【摘要】：機(jī)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是機(jī)構(gòu)學(xué)研究的直接對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行描述和分析是機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)學(xué)的基礎(chǔ)，對(duì)其進(jìn)行綜合是機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。目前，不僅穩(wěn)定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究重點(diǎn)已覆蓋到非線性、強(qiáng)耦合的廣義機(jī)構(gòu)系統(tǒng)，而且變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也成為研究熱點(diǎn)。然而，在研究?jī)?nèi)容上，不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的理論研究相對(duì)獨(dú)立，機(jī)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)本身和相關(guān)概念的界線比較模糊，同時(shí)，尚未有考慮驅(qū)動(dòng)和機(jī)架在內(nèi)的穩(wěn)定拓?fù)浜妥兺負(fù)浣Y(jié)構(gòu)整體分析模型；此外，工程中迫切需要理論指導(dǎo)的專利資源有效利用在機(jī)構(gòu)綜合研究中仍是一個(gè)尚未探索的新課題。在研究方法上，直接運(yùn)用數(shù)學(xué)方法和力學(xué)原理對(duì)非數(shù)值、非線性、變結(jié)構(gòu)和強(qiáng)耦合機(jī)構(gòu)拓?fù)湎到y(tǒng)進(jìn)行研究，難以全面描述其詳細(xì)結(jié)構(gòu)信息，對(duì)于含有復(fù)合鉸鏈和變胞運(yùn)動(dòng)副等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的拓?fù)湎到y(tǒng)，分析和綜合非常困難，迫切需要改進(jìn)研究方法，從更廣泛的角度尋找解決途徑。 本文針對(duì)廣義化和變結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)拓?fù)湓诿枋�、分析和綜合中存在的上述問(wèn)題，采用TRIZ理論、公理設(shè)計(jì)理論、復(fù)雜性理論、組合技法、設(shè)計(jì)目錄等多種具有不同優(yōu)勢(shì)的創(chuàng)新技法，結(jié)合數(shù)學(xué)方法和力學(xué)原理，開(kāi)展了深入系統(tǒng)的研究。 本文完成主要研究工作如下 （1）針對(duì)機(jī)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)缺乏系統(tǒng)模型、相關(guān)概念模糊不確定的問(wèn)題，從集合論角度，對(duì)機(jī)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)鏈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、變拓?fù)錂C(jī)構(gòu)、可重構(gòu)機(jī)構(gòu)、變胞機(jī)構(gòu)、穩(wěn)定構(gòu)態(tài)、變拓?fù)錁?gòu)態(tài)和變胞構(gòu)態(tài)等概念提出了嚴(yán)密的數(shù)學(xué)表達(dá)；基于TRIZ物-場(chǎng)分析方法，建立了機(jī)構(gòu)系統(tǒng)物-場(chǎng)模型；運(yùn)用公理設(shè)計(jì)理論，對(duì)運(yùn)動(dòng)副物-場(chǎng)建立了功能域和物理域模型；運(yùn)用TRIZ標(biāo)準(zhǔn)解找到了理想化模型轉(zhuǎn)化方案；示例表明這些定義和模型可從不同層次對(duì)拓?fù)湎到y(tǒng)進(jìn)行有效描述和分析。 （2）針對(duì)復(fù)合鉸運(yùn)動(dòng)鏈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)強(qiáng)耦合關(guān)系難以描述及同構(gòu)識(shí)別困難的問(wèn)題，按照復(fù)合鉸鏈理想化模型轉(zhuǎn)化思路，基于功能獨(dú)立性公理，引入pin構(gòu)件對(duì)復(fù)合鉸鏈進(jìn)行解耦，建立轉(zhuǎn)化鄰接矩陣對(duì)含復(fù)鉸運(yùn)動(dòng)鏈進(jìn)行描述，并提出了運(yùn)用其階數(shù)、對(duì)角線元素向量、矩陣特征值和特征向量等參數(shù)判斷運(yùn)動(dòng)鏈拓?fù)渫瑯?gòu)關(guān)系的新方法，通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證了方法的有效性。 （3）針對(duì)變結(jié)構(gòu)、非線性變胞運(yùn)動(dòng)副難以全面描述其結(jié)構(gòu)信息的問(wèn)題，將復(fù)雜性概念引入運(yùn)動(dòng)副物-場(chǎng)對(duì)模型中的“物質(zhì)”進(jìn)行描述；基于組合創(chuàng)新技法定義了約束函數(shù)，用于廣泛描述運(yùn)動(dòng)副的性質(zhì)、類型、級(jí)別、自由度、方位、約束的有效性、作用的程度及其變化等諸多信息；按照變胞副理想化模型轉(zhuǎn)化思路，定義了反映運(yùn)動(dòng)副蛻化和激活狀態(tài)的變胞基因，建立了基本運(yùn)動(dòng)副變胞模型；基于效應(yīng)原理，分析了基元變胞的物理實(shí)現(xiàn)方式。實(shí)例應(yīng)用驗(yàn)證了這些理論的正確性和有效性。 （4）針對(duì)變拓?fù)錂C(jī)構(gòu)非數(shù)值、非線性構(gòu)態(tài)變化難以分析的問(wèn)題，提出了機(jī)構(gòu)構(gòu)態(tài)切換的6個(gè)充分條件；基于TRIZ沖突問(wèn)題解決技法，分析了變拓?fù)錂C(jī)構(gòu)物-場(chǎng)的物理沖突，提出了利用穩(wěn)定構(gòu)態(tài)作為內(nèi)部資源構(gòu)建變拓?fù)錂C(jī)構(gòu)超系統(tǒng)模型—胞源機(jī)構(gòu)的新思路；運(yùn)用集合論和旋量理論對(duì)胞源機(jī)構(gòu)進(jìn)行了描述和分析，構(gòu)建了基于運(yùn)動(dòng)副約束函數(shù)的胞源機(jī)構(gòu)鄰接矩陣，建立了6類變胞形式的機(jī)構(gòu)變胞態(tài)變胞方程。實(shí)例證明了理論的可行性和有效性。 （5）針對(duì)面向?qū)＠Y源進(jìn)行機(jī)構(gòu)綜合創(chuàng)新的新課題進(jìn)行了研究�；赥RIZ功能裁剪法和設(shè)計(jì)目錄，構(gòu)建了機(jī)構(gòu)綜合再創(chuàng)新程序化過(guò)程理論模型，通過(guò)實(shí)例應(yīng)用證明了該過(guò)程模型在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的可操作性和實(shí)用性。 總之，本文對(duì)機(jī)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的相關(guān)概念進(jìn)行了嚴(yán)密數(shù)學(xué)定義，明確了概念之間的關(guān)系。運(yùn)用諸多創(chuàng)新技法，結(jié)合數(shù)學(xué)方法和力學(xué)原理，對(duì)穩(wěn)定拓?fù)浜妥兺負(fù)錂C(jī)構(gòu)的概念和系統(tǒng)模型進(jìn)行了基礎(chǔ)研究、對(duì)含復(fù)合鉸鏈和變胞運(yùn)動(dòng)副的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)描述和分析問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)研究、對(duì)利用專利資源進(jìn)行機(jī)構(gòu)綜合創(chuàng)新設(shè)計(jì)進(jìn)行了初步探索。本文研究工作為機(jī)構(gòu)學(xué)研究和機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了新的理論和方法，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
【學(xué)位授予單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號(hào)】：TH112
【圖文】：

