TRIZ理论引导的含特殊运动副机构拓扑结构描述与分析

Some concepts and their relationship remain ambiguous as mechanism generalizing. The topological structure of mechanisms with special kinematic pairs, such as multiple joint, flexure hinge, variable kinematic pair, possesses the characteristics of variable structure, nonnumerical value, nonlinearity and strong coupling. So that it is difficult to describe and analyze the topological structure by directly using mathematical methods and mechanics principles. The project will make use of the philosophical idea, innovative methods and tools of TRIZ to built the analysis model of mechanism system and the substance-field models of some special pairs. Through decomposing，transforming or decoupling the models, mathematical methods and mechanics principles can be used in the representations and analysis of topological structure of mechanisms effectively. The project will work out the following key issues: the mathematic definitions of topological structure and different configurations of mechanisms; the Su-field analysis models of topological structure system of mechanisms with nonnumerical value and nonlinearity; the representation and analysis of special kinematic pairs with nonlinearity, strong coupling and variable structure; the configuration description, isomorphism identification and analysis of configuration switching of topological structure with special kinematic pairs. The results of this work will provide new ideas, effective methods and theoretical basis for using mathematic methods and mechanics principles to represent and analyze topological structure of mechanisms with the special kinematic pairs.

机构广义化发展后有关概念尚不清晰；含有复合铰链、柔性铰链、变胞运动副的特殊结构，因强耦合、变结构和非线性特点难以直接从数学或力学角度描述分析和综合设计，从而成为瓶颈问题。本项目基于TRIZ哲学思想、创新方法和工具，构建机构拓扑结构超系统-系统-子系统模型，建立特殊运动副物场关系；分解、转化或解耦物场模型的强耦合非线性变化问题；结合数学方法和力学原理，提出非数值非线性机构拓扑结构相关概念的集合论数学表达；提出复合铰链解耦方案、含复合铰拓扑结构表达及拓扑同构快速识别方法；建立描述变胞运动副约束状态及变化情况的基因组合，提出含变胞运动副机构构态描述方法及构态变换条件判据；提出柔性铰链解耦方案，建立含柔性铰链机构拓扑结构的等效分析模型。本项目将建立描述和分析特殊运动副机构拓扑结构的系统理论和方法，为机构分析和综合设计提供理论基础。

含特殊运动副机构的拓扑结构表达、分析和综合是机构结构学的理论基础。本项目以含复合铰链、变拓扑运动副、柔性铰链等特殊运动副的机构为研究对象，结合数学方法和力学原理，提出非数值非线性机构拓扑结构相关概念的集合论数学表达；基于TRIZ理论开展了系统分析方法研究，提出了面向资源和界面等因素确定组件层级、根据功能对象倒推功能结构的系统功能分析方法，由外而内分析当前系统；运用该分析方法对运动副进行了一般化描述和数学表达，对特殊运动副进行了描述、分析和综合方法研究，建立了特殊运动副物-场关系，分别采用不同的模型和方法对稳定拓扑中的复合铰链、变拓扑中的变胞运动副和柔性铰链等特殊运动副的强耦合、变结构和非线性特性进行了分析研究；对含特殊运动副的机构拓扑结构进一步研究，提出了含复合铰链机构运动链的转化方法、同构识别方法和步骤；提出了可变运动副的设计目录，对含变胞运动副的机构系统提出了机构综合方法；提出了柔顺机构拓扑结构等效构态的二次构建方法；利用上述理论研究结果，综合创新设计了一系列新机构、结构和产品。项目研究期间，参加国际学术交流活动7次，公开发表论文8篇，参编专著1部，授权中国国家发明专利5项、实用新型专利2项，正在实审中国国家发明专利5项，培养研究生11名，相关学位论文5篇。