2-DOF可展单元空间模块化机构研究

发布时间：2020-05-13 21:04

【摘要】：展开机构是近半个世纪以来随着空间技术与现代机构学不断发展而诞生的一种新型机构,在航空航天、土木建筑、医疗器械等领域已取得广泛应用。为设计一种折叠率高的新型空间桁架式展开机构,本文提出了一种空间2-DOF模块化可展单元,并完成了构型分析及综合、机构运动学分析与拓扑特性分析等工作,为空间展开机构的设计与分析提供理论依据和计算方法,具体如下:(1)2-DOF可展单元的构型分析与综合通过分析2-DOF可展单元的自由度、几何协调条件与可折叠条件,验证了其构型原理的正确性。然后针对2-DOF可展单元作构型综合,提出了四种模块化构型方式:一维线性展开、横向-纵向二维展开、径向展开与圆弧展开,分析了机构的两种展开方式:同步展开与顺次展开,并利用UG运动学仿真加以验证,实现创新设计。最后研究了任意两个2-DOF可展单元能够组合的条件,并推导了组合机构的展开轨迹方程,利用该方法能够实现机构的展开轨迹为任意曲线。(2)机构运动学分析与驱动策略选取选取具有单个2-DOF可展单元的一维线性展开机构为典型机构,将其简化为描述其运动学特性的平面机构,基于封闭环矢量法建立了机构的运动学模型,推导了各节点的运动轨迹方程。然后研究了等速驱动策略下,具体机构的运动情况,得出结论:机构在初始收拢状态发生奇异,但该奇异位置不干扰机构的正常运动;等速驱动策略虽能实现机构正确展开,但会导致初期的展开运动不稳定。最后,通过分析具体机构在梯形驱动策略、多项式驱动策略、摆线驱动策略下各构件的角速度、角加速度曲线,提出了一种组合驱动策略,能够有效改善机构的展开运动。(3)机构的拓扑特性分析利用变胞原理的机构拓扑特性分析方法,基于图论构造了三种描述机构拓扑特征信息的矩阵,并通过其行列变换研究了典型机构在工作周期内拓扑结构的改变,揭示了机构内部拓扑特征的传递。然后推导了描述以上变换过程的演变方程,实现了机构拓扑分析的计算机求解。最后分析了典型机构的空间紧凑性、动态灵敏度及整体刚度,揭示了桁架机构的固有属性。(4)2-DOF可展单元的应用研究针对目前固定车库少、露天停放不安全等问题,设计了一种基于2-DOF可展单元的便携式可展车用帐篷,提出了车用帐篷支撑桁架机构的设计方法。然后基于某车型,求解了支撑桁架机构中各构件尺寸,提出了铰链在规定角度自锁的实现形式。
【图文】：

变化图,相关节点,夹角,变化图

2-DOF 可展单元空间模块化机构研究最后，拆分可展单元 3 与可展单元 7，如图 2-20 所示。所述单元包含 9 个活动构件与 14 个铰链，机构自由度为 1，而其均具有两个驱动体，因此，单元 3、7 中驱动体必定相关。现利用运动仿真分析来验证可展单元 3、7 中驱动体相关。针对图 2-17 所示组合机构，作仿真分析，测量铰链 A、B、C、D 处夹角 θ1、θ2、θ3、θ4的变化。设定仿真时间为 90s，且各驱动体的转速相同，其方向如图 2-17 中示箭头所示。经测量得到 θ1与 θ3、θ2与 θ4的变化情况完全一致，相关夹角变化如图 2-21 所示。

示意图,相关节点,轨迹,示意图

a）节点 B、C、D、F 的运动轨迹 b）节点 E、G、H 的运动轨迹图 3-4 相关节点的运动轨迹示意图Fig. 3-4 Motion trajectory diagram of related nodes针对图 3-3 所示的平面简化机构，分析其运动轨迹曲线，，可知其纵向极限位于构件7l 上的节点 D，极限值为 108.02mm，此时相应的驱动变量 α1= 9°，α2= α3= 16.43°；机构的横向极限位于构件10l 上的节点 E，极限值为 185mm，此时机构处于完全展开状态，驱动变量 α1= 90°，α2= α3= 78.235°，由此即可得出平面简化机构的运动范围。另外，节点 B、C、F 的运动轨迹为圆弧，反映了构件 l1、l3与 l4作定轴转动。
【学位授予单位】：陕西科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V423

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