵结构简单,便于构造,信息量大;提出的变胞方法便捷可行。

Epsilon算法在汽车结构设计分析中的应用

基于矩阵摄动法和Epsilon算法,给出了一种新的结构修改静态重分析方法。该方法直观、容易实施,计算量比重新求解小。将该方法应用于汽车车架的设计计算中,结果表明:与 Kirsch组合近似法比较,即使汽车车架结构参数修改比较大时,应用该方法也能得到满意的结果。

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.

一种变胞式码垛机器人机构设计分析

以码垛机器人机构为研究对象,将变胞机构的概念引入码垛机器人机构的设计,设计一种能够实现单自由度和两自由度间转变的码垛机器人机构,使其在两自由度时,具有可控机构的柔性控制特性,灵活实现码垛机器人抓取及装卸动作的精确定位,在单自由度工作式,具有较好的运动稳定性,实现码垛机器人稳定的搬运动作。应用邻接矩阵及旋量理论分析了该机构各构件间的连接与运动关系,为此类机构在工业机器人上的实际应用提供了一定参考。

一种圆柱壳体圆孔切割机构变胞特性分析

提出了一种新型的变胞切割机构,应用于机械设备尤其是舰艇圆柱壳体表面的孔切割.通过变胞切割机构的拓扑结构的变化,使机构自由度发生改变,以适应在切割过程中切割圆孔直口、在所开孔上切割变角度坡口,以及在直口切割和坡口切割之间进行切割状态转化的要求.在对其进行机构原理和2个构态下的自由度分析的基础上,应用拓扑结构图论和邻接矩阵分析了变胞切割机构在2个构态下的各个构件间的连接状态.建立了变胞方程和变胞矩阵,用以分析和描述整个变胞过程.理论分析结果说明了该机构的有效性和实用性。