可變約束和機械自適應結構的綜合設計與應用研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代生產及科學技術的發(fā)展，為提高機械系統(tǒng)的運動學、動力學性能與智能化水平，使機械自身對各種內部和外部不確定因素變化具有自調與自適應功能的機械結構，正日益成為機構學研究的熱點。
　　機械自適應結構，是指無需通過測控，僅僅依靠機械本身可以自動適應外部工作條件、對象、工作參數(shù)變化的一種機械結構，具有這種自適應結構的機械就稱為了自適應機械。自適應機械一般都具有多自由度、變結構、變自由度的結構特征，且原始驅動件的數(shù)量都小于機械的自由度數(shù)

2、量，一般為欠驅動機械系統(tǒng)。機械自適應結構，是一種基于可變約束的機械結構。是利用可變約束的可施加、可釋放、可調、可控等結構特征，使機構自身具有自動調整和適應外部變化的功能的。
　　具有自適應功能的機械已在工程實際中得到了廣泛的應用。但對其共性的工作機理及其綜合設計的理論與方法還缺乏系統(tǒng)的研究，對自適應機械尚缺乏較明確的定義與分類，制約了它的發(fā)展和應用創(chuàng)新。正是基于此需要，本論文對可變約束和機械自適應結構進行了較深入，系統(tǒng)的分析與研究

3、。
　　本論文的主要工作有：
　?、僭谠敿毞治鰴C械中的可動聯(lián)接與約束性質的基礎上，基于廣義約束及設計應用的觀點，提出了運動約束和動力約束、內部約束和外部約束、基本約束和過約束以及常約束和可變約束的機械約束分類方法，分析了各類約束的基本性質和特征。并首次將機械中的可變約束分為可變運動約束、可變幾何約束、力封閉約束和動力約束，列出了各種可變約束的特征表達式，指出了其可變、可調及可控因素，及可變約束的作用及應用范圍。為自適應機械結

4、構的分析與設計奠定了基礎。
　　②在機械自調結構研究的基礎上，通過對已有自適應功能的機械的深入分析，定義了：自適應機械，是指對其外部工作對象、環(huán)境、條件的不確定性和變化，無需通過測控，且不包含專門的控制機構，而是依靠機械本身的結構自動調整來實現(xiàn)對變化的自動適應，從而可靠地完成預期工作要求的機械裝置。深入研究了自適應機械的工作機理，指出其“自適應”，實質上就是對機械的約束和自由度變化的自動適應。其自適應功能，根本上是基于可變約束結構

5、的力、能特性及其參數(shù)的可變與可調控性，是通過對自由度的約束和釋放，調整機械自身的結構特征來實現(xiàn)的。
　　③提出了按自適應機械的功能結構特征及其自動適應的對象來劃分的兩種自適應機械分類方法。重點針對變結構自適應機械、變自由度自適應機械和內力封閉自適應機械，闡明了其主要結構特征及自適應機理。并根據(jù)它們的共性特征，較系統(tǒng)地提出了自適應機械綜合的要點，給出了自適應機械綜合設計的一些基本原則和通用方法。
　?、茚槍攘Ψ忾]自適應機械多

6、方案設計的需要，系統(tǒng)地完善了一種新的型綜合方法—胚圖支鏈法。以此為基礎，研究并創(chuàng)新了一種基于全回路拓撲特性矩陣的運動鏈同構辨識法，綜合出了自由度為0或－1的十桿(包括十桿)以下的運動鏈的全部獨立構型。深入分析和研究內力封閉自適應機械設計的內容、方法和原則，提出了其方案設計及功能結構設計的程序以及一般原則和方法。并通過實例詳細論述了其結構及尺寸設計的過程與方法。
　　⑤提出了一種以單自由度關節(jié)連動式仿人手指為基礎的條件自適應手指設計

7、方案。首先仿照人手指從伸直到握拳過程中三關節(jié)的相對位姿，綜合其單自由度機構，再通過在原機構中增加一個條件自由度來提高和完善其自適應功能。對欠驅動3自由度手指機構的構型設計、關節(jié)可變約束的結構方案及獲得條件自由度的方法進行了較深入的探討。建立了欠驅動手指具有可變力(力矩)約束的準靜力學模型；提出了按連動手指優(yōu)化的參數(shù)，選定三個指節(jié)的尺寸，并以傳動角最佳及握緊的中間狀態(tài)為基本構型，以三個接觸力相等為優(yōu)化目標的綜合方法。建立了優(yōu)化目標函數(shù)，確

8、定了優(yōu)化參數(shù)，采用粒子群法進行優(yōu)化，得到了多組可供優(yōu)選的可行解。通過對虛擬樣機仿真實驗，論證了手指機構較強的自適應功能。
　?、拊诜治鲋劁摳郀t折疊式堵渣機功能結構特征的基礎上，根據(jù)其自適應結構存在的主要問題，提出了采用兩組槽銷副加彈簧力封閉約束的可變自適應結構來代替原有的重錘—滾子—擺桿式力封閉高副結構，有效的提高了工作的穩(wěn)定性和可靠性，完善了自適應功能。通過虛擬樣機仿真試驗結果表明本文設計方法是正確的、有效和可靠的。