基于分子结构特征的变胞机构创新设计方法及应用

To establish metamorphic mechanisms' innovation design methods and solve bottleneck problems of practical application of metamorphic mechanisms, a new way based on the molecular structural characteristics of microscopic world to design metamorphic mechanisms of the macroscopic world are put forward. Then based on the proposed method theory, some practical applications of the metamorphic mechanism are designed. The molecular structural features and metamorphic mechanisms' characteristics are intrinsically linked. Molecular structure has diverse structural features. Metamorphic mechanisms can be changed into different metamorphic configurations through various metamorphic methods. It is not difficult to find that there is significant consistency between the two from this perspective. Four new design methods are proposed in the project including the molecular spatial structure-based equivalent metamorphic mechanisms design method, the molecular isomerism characteristics-based metamorphic mechanisms' configuration combination method, chemical reactions-based metamorphic mechanisms' generation method and DNA molecular mutation characteristics-based metamorphic mechanisms' configuration evolution. Then description and operation methods of metamorphic transform based on the characteristics of the molecular structure, aiming at using mathematical tools to design metamorphic mechanisms, is proposed. Through converting the diverse molecular structures of the microscopic world, these metamorphic mechanisms' innovation design methods create new metamorphic mechanisms and mechanical structures which do not exist in the macroscopic world. Diverse metamorphic mechanisms will have more practical applications.

为了建立变胞机构的创新设计方法，解决变胞机构实际应用匮乏的瓶颈问题，提出了基于微观世界的分子结构特征来设计宏观世界的变胞机构的创新设计方法，并基于所提出的方法理论进行变胞机构的实际应用设计。 分子结构特征与变胞机构特性存在着内在联系，分子结构多样化的结构特征，与变胞机构通过各种变胞方式产生不同变胞形态的变胞机构特性有着微观世界和宏观世界的统一关系。提出了基于分子空间结构特征的等效变胞机构的设计方法、基于分子异构特征的变胞机构构态组合方法、基于分子化学反应特征的变胞机构生成方法、基于DNA分子突变特征的变胞机构的构型演化。并提出了基于分子结构特征的变胞变换描述及运算方法，借助数学工具进行变胞机构设计。这些变胞机构的创新设计方法，将多样化的微观世界的分子结构，转换并创造出宏观世界的新变胞机构，并且多样化的变胞机构将使其实际应用更加广泛。

变胞机构是机构学领域的一个新研究方向，为了建立变胞机构的创新设计方法，解决变胞机构实际应用匮乏的瓶颈问题，本项目提出了基于微观世界的分子结构特征来设计宏观世界的变胞机构的创新设计方法，并基于所提出的方法理论进行变胞机构的实际应用设计。.本项目将有机分子结构学与变胞机构结合起来，分析了典型同分异构体分子相互转化过程中空间构型与化学键类型发生的变化，以邻接矩阵运算表示同分异构体分子的变化过程，对邻接矩阵进行了一系列的消阶运算，证明了同分异构体分子结构变化与变胞过程的等效性，开辟了一种构建变胞机构的新方法，为变胞机构的发展提供了一种新的思路。.本项目提出了变胞机构构态综合的约束图综合方法，这种方法引入了计算几何，克服了传统图表示方法不能区分构件类型和复铰的局限性。项目对并联变胞机构进行了四元数表示方法的探讨，建立了并联变胞机构运动学分析的统一数学模型，分析了多模态转换并联变胞机构的设计方法。.基于刚-柔-软共融机器人的发展趋势，本项目对机器人构型设计新方法进行了研究，提出了平面或空间结构功能型机构的设计方法，进一步丰富了机器人构型种类。通过对ASE及其组成机构分析，证明其远程中心位置的存在，利用这一性质，得到具有多个远程中心的新机构，该机构可用于微创外科手术支架中。本项目开展了软体机器人的探索，提出了利用编码同心软管为柔性气腔软管充、放气，利用机械控制通过编码同心软管实现驱动气动弯曲部分的新方法，可实现刚性内窥镜到软体内窥镜的转变。.本项目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、手术器械、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。