多自由度混合驱动型可控机构设计理论与应用研究

As one of controllable mechanisms, the research on hybrid-driven mechanisms has nearly 20 years history. So far, the research on hybrid-driven mechanisms is mainly about 2-DOF hybrid-driven mechanism, their application also mainly foucs on the field of presses. However, the research on three or multiple-DOF hybrid-driven mechanisms is seldom. This project investigates the design theory and method of multiple-DOF hybrid-driven mechanism..Studying the system composition, the rotation capacity of drive parts and the matching problem of the drive types; Studying flexible output trajectory characteristics, kinematics characteristics, dynamic characteristics and design of control system and system dynamic simulation of new type multiple-DOF hybrid-driven mechanisms, which are obtained by integrating various topological configurations with various types of drive parts. Studying the optimum design theory of hybrid-driven mechanism with different drive types, which takes the best power matching, the workspace parameters optimization as design obiective. Studying the application of hybrid-driven controllable mechanisms. .The research achievement of the project will establish systematic design theory and expand application scope of hybrid-driven mechanism.It will lay a foundation for developing hybrid-driven mechanism from plane to space and play an important role in enriching and developing the design theory and method of modern mechanism.

混合驱动机构作为可控机构的一种，其研究已有近二十年的历史。但至今对混合驱动机构的研究主要针对二自由度，其应用也主要集中在压力机领域。而对三自由度及以上的多自由度混合驱动机构的研究甚少。本项目将从三自由度机构着手，系统研究多自由度混合驱动机构的设计理论与方法。具体研究多自由度混合驱动机构的系统组成、驱动件转动能力及驱动类型匹配问题；将各种拓扑构型与不同驱动件类型相匹配组成新型多自由度混合驱动机构，研究其柔性输出轨迹特性、运动学特性、动力学特性，进行控制系统设计及系统动态仿真；针对在不同驱动类型下的混合驱动机构，以追求功率匹配最佳、工作空间参数最优等为设计目标的优化设计；进行多自由度混合驱动可控机构的应用研究。本项目的研究成果将建立系统的多自由度混合驱动机构的设计理论，拓展应用范畴。将对混合驱动机构由平面向空间发展奠定基础，对丰富和发展现代机构学设计理论与方法发挥重要的作用。

多自由度混合驱动可控机构是现代机构学的重要分支之一。本项目系统研究多自由度混合驱动机构设计理论与方法，包括混合驱动机构的型综合、混合驱动特性、运动学及动力学特性、轨迹特性及性能优化等研究。.提出了混合驱动机构型综合的基本理论。其中运动链的基本回路理论揭示了运动链的构件、运动副以及各基本回路存在的关系，提出了运动链的同构识别方法和刚性子链识别方法。针对混合驱动机构驱动件可转动能力、类型匹配问题，实现了运动链取不同构件为机架、驱动件为连架杆时，可控机构型综合的自动化。提出了可重构球面机构的设计方法，通过运动副的自锁和切换，实现了6-DOF与3-DOF球面机构之间的转换，以及不同构型的3-DOF球面机构之间的转换。基于5R模型提出了可重构并联机构设计方法，并应用于纸箱封箱机的设计中。.对不同构型的3-DOF混合驱动机构的轨迹特性和运动学特性进行了研究。对支链含球面副的3-DOF可重构并联机构的工作空间进行了比较和优化。对3-RRP、3-PRP等平面并混联机构的运动学性能进行了研究。对3-PPRS等空间并混联机构的运动学性能和动力学性能进行了研究，得出混合驱动机构输出参考点的运动轨迹的变化规律。.建立了混合驱动机构的动力学模型，获得了满足输出运动轨迹的混合驱动机构的驱动构件的速度、加速度、驱动功率的变化，实验数据表明驱动功率变化平稳。发现了刚柔耦合构型中考虑机构的柔性后，构件弹性变形对机构运动精度产生影响，混合驱动下动力学特性与驱动特性的关系。对3-RRR、3-PPR并联机构的结构参数、运动学参数及动力学参数进行了优化。.开发了多自由度可重构并混联机构组件系统、机构与机器人参数测量和性能分析系统实验平台，能对研发的各种混合驱动并混联机构的运动学性能和动力学性能进行测试，测试精度能满足工程要求，该平台对并混联机构的科学研究及人才培养将发挥重要作用。