球面多杆机构解域综合理论及其性能分析方法研究

Based on the lack of a systematic research in the world on rigid-guidance synthesis method of spherical multi-bar linkages and considering the wide application prospect of spherical linkages in modern machine, this project will conduct research on solution region synthesis theory and method for spherical multi-bar linkages synthesis-analysis integration. Firstly, the equation for synthesis spherical RR link is derived, and sequential generation method of the spherical solution curve is researched, the one-to-one mapping between spherical solution curve to line is established. For synthesis the spherical multi-bar linkage, the adding method of spherical RR link is studied and conclude, and the synthesis model is built. To directly show synthesized linkages, the solution region is established. According to the Jacobin and positions analysis, the identification method of spherical multi-bar linkage’s defect is proposed. Via the ratio coefficient method, the transmission performance of spherical multi-bar linkage is researched. On these basis, linkages of solution region are analyzed, and the attributed graph of solution region is built, which makes a designer be able to get much better mechanisms, avoid the blindness of selecting mechanisms and improve the design efficiency. Finally, the software system of linkages synthesis and analysis is designed and developed, and a knee prosthesis linkage is designed. The achievements from this project will pose a positive significance in perfecting the design theory of mechanisms and guiding the creative design of mechanisms as well as engineering applications.

基于当前国内外缺乏对球面多杆机构刚体导引综合设计的系统性研究，考虑到球面多杆机构在现代机械中的广泛应用前景，本项目进行基于解域综合理论的球面机构综合-分析一体化设计研究。首先，以球面RR构件为研究对象，推导其综合方程，并研究球面解曲线的顺序求解问题，建立解曲线到直线的单值映射关系；研究归纳球面多杆机构综合时球面RR构件综合添加方法，建立机构综合模型，并构建直观显示所有机构解的解域；然后，基于雅可比矩阵和机构位置分析，提出球面多杆机构的运动缺陷判定方法，并以能效系数法为基础，研究球面多杆机构的传动性能；在此基础上，对解域中的机构进行性能分析，建立解域性能属性图，便于设计者直观选取性能最优机构，减少选择盲目性，提高设计效率。最后，开发球面机构综合与分析软件，并设计膝关节假肢机构。本项目研究成果对丰富和完善机构综合理论，指导机构的创新设计及应用具有积极意义。

球面机构是兼具平面机构和空间机构特性的特殊机构，主要用于传递相交轴线的非匀速转动，具有结构紧凑、灵活可靠等诸多优点。在太阳跟踪装置、智能机器人、假肢康复器械、仿生机械、六杆垂直旋转式车门等高端装备和民用机械中有着广泛应用前景。但在实际设计过程中，由于球面多杆机构结构复杂、运动耦合等特性，造成其设计困难、繁琐费时。同时，因为机构综合与分析相脱离，综合出的机构优劣难以直观显示给设计者，亦增加了设计难度，在一定程度上制约了球面多杆机构在实际工程中的推广应用。为此，本项目提出了球面机构综合-分析一体化的解域综合理论与方法，为实现球面机构快速综合设计与分析提供理论依据和指导。.首先，针对广义球面RR构件综合问题，基于位移转换矩阵及杆长约束条件，构建广义球面解曲线方程，并实现广义球面解曲线的顺序表达，建立基于解曲线的球面RR构件杆长曲线，揭示综合所得球面RR构件的杆长变化趋势，为解域建立奠定基础；结合球面多杆机构拓扑结构，给出球面多杆机构综合时球面RR构件综合添加规律及方法，并提出相应的球面解域建立方法；提出基于雅可比矩阵和位置正解的球面多杆机构运动缺陷判断方法，判断综合所得机构是否满足运动连续性设计要求，为无缺陷解域构建奠定基础；提出基于雅可比矩阵的传动性能评价指标，该指标体系具有量纲统一性特点，在此基础上，形成解域性能属性图，实现综合分析一体化；完成球面多杆机构综合分析软件开发，并设计球面六杆关节机构。研究成果对球面多杆机构综合设计及相关机械装备的研发和应用具有重要的指导意义。