一种基于几何特征的形态可变机构的系统综合与应用

A kind of form changing mechanisms which function is geometrical characteristics can be generated by combining some special linkages as the basic units, such as the scale changing mechanism, shape changing mechanism, or a certain geometric shape maintained mechanisms under particular conditions of movements. The research of the form changing mechanisms initiates some new functions and new types of mechanisms which can supply new theory and approach for Co-existing robot to adapt different circumstance and different tasks...The project is aimed at exploring new basic elements made up of some special linkages and their serial, parallel and hybrid combined methods. The universal geometric rules of these mechanisms in n-dimensional space and practical realization with rigid and flexible constraints are further investigated. The automatic synthesis will be obtained through automatic design software. Due to one-degree driven, this kind of mechanisms which need less driven motor, are easily controlled with low cost and easy industrialization...The geometric synthesis theory for these devices yield design methods that make rigid body,compliant body and soft body crossed and integrated. The result will be a new generation of mechanical devices that provide technological solutions at the micro and nano levels up to scales of large space structures.

以几何形状特征变化为主要功能，将基本单元用特定组合方法构造出一类新的机构类型——形态可变机构，如形状保持不变，比例改变、从一种形状改变到另一种形状、在特定几何条件下运动等，开创了机构的新类型，为未来共融机器人提高对环境和多种任务的适应性提供了新的构型设计方法。.本项目将开发形态可变机构的基本单元种类，采用多种组合形式，平面与空间等多维空间的共性几何规律，刚性和柔性的具体实现方式，编制机构设计软件，得出此种机构的自动综合方法。而此种机构驱动件的设计，使这种机构整体只有一个自由度即可运动，所需电机少，控制方便，成本降低，易于实现产业化。.这种新机构的出现，将产生机构学的新设计理论，而且结合刚-柔-软耦合系统的特性，从纳米尺度到空间大尺度机构都具有广泛的应用前景。

形态可变机构是机构学领域的一个新研究方向，包括形状可变机构，放缩机构和一些形状、尺度都可以发生改变的机构。本项目提出了基于几何特征的形态可变机构的系统综合方法，并基于所提理论方法进行了实际应用验证。.为了解决形态可变机构实际应用匮乏的瓶颈问题，本项目提出了形状可变机构的构型综合及优选方法。引入共形几何代数（CGA），应用一种脱离坐标系的几何建模和免消元计算的运动学分析方法，对几种典型机构进行了分析；提出了一些新型变胞运动单元和变胞运动副，构建了几种多构态机构类型，提出了相应的设计方法和实现方式。分析了多模式变自由度的并联变胞机构可重构问题，提出了构态变化的实现方式。.在空间可展机构的结构设计与驱动方面，基于单开链迭加法，提出了一种含绳传动展开机构的构型综合方法，并以此设计了折铰式展开机构的绳路构型。采用了一种使展开机构在展开过程中具有多种运动模式的设计，保证展开锁定的可靠性。进一步完善了绳传动刚度模型，通过零重力展开试验，验证了联动展开和动力学仿真的有效性。.针对机构运动的控制问题，提出了脑电信号提取与处理的最优小波基选择方法，进行了相应代码编制，实现自动计算。.根据所提出的变胞机构及形态可变机构综合方法，本项目得出了一些新机构类型，应用于航空航天领域、医疗器械及手术机器人、仿生机器人和特种机器人等，制作了10余项机构的原理样机模型，为进一步的理论拓展及实际应用奠定了一定基础。