發(fā)布時間：2020-08-20 19:20

【摘要】：機構(gòu)拓撲結(jié)構(gòu)是機構(gòu)學研究的直接對象，對其進行描述和分析是機構(gòu)結(jié)構(gòu)學的基礎(chǔ)，對其進行綜合是機械產(chǎn)品設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。目前，不僅穩(wěn)定拓撲結(jié)構(gòu)的研究重點已覆蓋到非線性、強耦合的廣義機構(gòu)系統(tǒng)，而且變拓撲結(jié)構(gòu)也成為研究熱點。然而，在研究內(nèi)容上，不同拓撲結(jié)構(gòu)的理論研究相對獨立，機構(gòu)拓撲結(jié)構(gòu)本身和相關(guān)概念的界線比較模糊，同時，尚未有考慮驅(qū)動和機架在內(nèi)的穩(wěn)定拓撲和變拓撲結(jié)構(gòu)整體分析模型；此外，工程中迫切需要理論指導(dǎo)的專利資源有效利用在機構(gòu)綜合研究中仍是一個尚未探索的新課題。在研究方法上，直接運用數(shù)學方法和力學原理對非數(shù)值、非線性、變結(jié)構(gòu)和強耦合機構(gòu)拓撲系統(tǒng)進行研究，難以全面描述其詳細結(jié)構(gòu)信息，對于含有復(fù)合鉸鏈和變胞運動副等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的拓撲系統(tǒng)，分析和綜合非常困難，迫切需要改進研究方法，從更廣泛的角度尋找解決途徑。 本文針對廣義化和變結(jié)構(gòu)機構(gòu)拓撲在描述、分析和綜合中存在的上述問題，采用TRIZ理論、公理設(shè)計理論、復(fù)雜性理論、組合技法、設(shè)計目錄等多種具有不同優(yōu)勢的創(chuàng)新技法，結(jié)合數(shù)學方法和力學原理，開展了深入系統(tǒng)的研究。 本文完成主要研究工作如下 （1）針對機構(gòu)拓撲結(jié)構(gòu)缺乏系統(tǒng)模型、相關(guān)概念模糊不確定的問題，從集合論角度，對機構(gòu)拓撲結(jié)構(gòu)、運動鏈拓撲結(jié)構(gòu)、變拓撲機構(gòu)、可重構(gòu)機構(gòu)、變胞機構(gòu)、穩(wěn)定構(gòu)態(tài)、變拓撲構(gòu)態(tài)和變胞構(gòu)態(tài)等概念提出了嚴密的數(shù)學表達；基于TRIZ物-場分析方法，建立了機構(gòu)系統(tǒng)物-場模型；運用公理設(shè)計理論，對運動副物-場建立了功能域和物理域模型；運用TRIZ標準解找到了理想化模型轉(zhuǎn)化方案；示例表明這些定義和模型可從不同層次對拓撲系統(tǒng)進行有效描述和分析。 （2）針對復(fù)合鉸運動鏈拓撲結(jié)構(gòu)強耦合關(guān)系難以描述及同構(gòu)識別困難的問題，按照復(fù)合鉸鏈理想化模型轉(zhuǎn)化思路，基于功能獨立性公理，引入pin構(gòu)件對復(fù)合鉸鏈進行解耦，建立轉(zhuǎn)化鄰接矩陣對含復(fù)鉸運動鏈進行描述，并提出了運用其階數(shù)、對角線元素向量、矩陣特征值和特征向量等參數(shù)判斷運動鏈拓撲同構(gòu)關(guān)系的新方法，通過實例驗證了方法的有效性。 （3）針對變結(jié)構(gòu)、非線性變胞運動副難以全面描述其結(jié)構(gòu)信息的問題，將復(fù)雜性概念引入運動副物-場對模型中的“物質(zhì)”進行描述；基于組合創(chuàng)新技法定義了約束函數(shù)，用于廣泛描述運動副的性質(zhì)、類型、級別、自由度、方位、約束的有效性、作用的程度及其變化等諸多信息；按照變胞副理想化模型轉(zhuǎn)化思路，定義了反映運動副蛻化和激活狀態(tài)的變胞基因，建立了基本運動副變胞模型；基于效應(yīng)原理，分析了基元變胞的物理實現(xiàn)方式。實例應(yīng)用驗證了這些理論的正確性和有效性。 （4）針對變拓撲機構(gòu)非數(shù)值、非線性構(gòu)態(tài)變化難以分析的問題，提出了機構(gòu)構(gòu)態(tài)切換的6個充分條件；基于TRIZ沖突問題解決技法，分析了變拓撲機構(gòu)物-場的物理沖突，提出了利用穩(wěn)定構(gòu)態(tài)作為內(nèi)部資源構(gòu)建變拓撲機構(gòu)超系統(tǒng)模型—胞源機構(gòu)的新思路；運用集合論和旋量理論對胞源機構(gòu)進行了描述和分析，構(gòu)建了基于運動副約束函數(shù)的胞源機構(gòu)鄰接矩陣，建立了6類變胞形式的機構(gòu)變胞態(tài)變胞方程。實例證明了理論的可行性和有效性。 （5）針對面向?qū)＠Y源進行機構(gòu)綜合創(chuàng)新的新課題進行了研究�；赥RIZ功能裁剪法和設(shè)計目錄，構(gòu)建了機構(gòu)綜合再創(chuàng)新程序化過程理論模型，通過實例應(yīng)用證明了該過程模型在產(chǎn)品開發(fā)中的可操作性和實用性。 總之，本文對機構(gòu)拓撲結(jié)構(gòu)的相關(guān)概念進行了嚴密數(shù)學定義，明確了概念之間的關(guān)系。運用諸多創(chuàng)新技法，結(jié)合數(shù)學方法和力學原理，對穩(wěn)定拓撲和變拓撲機構(gòu)的概念和系統(tǒng)模型進行了基礎(chǔ)研究、對含復(fù)合鉸鏈和變胞運動副的拓撲結(jié)構(gòu)描述和分析問題進行了詳細研究、對利用專利資源進行機構(gòu)綜合創(chuàng)新設(shè)計進行了初步探索。本文研究工作為機構(gòu)學研究和機械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計提供了新的理論和方法，具有重要的應(yīng)用價值。
【學位授予單位】：湖南大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2012
【分類號】：TH112
【圖文】：

