少维输入-多维期望运动输出并联机构的拓扑结构设计理论与方法研究

Based on the application background, industrial development demand and research of three-motion parallel vibrating screen with one input, an important research direction of parallel mechanism is proposed: design and application of parallel mechanism with fewer inputs and more outputs. The details are listed as follows: (1) Based on basic function requirements of this kind of mechanism, the intrinsic relation between topology structure and kinematic characteristics with non-independent outputs is studied. Principles and the methods for topological structure design of parallel mechanism with dof-inputs and (dof+△)-outputs are presented,and corresponding novel topological structures are designed.(2) The intrinsic relation between structural coupling reduction and kinematic complexity is studied. Principles, criteria and methods for structural coupling reduction design are proposed. Basic types of zero-coupling mechanism used for structural coupling reduction design are obtained. (3)The intrinsic relation among topological structure, dimensional parameters and kinematic decoupling is studied. Principles, criteria and methods for kinematic decoupling design of parallel mechanisms are proposed.(4)Based on performance evaluation criteria for structural coupling reduction design and for kinematic decoupling design et.al, preferential types of fewer inputs-more outputs parallel mechanisms are obtained.(5) Based on the obtained preferential parallel mechanisms with fewer inputs and three rotational outputs, prototype of parallel rehabilitation training machine with fewer inputs is developed.The theory and method for topological structure design of fewer inputs - more outputs parallel mechanism was finally established.This research will enrich parallel mechanism design theory and widen parallel mechanism application. It is of great theoretical significance and of practical value for industrial equipment design

基于应用背景、产业发展需求及申请人单输入三维并联振动筛的研究基础，提出少维输入-多维期望运动输出并联机构设计与应用的重要研究方向及内容：(1)揭示拓扑结构与含非独立输出运动特性的内在联系, 提出少维(dof)输入-多维(dof+△)输出并联机构的拓扑结构设计原理、方法及相应结构类型；(2)揭示机构结构降耦与运动学复杂性的内在联系，提出机构结构降耦设计原理、准则与方法，及用于结构降耦设计的零耦合机构；(3)揭示机构拓扑结构和尺度参数两者与运动解耦的内在联系，提出机构运动解耦设计原理、准则与方法；（4）基于结构降耦、运动解耦等性能评价准则，提出该类并联机构的优选类型；(5) 基于优选的少输入三转动输出并联机构，研制少输入肩关节康复训练样机。最终建立少维输入-多维输出并联机构的拓扑结构设计理论与方法。本研究有望拓展并联机构的设计理论与应用,对服务于产业发展的装备设计，具有重要理论意义和实用价值。

本项目突破传统“多维输入-等维精确运动输出并联机构”的研究视野和设计思想,提出并研究了“少输入-多输出机构”（简称：Fi-Mo并联机构）的设计理论、方法和应用问题；主要研究内容和成果是:（1）建立了dof维输入、（dof+）输出的Fi-Mo并联机构的驱动输入数W、自由度数dof及其输出方位数Nout三者的数学模型，由此给出了（1-5）dof Fi-Mo并联机构的所有基本类型；提出了Fi-Mo并联机构的两种设计方法，即：驱动副逐个固化--等效支链替代的演化法，以及含伴随运动支链的设计法，据此得到了大量新型实用的Fi-Mo并联机构；（2）提出了机构结构降耦（降低机构耦合度）的概念，揭示了结构降耦与运动学复杂性、运动解耦之间的内在区别与联系；然后，从支链本身以及支链在动静平台布置2个拓扑结构层面，提出了两个结构降耦原理，以及三种结构降耦设计方法，即：基于设计混合支链的方法、基于运动副复合的方法，及基于方位特征支链主动化的方法，从而得到了许多相应的自由度和方位特征保持不变但耦合度降低的新机构；（3）揭示了机构拓扑结构和尺度参数两者与运动解耦的内在联系，并从这2个层面提出了并联机构运动解耦的4个规律，以及相应的基于基本运动链（BKC）合成与分解、基于子并联机构等效支链、基于合理选取基点，以及基于移动副平行/垂直配置等4种运动解耦设计方法，据此设计得到了15个新的运动解耦并联机构；（4）基于优选的3个Fi-Mo并联机构，研制了4个少输入-多输出并联运动装置，即基于单输入三转动输出并联机构的肩关节康复训练样机和被动式脚底按摩器，以及基于单输入两平移两转动和单输入三平移一转动并联机构的四向输出并联振动筛，并分别进行了初步的实验研究。项目期间共发表论文55篇(其中，SCI、EI36篇)、授权发明专利24件、项目鉴定2项、获奖4项、培养硕士21名、举办国际会议3次。项目的研究成果对拓展并联机构的设计理论与应用范围, 发明一类结构简单、制造容易、高效可靠、维修方便、节能减排的优良新机构，以促进新兴产业的发展，具有重要的理论意义及较好的实用价值。