基于创新技法的机构拓扑结构若干问题研究

发布时间：2020-08-20 19:20

【摘要】：机构拓扑结构是机构学研究的直接对象，对其进行描述和分析是机构结构学的基础，对其进行综合是机械产品设计的重要环节。目前，不仅稳定拓扑结构的研究重点已覆盖到非线性、强耦合的广义机构系统，而且变拓扑结构也成为研究热点。然而，在研究内容上，不同拓扑结构的理论研究相对独立，机构拓扑结构本身和相关概念的界线比较模糊，同时，尚未有考虑驱动和机架在内的稳定拓扑和变拓扑结构整体分析模型；此外，工程中迫切需要理论指导的专利资源有效利用在机构综合研究中仍是一个尚未探索的新课题。在研究方法上，直接运用数学方法和力学原理对非数值、非线性、变结构和强耦合机构拓扑系统进行研究，难以全面描述其详细结构信息，对于含有复合铰链和变胞运动副等复杂结构的拓扑系统，分析和综合非常困难，迫切需要改进研究方法，从更广泛的角度寻找解决途径。本文针对广义化和变结构机构拓扑在描述、分析和综合中存在的上述问题，采用TRIZ理论、公理设计理论、复杂性理论、组合技法、设计目录等多种具有不同优势的创新技法，结合数学方法和力学原理，开展了深入系统的研究。本文完成主要研究工作如下（1）针对机构拓扑结构缺乏系统模型、相关概念模糊不确定的问题，从集合论角度，对机构拓扑结构、运动链拓扑结构、变拓扑机构、可重构机构、变胞机构、稳定构态、变拓扑构态和变胞构态等概念提出了严密的数学表达；基于TRIZ物-场分析方法，建立了机构系统物-场模型；运用公理设计理论，对运动副物-场建立了功能域和物理域模型；运用TRIZ标准解找到了理想化模型转化方案；示例表明这些定义和模型可从不同层次对拓扑系统进行有效描述和分析。（2）针对复合铰运动链拓扑结构强耦合关系难以描述及同构识别困难的问题，按照复合铰链理想化模型转化思路，基于功能独立性公理，引入pin构件对复合铰链进行解耦，建立转化邻接矩阵对含复铰运动链进行描述，并提出了运用其阶数、对角线元素向量、矩阵特征值和特征向量等参数判断运动链拓扑同构关系的新方法，通过实例验证了方法的有效性。（3）针对变结构、非线性变胞运动副难以全面描述其结构信息的问题，将复杂性概念引入运动副物-场对模型中的“物质”进行描述；基于组合创新技法定义了约束函数，用于广泛描述运动副的性质、类型、级别、自由度、方位、约束的有效性、作用的程度及其变化等诸多信息；按照变胞副理想化模型转化思路，定义了反映运动副蜕化和激活状态的变胞基因，建立了基本运动副变胞模型；基于效应原理，分析了基元变胞的物理实现方式。实例应用验证了这些理论的正确性和有效性。（4）针对变拓扑机构非数值、非线性构态变化难以分析的问题，提出了机构构态切换的6个充分条件；基于TRIZ冲突问题解决技法，分析了变拓扑机构物-场的物理冲突，提出了利用稳定构态作为内部资源构建变拓扑机构超系统模型—胞源机构的新思路；运用集合论和旋量理论对胞源机构进行了描述和分析，构建了基于运动副约束函数的胞源机构邻接矩阵，建立了6类变胞形式的机构变胞态变胞方程。实例证明了理论的可行性和有效性。（5）针对面向专利资源进行机构综合创新的新课题进行了研究。基于TRIZ功能裁剪法和设计目录，构建了机构综合再创新程序化过程理论模型，通过实例应用证明了该过程模型在产品开发中的可操作性和实用性。总之，本文对机构拓扑结构的相关概念进行了严密数学定义，明确了概念之间的关系。运用诸多创新技法，结合数学方法和力学原理，对稳定拓扑和变拓扑机构的概念和系统模型进行了基础研究、对含复合铰链和变胞运动副的拓扑结构描述和分析问题进行了详细研究、对利用专利资源进行机构综合创新设计进行了初步探索。本文研究工作为机构学研究和机械产品创新设计提供了新的理论和方法，具有重要的应用价值。
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TH112
【图文】：

空间机构,结构类型

(c) DELTA 机器人 (d) TRICEPT 机器人 (e) TRIVARIANT 机器人图 1.1 空间机构结构类型对空间机构拓扑结构的描述，早期主要是基于经验方法、经典数学或力学方法对构件进行分析，如四参数 D-H 标记法、欧拉角（Euler angle）方法，但在公开文献中少而零散[38-39]。近二十年来，随着机器人应用技术的迅速发展，空间机构学理论研究形成了 3 种主流理论和方法，即基于螺旋理论的方法、基于位移子群/子流形的方法、基于单开支链和方位特征的方法[40-61]。三种方法的出发点不同，所依赖的数学工具不同，都以独立的理论体系存在[62]。螺旋理论采用传统符号法表示机构的拓扑结构，并附加上、下标表示运动副轴线之间的几何关系，定义互易螺旋系运动螺旋和力螺旋，用于描述刚体运动中的速度和角速度、力和力偶等参数。该理论给出了包含运动位置参数的机构自由度公式，螺旋系的运算规则为线性运算，螺旋系的相关性与定坐标系无关。运用螺旋理论使问题描述变得简洁统一，但由于螺旋系瞬时性的特点，需要对其进行相关性判别，而这在一些情况下是非常困难的。位移子群/子流形方法采用位移子群符号描述李群代数结构机构

变拓扑,被动柔顺,门闩,切断机构

(b) 双构态门闩机构[97](c) 被动柔顺欠驱动手指[98](d) 激光切割装备的一种双稳态柔顺正交平面机构[99](e) 离线可重构模块化夹具[100](f) 钢材自动夹紧切断机构[101](g) 水下变胞探测车[103]Balloon chamberWall & SlidingpanelLower plateClampSteelDisk SawLoadingLoadingLoading12345671111235467111123456711163366336

曲线,复杂性,设计过程,不确定性

1 设计过程中的“复杂因素”“复杂性”“不确定性”和“困难”理论在机构学方面的研究还极少。Khan 运用复杂性准则对进行了研究，提出了机器人设计中一个定量的概念评估框复杂性及其评价指标；基于多样性概念，提出了评估曲线——规则性损失(Loss of Regularity，LOR)；提出了 6 项评弹性静力学和弹性动力学性能、工作空间、执行机构复杂性能的复杂性准则[167]。述研究基础，本章引入复杂性概念，对运动副物－场模型运动副元素进行描述。副“物质”的复杂性描述物－场模型中的“物质”是构成运动副的两构件及其接触其表面由不同的曲面组成。在此，将运动副模型中构件上为“物质”的复杂性。构中，常见运动副的表面都是比较简单、规则的三维几何

【参考文献】