少自由度并联机构过约束特性及其作用机制与配置策略的研究

针对少自由度并联机构运动副轴线间具有严格几何约束关系的特点，应用螺旋理论、集合论原理和结构力学观点，系统研究机构在非期望运动自由度空间的约束和过约束特征及力的传递与耦合过程；基于运动副轴线间几何约束误差的不可避免性，采用确定性分析方法和蒙特卡罗随机模拟法，通过数学建模与仿真探索过约束少自由度并联机构在非期望运动自由度空间力与变形响应的传递与耦合规律，揭示过约束的作用机制；面向在非期望运动自由度空间传力应用，以及对误差具有稳健性的设计需求，开展少自由度并联机构过约束性配置策略和设计方法的研究与实践。突破传统机构学理论侧重于自由度空间中的运动和力传递的设计与分析局限，通过本项目的研究，将为并联机构的性能分析、精度设计，以及考虑运动副轴线几何约束误差影响的运动学及动力学分析提供一种新的思路，并为构型创新设计和优选以及对误差具有稳健性的少或无过约束并联机构的工程实用化提供一条新的途径。

少自由度并联机构由于所需驱动装置少、运动控制简便近年来成为机器人学的研究热点。另外，作为无需驱动和控制的车辆被动悬架系统，两自由度（转向悬架）和单自由度（非转向悬架）的并联机构亦已得到应用。少自由度并联机构的特点是动平台受到结构约束，限制了非期望运动自由度。目前对该类机构的研究大多只侧重于自由度空间中的运动和力传递相关性质的设计和分析，而结构约束空间中机构的相关性质研究未受到应有重视。. 本项目首先应用互易螺旋理论和集合论原理及结构力学观点，对少自由度并联机构的过约束特性进行了研究。提出了分析少自由度并联机构的过约束数、类型和回路分布特性的系统方法，澄清了一些与之相关的概念。并指出其是与运动自由度空间性质对偶的机构的另一重要拓扑结构特性。针对过约束少自由度并联机构，定性分析了其对运动副轴线几何约束误差的敏感性及影响，以及非期望运动自由度空间传力和刚度特点。针对过约束少自由度并联机构依赖支链内和支链间运动副轴线特殊且严格的几何约束关系特点，综合考虑运动副轴线几何约束误差和过约束性质，初步分析了其对机构内部附加载荷、运动学精度、解耦性等的不良影响，揭示了过约束作用机制。同时对比分析了无过约束自调结构对误差的适应性和寄生运动输出问题。. 其次，开展了少自由度并联机构过约束配置策略与设计方法的研究。面向对误差具有稳健性的设计需求，提出了一种采用无过约束或少过约束配置进行构型创新设计的方法和步骤。同时，面向在非期望运动自由度空间传力应用，提出了车辆独立悬架机构不仅应满足自由度特性还应兼顾过约束特性的结构设计思路。并对一类具有三个基本回路的独立悬架导向机构的原始运动链进行了系统的拓扑结构创新设计，并给出了一系列具体的功能结构化实例。. 以上研究，在理论方面，将传统只侧重于机构运动自由度空间性质的分析和设计拓展到兼顾非运动自由度空间的过约束特性分析和设计，为少自由度并联机构的构型优选和结构创新提供了更完善的手段。在工程应用方面，为消除过约束不良影响进行少自由度并联机构的实用化设计，以及对诸如车辆独立悬架这类需要在非期望运动自由度空间传力的机构设计，具有普适指导作用。在国家自然科学基金青年基金的支持下，已发表论文6篇，已录用待发表论文2篇，申报专利2项，毕业硕士研究生4人，出站博士后1人。