变包机构和柔性机构的应用及其特征

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1、HUNANUNIVERSITY高等机构学论文论文题目:变包机构和柔顺机构的应用及其特征学生姓名:学生学号:专业班级2015年2月1日1.变包机构71.1变胞机构的提出及研究对象变胞机构(Metamorphicmechanism)的概念是由UniversityofLondon的戴建生与ReesJones于1998年在亚特兰大(Atlanta)召开ASME第25届机构学双年会上提出的[1]。该机构的发现起源于对包装纸盒的研究，按照传统机构的概念，把折叠纸盒的纸板看作杆件，把折痕看作运动副，这样对纸盒的研究就可以等效为对相应机构的研究.在纸板折叠成纸盒的过程中，绕折痕将对应

2、的各个纸板连在一起时，机构的有效杆件数目发生了变化，从而机构的自由度数也将发生改变，这显示了变胞机构是一种具有构态变化和自动组合等特点的机构，它能在不同的状态下提供不同的自由度数，并自动组合成一种新的结构，以适应不同的功能需要。图1-1所示的六面体是变胞机构的一个典型例子，在该六面体结构中，两个面之间的夹角均相等，将其展开成平板形式，如图1-2所示该平板由三个成L形连接的正方形纸板组成，图1-2中的虚线为折痕。图1-1折叠起来的六面体图1-2六面体的展开图纸板沿折痕竖起相当于杆件绕转动副作旋转运动。折痕和纸板的连接关系是运动副和连杆的连接。如图1一所示是六面体机构的等

3、效机构示意图和实物图，纸板绕折痕旋转时，该六面体机构将出现几种不同的状态，机构的有效杆件数目和自由度数都将发生变化.图1-3(b)所示的是该机构的始态，旋转纸板，将侧板4'与板1固定，这将形成一个运动副，与之相应的六面体结构就减少了有效杆件的数目。在第二个状态里，机构由铰点((1,2),(2,3)、(3,4)和(4,1)形成了一个具有4个“腿”的球形的联动装置，铰点被连为一体且可以自由转动。当固定3'板和5板的时候就出现了该机构的第三个状态，这时机构将变成一个如图1-1所示的具有多个铰点的六面体结构。在整个运动过程中机构的连接杆件数目和连接性都已经发生了改变，因此该机

4、构是一个典型的变胞机构。(a)六面体等效机构图(b)六面体机构的实物图图1-3六面体机构等效机构图和实物图7图1-4说明了该机构的构态变化，图1-4(a)和图1-4(b)显示了该机构的始态和终态的拓扑图。(a)合并前示意图(b)合并后示意图图1-4机构折登合并前后的拓扑图传统机构一般定义为由一定数目的刚性构件通过运动副连接组成的机械系统，变胞机构则是指机构由一种构态变换到另一种构态时机构的有效杆件的数目发生变化，从而机构的自由度数发生改变的一类机构。这种机构可能以一种开链的形式开始，最后变成一个结构。因此，变胞机构主要的研究对象是在运动过程中有效杆件数目和自由度数可变

5、的多杆机构。1.2变胞机构的国内外研究现状Dai.J.S和ReesJonesJ在1999年应用图论和邻接矩阵的方法，对一些典型变胞机构的等效机构和构型变换进行了进一步研究，提出了一种用矩阵运算描述机构构态变换的方法。戴建生和张启先于2000年首次在国内介绍了变胞机构的概念和特点。2001年台湾成功大学Lee和法国Herve提出了断续自由度(DiscontinuityMobility)机构。2002年李端玲等综合运用旋量理论、图论、多回路机构分析等多种方法，对魔术花球机构的自由度和构态变化进行了分析，对机构的构成原理和机构中的运动链展开进行了计算，完善和发展了变胞机构的

6、理论。2003年李端玲对变胞机构的机构学进行了分析，提出了一种行之有效的变胞机构构态变化的矩阵消阶法和一种变胞机构结构综合的方法，推动了变胞机构的理论发展:新加坡南洋理工大学Chen等开发一种变胞水下车，利用变胞思想变换车型，通过控制车的构态变化，来完成所需的任务。2004年刘川禾等在研究了变胞机构后，提出了变胞的三种方式;北京航空航天大学田娜、丁希仑等开发的火星变胞探测车，利用变胞原理采用构件变换，使该车型变换不同的行走方式。2005年郭宗和等对变胞机构的基本理论进行了研究，规范了变胞机构的定义、变胞的目的、变胞机构的分类和变胞的方法且提出了变胞运动链的概念和几种变

7、胞运动副。2006年张贞等利用一系列矩阵运算，对变胞机构的结构综合进行了研究，提出了任意构态的变胞机构的结构综合方法。变胞机构的研究目前在国内外都处于起步阶段，自从该机构提出以后，已经引起了许多国内外学者的关注，但变胞机构的理论还有待完善。1.3变胞机构研究的理论意义7变胞机构是从一个崭新的角度来研究机构学，基于生物学中细胞分裂和再生的概念，对该机构命名了一个全新的机构概念。变胞机构改变了传统机构学的形式分析和构件数分析，有望对传统机构学的机构概念和设计方法有所突破，促进传统机构学的发展.对这种新机构的研究除了有关结构学、运动学和动力学外，还涉及到图