基于方位特征集的并联机构拓扑结构设计几何化方法及其自动生成算法研究

The most important part of original mechanical system innovation is mechanism topological structure innovation, i.e. invention of new mechanisms. There have been establihsed three types of method for mechanism topological structure innovation up to now: screw theory based method, displacement subgroup base method and the Position and Orientation Characteristic (POC) based method. There still needs a breakthrough in automation of mechanism topological structure design. This project will focus on the geometrical method for topological structure design of parallel mechanisms based on POC. Basic principles and algorithms for computer aided topological structure design will be proposed. The main contents include: (1) geometrical representation of POC of mechanisms. (2) algorithm for basic topological equation operation and its implementation. (3) algorithm for topological structure analysis of parallel mechanisms and its implementation. (4) algorithm for topological structure synthesis of parallel mechanisms and its implementation.(5) performance assessment and optimal selection of mechanism topological structures based on POC and its physical meaning.(6) automation generation for topological structure design of 2-6 dof parallel/hydrid automatic optoelectronic product testing platforms and optimization prototype implementation. This project will lay a solid foundation for development of proprietory topological structure design software and provide an effective tool for relevant design or research personnels.

机械系统原始创新的核心是机构的拓扑结构创新(发明新机构),现已形成三种主要方法:基于螺旋代数的方法、基于位移子群的方法,以及申请人原创的基于方位特征(POC)集的方法,而并联机构拓扑结构设计的自动生成将面临新的突破。本项目拟研究基于POC集的并联机构拓扑结构设计的几何化方法,提出其计算机辅助设计的自动生成基本原理及其算法,主要研究:(1) 机构拓扑结构与方位特征的几何表示方法;(2)机构拓扑结构学基本方程的算法及其实现;(3)并联机构拓扑结构分析的算法及其实现;(4)并联机构拓扑结构综合的算法及其实现;(5)基于拓扑结构特征及其物理内涵的机构结构类型的性能评价与及其优选方法;(6)应用：2-6 dof并/混联光电产品自动检测平台机构拓扑结构的自动生成及原理性样机的研制。本项目将为开发具有我国自主知识产权的并联机构拓扑结构创新设计软件奠定坚实基础,为有关设计与研究人员提供方便、实用的有效工具。

根据申请人创建的基于方位特征方程的并联机构拓扑结构设计理论与方法，开发了并联机构拓扑设计和分析的自动化算法和软件，可用于并联机器人和装备的创新设计。.1.提出了机构拓扑结构与方位特征相映射的数字化描述方法，能描述运动输出的维数、输出特征方位与运动副轴线之间的映射关系；建立了POC矩阵的交、并运算与数理逻辑运算的映射关系。.2.在串联机构拓扑自动综合上，基于笛卡尔系建立了机构拓扑结构与POC相映射的数字化矩阵；提出了实现支链末端运动的支链组成的运动副类型和数目的求解算法，以及运动副排序算法；利用字符串等效替换法，得到了含闭环回路、含多自由度运动副的串联机构。.3.并联机构拓扑自动综合上，根据给定的DOF和POC设计目标，建立了可行支链POC矩阵的运算规则；提出了支链POC矩阵组合方案的简化算法；建立了支链装配的规则。.4.并联机构拓扑自动分析上，以简单支链的并联机构为研究对象，提出了能自动识别支链运动副轴线关系的并联机构拓扑结构数字化矩阵，以及与支链运动副相映射的支链POC的矩阵模型；提出了机构拓扑结构分解为有序单开链的算法，提出了自由度、独立位移方程数、耦合度等拓扑结构特征的自动计算算法。.5.利用VC++，开发了串联机构、并联机构拓扑综合与拓扑分析软件，利用ACCESS建立了数据库；重点对3T和3T1R并联机构进行了拓扑设计与分析，得到了13种低耦合度、有较好应用前景的新机型，对部分机型进行了运动学建模及其性能分析；设计出用于3C制造的非对称2-RPa+RUU三平移并联操作手样机，以及用于手机背光模组自动检测的S+4-SPS球面并联调姿平台样机。.6.揭示了机构拓扑结构与运动学之间的内在联系，研制了6-SPS并联机构及其衍生机型运动学正解通用求解程序；提出了基于POC集的少自由度无过约束并联机构构型综合新方法。. 项目期间出版英文专著《Topology Design of Robot Mechanisms》（Springer,2018.1）；发表学术论文42篇；其中：SCI收录4篇，EI收录29篇；授权发明专利12件；项目鉴定2项；获奖2项；样机2台；博士生在培1人、毕业硕士7人。