(c) DELTA 機(jī)器人 (d) TRICEPT 機(jī)器人 (e) TRIVARIANT 機(jī)器人圖 1.1 空間機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)類型對(duì)空間機(jī)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的描述，早期主要是基于經(jīng)驗(yàn)方法、經(jīng)典數(shù)學(xué)或力學(xué)方法對(duì)構(gòu)件進(jìn)行分析，如四參數(shù) D-H 標(biāo)記法、歐拉角（Euler angle）方法，但在公開(kāi)文獻(xiàn)中少而零散[38-39]。近二十年來(lái)，隨著機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)的迅速發(fā)展，空間機(jī)構(gòu)學(xué)理論研究形成了 3 種主流理論和方法，即基于螺旋理論的方法、基于位移子群/子流形的方法、基于單開(kāi)支鏈和方位特征的方法[40-61]。三種方法的出發(fā)點(diǎn)不同，所依賴的數(shù)學(xué)工具不同，都以獨(dú)立的理論體系存在[62]。螺旋理論采用傳統(tǒng)符號(hào)法表示機(jī)構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并附加上、下標(biāo)表示運(yùn)動(dòng)副軸線之間的幾何關(guān)系，定義互易螺旋系運(yùn)動(dòng)螺旋和力螺旋，用于描述剛體運(yùn)動(dòng)中的速度和角速度、力和力偶等參數(shù)。該理論給出了包含運(yùn)動(dòng)位置參數(shù)的機(jī)構(gòu)自由度公式，螺旋系的運(yùn)算規(guī)則為線性運(yùn)算，螺旋系的相關(guān)性與定坐標(biāo)系無(wú)關(guān)。運(yùn)用螺旋理論使問(wèn)題描述變得簡(jiǎn)潔統(tǒng)一，但由于螺旋系瞬時(shí)性的特點(diǎn)，需要對(duì)其進(jìn)行相關(guān)性判別，而這在一些情況下是非常困難的。位移子群/子流形方法采用位移子群符號(hào)描述李群代數(shù)結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)

(b) 雙構(gòu)態(tài)門(mén)閂機(jī)構(gòu)[97](c) 被動(dòng)柔順欠驅(qū)動(dòng)手指[98](d) 激光切割裝備的一種雙穩(wěn)態(tài)柔順正交平面機(jī)構(gòu)[99](e) 離線可重構(gòu)模塊化夾具[100](f) 鋼材自動(dòng)夾緊切斷機(jī)構(gòu)[101](g) 水下變胞探測(cè)車[103]Balloon chamberWall & SlidingpanelLower plateClampSteelDisk SawLoadingLoadingLoading12345671111235467111123456711163366336

1 設(shè)計(jì)過(guò)程中的“復(fù)雜因素”“復(fù)雜性”“不確定性”和“困難”理論在機(jī)構(gòu)學(xué)方面的研究還極少。Khan 運(yùn)用復(fù)雜性準(zhǔn)則對(duì)進(jìn)行了研究，提出了機(jī)器人設(shè)計(jì)中一個(gè)定量的概念評(píng)估框復(fù)雜性及其評(píng)價(jià)指標(biāo)；基于多樣性概念，提出了評(píng)估曲線——規(guī)則性損失(Loss of Regularity，LOR)；提出了 6 項(xiàng)評(píng)彈性靜力學(xué)和彈性動(dòng)力學(xué)性能、工作空間、執(zhí)行機(jī)構(gòu)復(fù)雜性能的復(fù)雜性準(zhǔn)則[167]。述研究基礎(chǔ)，本章引入復(fù)雜性概念，對(duì)運(yùn)動(dòng)副物－場(chǎng)模型運(yùn)動(dòng)副元素進(jìn)行描述。副“物質(zhì)”的復(fù)雜性描述物－場(chǎng)模型中的“物質(zhì)”是構(gòu)成運(yùn)動(dòng)副的兩構(gòu)件及其接觸其表面由不同的曲面組成。在此，將運(yùn)動(dòng)副模型中構(gòu)件上為“物質(zhì)”的復(fù)雜性。構(gòu)中，常見(jiàn)運(yùn)動(dòng)副的表面都是比較簡(jiǎn)單、規(guī)則的三維幾何

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2798345