面向任务的可控变胞机构稳定性研究

The task-oriented controllable metamorphic mechanism,not only has the characteristics of multifunctional phase change, multi-topological structure change and multi-dof change of the metamorphic mechanism, but also has the properties of controllable-adjustable, flexible output and mechanical- electrical integration of the controllable mechanisms, will has an important engineering application prospect.However, the dynamic stabilities of such kind of novel mechanism are the bottleneck of restricting its wide application in engineering. The palletizing robot of automatic production line is selected as engineering application background, and the dynamic stabilities of the task-oriented controllable metamorphic mechanism are researched in this project. The full motion process nonlinear dynamic analytical model is established using nonlinear dynamic theories, the nonlinear dynamic behaviors of internal resonance, parametric resonance, combination resonance and so on affected by various parameters are studied, and the methods to avoid strong vibration of mechanism are analyzed. Based on the studies above the stability of the mechanism system is studied. The stability evolutionary direction of system affected by random disturbance is presented, the evaluation index of dynamic stability of the system is analyzed, the influence parameters of stability are determined, and the dynamic optimization is done in the end. The work present this project provides a certain theoretical basis for the dynamic performance design of the task-oriented controllable metamorphic mechanism.

面向任务的可控变胞机构，既具有变胞机构多功能阶段变化、多拓扑结构变化、多自由度变化等特征，又具有可控机构可控可调、输出柔性、机电融合的性能，具有重要的工程应用前景。然而此类新型机构动态稳定性问题，是制约其在工程中广泛应用的瓶颈。本项目以自动化生产线中码垛机器人为工程应用背景，研究面向任务的可控变胞机构动态稳定性问题。运用非线性动力学理论建立机构系统全运动过程的非线性动力学解析模型，研究系统在各参数影响下的内共振、参激共振、组合共振等非线性动态行为，分析避免机构产生强烈振动的途径，在此基础上研究此类机构的稳定性，提出系统受到随机扰动时稳定性的演化方向，分析机构动态稳定度的评价指标，确定稳定性影响参数，并对其进行动力学优化。为面向任务的可控变胞机构动态性能设计提供一定理论基础。

面向任务的可控变胞机构，既具有变胞机构多功能阶段变化、多拓扑结构变化、多自由度变化等特征，又具有可控机构可控可调、输出柔性、机电融合的性能，具有重要的工程应用前景。然而此类新型机构动态稳定性问题，是制约其在工程中广泛应用的瓶颈。本项目以自动化生产线中码垛机器人为工程应用背景，研究了面向任务的可控变胞机构动态稳定性相关问题。（1）结合可控机构和变胞机构的特点，以码垛机器人为应用对象，面向机械零部件产品的搬运和装卸工作任务，进行可控变胞式码垛机器人机构综合研究，设计出了新型的能够实现各种灵活动作的含两个构态的可控变胞机构以及能实现平面拓扑和空间拓扑变换的变胞机构。此类机构可用于货物的码垛及抓取；（2）运用非线性动力学理论建立了在实际运行下机构系统全构态非线性动力学解析模型；（3）根据所建机构系统动力学解析模型，综合应用多尺度法分析了机构系统的主共振、超谐共振、多重共振等非线性动态行为，并分析了系统产生各种非线性共振行为的条件，探明机构变胞过程对其非线性振动行为的影响机理，解析了系统不发生共振的各种参数条件；（4）完成了面向码垛任务的可控变胞式码垛机器人机构的稳定性分析理论研究。将最大李雅普诺夫指数作为机构系统动态稳定度的评价指标，在所建立机构系统全构态非线性动态模型的基础上，考虑了机构材料参数、控制参数以及内冲击激励对机构系统动态性能的影响。运用Newmark法求解出机构系统全构态非线性动态模型的响应时间序列后，运用C_C法计算时间延迟和嵌入维数，对响应序列进行相空间重构，运用Wolf法计算响应序列的最大李雅普诺夫指数，根据系统输出端相图中的轨迹对系统稳定性进行了分析；（5）运用遗传算法对面向任务的可控变胞式码垛机器人进行了动态优化综合的研究，提高了系统的动力学性能。研究工作为面向任务的可控变胞机构动态性能设计提供一定理论基础。