基于桁架等效转换的空间多环闭链机构运动行为研究

Multi-loop linkages are with great application potential in Aerospace, Architecture, and Industrial Robot as they can achieve diversified forms and functions such as generating lots of complex surfaces and particular profiles, and the realisation always depends on the motion compatibility of all movable parts. However, recent kinematic methods normally focus on the motion of end-effectors, which renders these methods not fit for the kinematic analysis of multi-loop linkages. This project is to establish a general method for analysing kinematic behaviours, such as mobility, motion path and singularity, of normal multi-loop linkages, in which these linkages are transformed into their equivalent trusses at first and then structural methods are employed. Meanwhile, the author proposed a novel multi-loop linkage, whose kinematic properties are going to be analysed by the truss-transformation method. And the validity of the truss-transformation method is demonstrated by comparing the obtained results and the test results of a specially designed and fabricated model. The result of the project paves a new way to analyse kinematic behaviours of multi-loop linkages. It will also play as an important fundamental for the future deployable space apparatuses, architecture structures and new parallel robots.

空间多环闭链机构采用不同拓扑结构、构件形状、几何尺寸和运动副类型，可实现多样化形态和功能，在航天、大型建筑、工业机器人等领域中有着广阔的应用前景。实现这些多样化形态和功能就要求所有零部件能协调地运动，然而，现有机构学方法因仅关注输出构件的运动特性，已不再适用于空间多环闭链机构的运动行为研究。本项目将机构等效转换成可动桁架模型，将结构学中方法引入机构的运动分析，建立一套全新的分析由常见运动副连接而成的一般空间多环闭链机构的自由度、运动路径以及运动奇异性等基本运动行为的方法。申请人提出一种新型多环闭链机构，采用本方法对其运动行为进行研究，设计制作样机、记录动平台运动行为，将试验结果与理论分析结果比对，验证理论方法的有效性。本项目的研究成果为空间多环闭链机构的运动行为分析提供一条全新的研究途径，在未来大型可展航天器械、建筑结构以及新型并联机器人等领域中的应用都具有重要意义。

本研究提出一种基于桁架等效转换研究空间多环闭链机构运动行为的新方法。该方法可用于研究具有复杂拓扑结构的空间多环闭链机构的自由度、运动路径以及运动奇异性等基本运动行为。通过一系列空间多环闭链机构的设计验证了该方法的有效性。提出了三种新型单环折展机构和折纸单元，并对运动特性进行了研究。基于这些单元，提出了一种构建大型空间面状可展结构的方法；通过机构运动学，建立该剪纸图案的多种平面平铺可能性，并验证了它能够作为搭建机械超材料结构的单元；得到了三角形Resch Pattern的两种单自由度厚板折纸形式，并通过桁架转换方法推导了所有运动变量之间的关系；提出了一种可实现立方八面体和正八面体之间的单自由度变换，并利用桁架变换方法对其运动行为进行研究；以2*2二重对称Bricard机构构建了一种免装配、结构简单、成本低、重量轻的单自由度柔顺抓持器；结合可展机构和并联机构的优点，利用螺旋理论、运动学模型、运动学仿真、单变量分析法、遗传算法，得到了一种参数较优的可折叠3-R(US&SPU)并联机构。所提出的基于桁架等效转换的空间多环闭链机构运动行为分析方法，可大大简化空间多环闭链机构的运动行为特性分析。