多种相似功能变胞机构拓扑推演的构型综合及其多维约束的动力学分析

The metamorphic mechanism has the advantages of configuration variable and automatic combination. Different functions can be realized by changing the number of components and degrees of freedom. However, there are some difficulties such as structural diversity and working condition complexity. To meet the design requirements of intelligent assembly and multiple similar functions. Based on topology dynamically describe the expansion of Assur group method was proposed. And the new metamorphic cell was designed. The kinematic chain configuration of the topological inference is synthesized. The joint-joint adjoining matrix is used to represent kinematic chain. An evolutionary source matrix was established to describe the configuration transformation. The characteristic codes were extracted that accurately represents the kinematic chain. Then the improved Hamming number algorithm is proposed to identify the kinematic chain isomorphism. By using the algorithm of multi-objective optimization and establishing the map library of the topology characteristics, multiple similar metamorphic mechanisms were obtained. The impact and collision of the mechanism under multi-dimensional constraint is studied, and the collision model with variable damping is constructed. A modular kinematic and dynamic optimization models of metamorphic mechanism are established by taking into account the clearance of the kinematic pair and the size of the link. Establishment of experimental platform for metamorphic mechanisms that can achieve multiple similar functions, obtaining the transformation parameters of the kinematic and force. A nonlinear collision fitting model is constructed to modify the theoretical model to reduce the vibration generated by the configuration transformation, and improving the movement stability of the metamorphic mechanism.

变胞机构具有构态变化和自动组合等优点，可改变构件数和自由度实现不同功能，但存在构态多样、工况复杂等难点。为满足智能装配、多种相似功能的设计要求，提出基于动态拓展的Assur杆组法，设计新变胞机构的变胞元，进行拓扑推演的运动链构型综合。采用关节-关节邻接矩阵运动链表示方法，建立描述构态变换的进化源矩阵，提取出准确表征运动链的特征代码；进而提出改进的Hamming数算法，进行运动链同构判别，运用多目标优化的生成算法，建立机构拓扑特性的图谱库，得到具有多种相似功能变胞机构。研究构态变换时机构在多维约束下的冲击与碰撞机理，构建变阻尼的碰撞模型，计及运动副间隙和杆件尺寸公差，建立模块化的全构态变胞机构运动学和动力学优化模型。建立可实现多种相似功能的变胞机构实验平台，获取机构全构态的运动和力学的变换参数，构建非线性的碰撞拟合模型，修正理论模型，减小构态变换产生的振动，提高变胞机构的运动平稳性。

目前变胞机构构型综合、创新应用等问题未能很好的解决。本项目面向任务功能出发，以变胞机构创新设计为目标，提出了变胞机构综合及创新设计方法。主要研究内容：.（1）针对运动链中复合铰链问题，提出了含复铰运动链支路矩阵、含复铰运动链构件度序列和平面运动链的素数分层三种同构判定方法。实验证明了该方法的可靠性及高效性，相比其他同构判定方法，该方法更加简便有效。.（2）针对空间机构构型综合问题，提出了一种基于变胞方程来进行构态变换的新方法。利用全变胞方程可以将变胞机构的一个稳定构态的全特征矩阵描述通过矩阵变换变换为另一个稳定构态的全特征矩阵描述，并基于全特征矩阵构建了变胞机构型综合方法。.（3）针对尺度综合目标点和输出轨迹误差问题，提出了一种创新的基于动态规划的曲线分段算法，通过构建目标点和机构输出轨迹之间的特殊距离关系将机构输出轨迹合理地分割为和目标点相同数量的曲线段，再通过搜索每条曲线段上距离对应目标点最近的点，就能获得合理、准确的比较点。.（4）针对变胞机构运动可靠性分析问题，提出一种适应交变温度工况的变胞机构全构态运动可靠性分析方法。基于提出的方法分析了交变温度工况下变胞机构全构态运动可靠性分布规律，并分析了不同孔轴配合、连杆公差等级及其热膨胀系数对变胞机构全构态运动可靠性的影响规律。.（5）针对变胞机构构态变换时不可避免的产生冲击与振动问题，建立了含柔性关节和赫兹碰撞模型的非线性Lagrange变胞机构动力方程，并制作了试验平台，分析构态变换产生的振动问题。.本项目制作了新型折展变胞机械手、新型智能灵巧手和平面五杆变胞腿三个实验平台。研究成果为机器人、航空航天装备及冶金智能装备设计与制造领域提供了理论及应用基础。.在国内外重要刊物发表/录用论文25篇，其中三大检索源刊13篇，SCI检索源刊8篇，EI源刊5篇，授权发明专利3项，培养硕士10名、博士2名和青年教师2名。