本文選題：柔順機(jī)構(gòu)　切入點(diǎn)：柔順并聯(lián)機(jī)構(gòu)　出處：《華南理工大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：系統(tǒng)化的概念設(shè)計(jì)是現(xiàn)代機(jī)構(gòu)學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)之一,未來的機(jī)構(gòu)概念設(shè)計(jì)將不再停留于機(jī)構(gòu)功能的實(shí)現(xiàn),而是同時(shí)實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的功能和較高的性能,因此,發(fā)展相關(guān)的概念設(shè)計(jì)理論和方法具有深遠(yuǎn)意義。本文朝著此發(fā)展方向,深入研究了柔順機(jī)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)理論和方法,針對(duì)簡(jiǎn)單鉸鏈型柔順機(jī)構(gòu)和多自由度柔順并聯(lián)機(jī)構(gòu),提出了兩種考慮性能的概念設(shè)計(jì)方法。主要開展了如下研究:(1)重點(diǎn)討論了柔順機(jī)構(gòu)現(xiàn)有的兩大主流概念設(shè)計(jì)方法。剛體替代法不能創(chuàng)造拓?fù)浜蛢?yōu)選拓?fù)?拓?fù)鋬?yōu)化方法雖能針對(duì)具體問題優(yōu)選拓?fù)?但其設(shè)計(jì)對(duì)象局限于簡(jiǎn)單的分布式柔順機(jī)構(gòu),因此,本文提出將拓?fù)鋬?yōu)化拓展到剛體替代法的設(shè)計(jì)范圍(上述兩類柔順機(jī)構(gòu))。(2)針對(duì)簡(jiǎn)單鉸鏈型柔順機(jī)構(gòu),提出了基于偽剛體模型的拓?fù)鋬?yōu)化方法。該方法以偽剛體機(jī)構(gòu)代替柔順機(jī)構(gòu)的拓?fù)?將拓?fù)鋬?yōu)化問題描述為偽剛體機(jī)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化,然后將最優(yōu)的偽剛體機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為柔順機(jī)構(gòu)。該方法通過采用全新的拓?fù)浔磉_(dá)方案和拓?fù)浞治龇椒?將拓?fù)鋬?yōu)化拓展到了鉸鏈型柔順機(jī)構(gòu),為簡(jiǎn)單鉸鏈型柔順機(jī)構(gòu)提供了一種考慮拓?fù)湫阅艿母拍钤O(shè)計(jì)方法。(3)針對(duì)多自由度柔順并聯(lián)機(jī)構(gòu),提出了基于雅克比矩陣的拓?fù)鋬?yōu)化方法。該方法的核心在于將雅克比矩陣引進(jìn)了拓?fù)鋬?yōu)化領(lǐng)域,可以統(tǒng)一而簡(jiǎn)潔的形式表達(dá)機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)上所有自由度的運(yùn)動(dòng),擺脫了傳統(tǒng)拓?fù)鋬?yōu)化方法通過預(yù)設(shè)多個(gè)具體輸出位移實(shí)現(xiàn)多輸出的方式,實(shí)現(xiàn)了多自由度柔順機(jī)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化。雅克比矩陣同時(shí)包含了機(jī)構(gòu)自由度和運(yùn)動(dòng)正解的信息,對(duì)其優(yōu)化既能綜合出期望的自由度數(shù)以實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的功能,又能提高運(yùn)動(dòng)傳遞能力以實(shí)現(xiàn)較優(yōu)的機(jī)構(gòu)性能。(4)為實(shí)現(xiàn)多自由度柔順并聯(lián)機(jī)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化,采用了多個(gè)子設(shè)計(jì)域并聯(lián)在動(dòng)平臺(tái)和機(jī)架之間,用于綜合柔順并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)支鏈。通過建立運(yùn)動(dòng)支鏈子設(shè)計(jì)域和機(jī)構(gòu)整體運(yùn)動(dòng)特性之間的映射關(guān)系,將多自由度柔順并聯(lián)機(jī)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化問題描述為:使用一定材料在多個(gè)子設(shè)計(jì)域內(nèi)綜合出運(yùn)動(dòng)支鏈拓?fù)?使得柔順并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有期望的自由度數(shù),同時(shí)擁有較優(yōu)的運(yùn)動(dòng)性能。采用多設(shè)計(jì)域具有利于降低計(jì)算成本和添加邊界條件等優(yōu)勢(shì)。(5)通過基于雅克比矩陣的拓?fù)鋬?yōu)化方法,實(shí)現(xiàn)了平面兩自由度和三自由度柔順并聯(lián)機(jī)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì),并在空間柔順并聯(lián)機(jī)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化上進(jìn)行了探索性的嘗試,優(yōu)化結(jié)果和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別驗(yàn)證了所提方法的有效性和所設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)能力。所設(shè)計(jì)的柔順并聯(lián)機(jī)構(gòu)屬于分布式柔順機(jī)構(gòu),為柔順并聯(lián)機(jī)構(gòu)補(bǔ)充了結(jié)構(gòu)類型的拓?fù)�。本文將拓�(fù)鋬?yōu)化思想拓展到了簡(jiǎn)單鉸鏈型柔順機(jī)構(gòu)和柔順并聯(lián)機(jī)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)中,為這兩類機(jī)構(gòu)提供了考慮性能的概念設(shè)計(jì)方法,豐富了拓?fù)鋬?yōu)化的理論和方法,并拓展了其應(yīng)用范圍。
[Abstract]:Systematic conceptual design is one of the development trends of modern mechanism. In the future, the conceptual design of mechanism will not stop at the realization of mechanism function, but realize the function and higher performance of mechanism at the same time. The theory and method of conceptual design related to development are of profound significance. In this paper, the conceptual design theory and method of compliant mechanism are studied in depth, aiming at simple hinged compliant mechanism and multi-degree-of-freedom compliant parallel mechanism. In this paper, two conceptual design methods considering performance are put forward. The main research is as follows: 1) the two main