一种基于特殊机构单元的形态可变机构的系统综合与应用

以一些特殊连杆机构作为基本单元，将其用串联、并联或混联等不同方法组合起来，可以得到一些形态可变的新机构类型，如形状保持不变，比例改变、从一种形状改变到另一种形状、形状和大小都发生改变或保持一定几何形状和大小，在特定几何条件下运动等，开创了机构的一些新功能，能以一种机构适应不同的空间限制场合，实现不同的应用。.本项目将探讨不同的特殊连杆机构作为基本单元，串联或并联等多种组合形式，平面与空间等多维空间的共性几何规律，刚性和柔性的具体实现方式，编制机构设计软件，得出此种机构的自动综合方法。而此种机构驱动件的设计，使这种机构整体只有一个自由度即可运动，所需电机少，控制方便，成本降低，易于实现产业化。. 这种新机构类型的出现，将会在从微观及纳米尺度直至空间大型结构方面都有所应用，提供了一些复杂设备的技术解决新方案。

本项目提出了一种新机构类型——形态可变机构。该类机构以一些特殊的连杆机构作为基本单元，运用串联、并联或混联的方式组合，从而得到一些新的机构，可以保持形状不变，几何尺度大小改变；或者从一种形状变换到另一种形状；或者形状和几何尺度大小都发生改变；或者能实现在特定几何条件下运动等，开创了机构的一些结构上的新功能，能以一种机构满足多种应用需求。.本项目探讨了多种类型基本单元的综合方法，并将基本单元作为机构模块以串联、并联或混联等多种组合方式组合，综合出各种不同的平面或空间形态可变机构类型。在对形态可变机构的研究过程中，发现了一类几何形状不变的平面和空间放缩机构并总结了这类机构的综合方法，从而实现任意几何形状的放缩机构设计。并对其机构拓扑结构研究，运用邻接图和相应邻接矩阵对形态演化过程进行定量描述，可实现机构和数学方法的结合。该方法也可以应用于有复合铰链的变胞机构和折纸机构等。将形态可变机构的单元组合方法应用于远程中心机构，可得到一类具有多个远程中心的机构类型，应用该类机构的构型及尺度综合方法可以得到任意位置远程中心机构，该方法可应用于可展机构的驱动位置设计。在进行基本单元开发和机构综合的过程中，提出的一些新综合理论和方法，并编制了相应设计软件，有利于丰富机构创新设计的新理论和新方法。.为进一步研究形态可变机构的特性，本项目对一些串联和并联机构进行了运动学分析。提出了一种3自由度球面并联机构位置正解分析的数学建模、消减方程数量和消元求解的方法，可以有效解决这种球面并联机构位置正解分析问题。在串联和并联机构的运动学研究中，提出了串联机构运动学反解的D-H四元数方法，并给出了一种平面并联机构位置正解分析的共形几何代数建模方法和改进的Sylvester结式消元法。.在对变胞机构的研究中，提出了变胞机构分析和综合的约束图法、邻接矩阵和关联矩阵法、位移子群法及旋量代数法等，这些方法可以将变胞机构的分析和综合理论由单铰扩展到复铰。.根据所提出的形态可变机构综合方法，本项目将得出的一些新机构类型应用于航空航天领域的空间球形可展机构、手术器械、可展天线、仿生机器人和特种机器人等，制作了若干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。