(c) DELTA 機器人 (d) TRICEPT 機器人 (e) TRIVARIANT 機器人圖 1.1 空間機構(gòu)結(jié)構(gòu)類型對空間機構(gòu)拓撲結(jié)構(gòu)的描述，早期主要是基于經(jīng)驗方法、經(jīng)典數(shù)學或力學方法對構(gòu)件進行分析，如四參數(shù) D-H 標記法、歐拉角（Euler angle）方法，但在公開文獻中少而零散[38-39]。近二十年來，隨著機器人應(yīng)用技術(shù)的迅速發(fā)展，空間機構(gòu)學理論研究形成了 3 種主流理論和方法，即基于螺旋理論的方法、基于位移子群/子流形的方法、基于單開支鏈和方位特征的方法[40-61]。三種方法的出發(fā)點不同，所依賴的數(shù)學工具不同，都以獨立的理論體系存在[62]。螺旋理論采用傳統(tǒng)符號法表示機構(gòu)的拓撲結(jié)構(gòu)，并附加上、下標表示運動副軸線之間的幾何關(guān)系，定義互易螺旋系運動螺旋和力螺旋，用于描述剛體運動中的速度和角速度、力和力偶等參數(shù)。該理論給出了包含運動位置參數(shù)的機構(gòu)自由度公式，螺旋系的運算規(guī)則為線性運算，螺旋系的相關(guān)性與定坐標系無關(guān)。運用螺旋理論使問題描述變得簡潔統(tǒng)一，但由于螺旋系瞬時性的特點，需要對其進行相關(guān)性判別，而這在一些情況下是非常困難的。位移子群/子流形方法采用位移子群符號描述李群代數(shù)結(jié)構(gòu)機構(gòu)

(b) 雙構(gòu)態(tài)門閂機構(gòu)[97](c) 被動柔順欠驅(qū)動手指[98](d) 激光切割裝備的一種雙穩(wěn)態(tài)柔順正交平面機構(gòu)[99](e) 離線可重構(gòu)模塊化夾具[100](f) 鋼材自動夾緊切斷機構(gòu)[101](g) 水下變胞探測車[103]Balloon chamberWall & SlidingpanelLower plateClampSteelDisk SawLoadingLoadingLoading12345671111235467111123456711163366336

1 設(shè)計過程中的“復(fù)雜因素”“復(fù)雜性”“不確定性”和“困難”理論在機構(gòu)學方面的研究還極少。Khan 運用復(fù)雜性準則對進行了研究，提出了機器人設(shè)計中一個定量的概念評估框復(fù)雜性及其評價指標；基于多樣性概念，提出了評估曲線——規(guī)則性損失(Loss of Regularity，LOR)；提出了 6 項評彈性靜力學和彈性動力學性能、工作空間、執(zhí)行機構(gòu)復(fù)雜性能的復(fù)雜性準則[167]。述研究基礎(chǔ)，本章引入復(fù)雜性概念，對運動副物－場模型運動副元素進行描述。副“物質(zhì)”的復(fù)雜性描述物－場模型中的“物質(zhì)”是構(gòu)成運動副的兩構(gòu)件及其接觸其表面由不同的曲面組成。在此，將運動副模型中構(gòu)件上為“物質(zhì)”的復(fù)雜性。構(gòu)中，常見運動副的表面都是比較簡單、規(guī)則的三維幾何

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

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本文編號：2798345