conceptual design methods of compliant mechanism are discussed. Rigid body substitution method can not create topology and select topology. Although topology optimization method can select topology according to specific problems, its design object is limited to simple distributed compliant mechanism, so, In this paper, we propose to extend topology optimization to the design scope of rigid body substitution method (two types of compliance mechanisms mentioned above) for simple hinged compliant mechanisms. A topology optimization method based on pseudo-rigid-body model is proposed, in which the pseudo-rigid-body mechanism is used instead of the compliant mechanism topology, and the topology optimization problem is described as the topological optimization of the pseudo-rigid mechanism. Then the optimal pseudo rigid body mechanism is transformed into a compliant mechanism. By adopting a new topology representation scheme and topological analysis method, the topology optimization is extended to a hinged compliant mechanism. This paper provides a conceptual design method for simple hinged compliant mechanism considering topological performance. A topology optimization method based on Jacobian matrix is proposed. The core of this method is to introduce Jacobian matrix into the field of topology optimization, which can express the motion of all degrees of freedom on the mechanism platform in a unified and concise form. This paper gets rid of the traditional topology optimization method and realizes the topology optimization of multi-degree-of-freedom compliant mechanism by presetting several specific output displacements. The Jacobian matrix includes the information of both the degree of freedom and the forward solution of the mechanism. The optimization can not only synthesize the desired number of degrees of freedom to realize the function of the mechanism, but also improve the ability of motion transfer to achieve the better performance of the mechanism. Several sub-design domains are used in parallel between the moving platform and the frame to synthesize the kinematic branching chain of the compliant parallel mechanism. The mapping relationship between the design domain of the kinematic branch chain and the whole kinematic characteristic of the mechanism is established. The topology optimization problem of multi-degree-of-freedom compliant parallel mechanism is described as: using certain materials to synthesize the kinematic branch topology in several sub-design domains, so that the compliant parallel mechanism has the desired number of degrees of freedom. At the same time, it has better kinematic performance. Using multi-design domain has the advantages of reducing computation cost and adding boundary conditions, etc.) the topology optimization method based on Jacobian matrix is proposed. The topology optimization design of planar two-degree-of-freedom and three-degree-of-freedom compliant parallel mechanism is realized, and an exploratory attempt is made on the topology optimization of spatial compliant parallel mechanism. The results of optimization and prototype experiments verify the effectiveness of the proposed method and the kinematic capability of the designed mechanism. The designed compliant parallel mechanism belongs to the distributed compliant mechanism. In this paper, the idea of topology optimization is extended to the conceptual design of simple hinge compliant mechanism and compliant parallel mechanism. It enriches the theory and method of topology optimization and extends its application scope.
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TH112

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本文編號(hào)：1592623