基于变胞原理的变自由度机构的应用研究

介绍了变胞机构的概念、运动副的特点及变胞机构的主要形成方式,阐述了可变自由度机构的运动特点,结合工程实例介绍了变胞结构的设计和分析原理.     

基于几何代数的四面体机构自由度分析

针对四面体机构的多环耦合复杂结构导致的现有自由度计算方法对其进行自由度分析时不能有效地判断耦合部分的约束情况，课题组提出了一种基于几何代数的四面体机构自由度分析方法。先将整个机构进行拓扑等效，寻找机构的最短分支；通过修正分支运动空间的方式，将与分支耦合的闭环带来的约束体现在分支的运动空间中；最后通过对所有修正后的分支运动空间求交，得到输出构件的自由度解析式。结合具体算例可知：课题组提出的方法无需借助逻辑判断，可直接得到机构输出构件的自由度性质，解析式中的变量能给之后的驱动分布提供了选择方案。基于几何代数的四面体机构自由度分析方法具有一定的工程意义。     

折纸启发的空间可折展末端执行器设计

为解决多自由度可折展机构及折纸机器人等末端执行器的控制问题，课题组提出了一种外部链节间接控制刚性折纸机构的方法。该方法中的机构无需组装，降低了系统的复杂性，且单自由度驱动可使得刚性折纸机构可逆地折叠和展开。课题组将刚性折纸机构与单环闭链机构进行结合，提出了一种空间可折展末端执行器；该末端执行器采用3个固接Bricard机构为外部链节，只需要1个旋转驱动即可控制空间3自由度末端执行器的折展过程。课题组首先对外部链节进行了运动学分析，然后对外部链节进行驱动设计，最后对整个末端执行器进行仿真实验分析。结果表明在外部链节的控制下，能够实现单个驱动控制3个自由度末端执行器的同时收放，验证了理论分析的正确性。用外部链节控制刚性折纸机构的方法只需要最小的驱动力可实现复杂的运动。     

二自由度平面连杆机构的速度瞬心分析及其应用

本文采用旋转速度矢量法图解分析了二自由度平面五杆机构和关节式机械手的速度瞬心,并通过实例说明了该方法在机构运动分析中的应用。     

曲柄群机构自由度计算的旋量法

由于曲柄群机构的曲柄个数和任意2个曲柄间连杆个数的不确定性，传统方法计算该机构的自由度会遇到虚约束判断等问题。课题组在分析了曲柄群机构基本单元运动特性的基础上，定义了连杆桁架；基于连杆桁架的概念，总结了不同拓扑结构形式的曲柄群机构在结构上的统一性；利用旋量理论计算了含任意多个曲柄的曲柄群机构的公共约束数及冗余约束数，并计算得出含任意多个曲柄的曲柄群机构自由度。计算结果表明，利用旋量理论和连杆桁架概念简化了曲柄群机构的构件数，避开了繁琐的计算。研究实现了对含任意多个曲柄的曲柄群机构自由度计算的统一。     

3支链6自由度并联机构运动学研究

为了使并联机构在三维空间完成3个转动和3个移动的动作,可以进行全方位的运动,课题组提出了6自由度2PPRS RPRS并联机构。课题组描述了该并联机构的构型,建立了机构的运动坐标系;利用螺旋理论求解了机构自由度,并运用修正Kutzbach Grüble公式验证了自由度求解的正确性;根据支链与定、动平台间的相对姿态关系,推导了支链平面方程,并结合杆长不变条件,推导获得了该6自由度并联机构全部位置逆解的解析解;并基于三维边界搜索法,求解绘制出了机构的可达位置工作空间;最后,通过SolidWorks/Simmechanics的三维运动/参数可视化联合仿真,得到了机构的驱动位移相对时间的变化曲线。研究结果表明该机构构型设计、自由度分析正确,得出了该机构在三维空间内的运动学输入、输出的变化规律。     

新型二自由度移动并联机构设计

针对工业设备快速抓取物件的需求,基于并联机构具有的优点,提出了一种二自由度可快速移动的并联机构。 对该机构的运动学进行分析研究,创建该平面二自由度的运动学模型,利用勾股定理推算出该机构的正反解,继而得到 雅克比矩阵。最后利用杆件约束等条件得到该机构的工作空间。通过SolidWorks和MATLAB仿真软件求正反解验证了 设计的正确性。该并联机构的横向位移较大,满足设计要求。     

基于空间闭链连杆机构的可折展手爪设计

为了解决多关节手指和手爪多为刚性连接而运动范围有限等问题，课题组基于单自由度面对称Bricard空间闭链连杆机构，提出了一种手指单关节驱动机构。将多个单关节驱动机构串联，组合为一个单自由度的多关节手指驱动机构；进一步，通过课题组提出的单自由度同步驱动副，可同步驱动手爪中的3根多关节手指同步开合、抓取目标物体；在进行可折展手爪的运动学分析和参数求解之后，完成了可折展手爪的样机实验。验证结果表明提出的可折展手爪驱动机构设计合理、抓取性能可靠。     

五杆机构的混沌运动

对五杆机构这类运动学上称为双自由度的机构,当只有一个输出时,由于机构自身的动力学条件,其它各构件会在特定范围内作有序运动的同时附加非周期的无序振荡,即混沌运动。文章列出了动力学补充方程,并进行了计算仿真。     

仿人关节并串结构位姿求解算法研究

针对用于脑卒中患者上肢的康复训练，针对肩关节和肘关节运动的特点，课题组提出了一种6自由度仿人关节并串机构。该结构是由2种不同位姿并联机构进行并串组合而成，课题组利用Kutzbach Grüble公式对其进行了自由度的求解；采用解析法对该机构进行位姿分析研究，运用了球面三角形余弦定理来分析机构运动中弧形杆弧长不确定的情况；采用分部求解法把整体问题拆分成2个互有关联的部分进行求解。结果表明：与传统的对整体结构直接求解的方法相比，课题组采用的求解算法大大减小了求解的计算量。文中研究的方法适用于同类型位姿分离的并串组合，对其他同类型结构的位姿分析具有参考意义。