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1、第卷第期机械工程学报年月闷’变胞原理和变胞机构类型戴建生伦敦大学国王学院机械工程系伦敦英国丁希仑北京航空航天大学机器人研究所北京邹慧君上海交通大学机械工程与动力学院上海摘要追述了变胞机构的发展,首次阐述了变胞原理及其在变胞机构的应用。进一步探讨了变胞机构与其他机构的,,。区别提出了变胞机构的延伸和分类有助于挖掘具有变胞特性的原有机构和设计构造新的变胞机构探讨了变胞方式,阐明了数学模型在变胞构态演变中的运用。并进,一步运用各种例子探讨了变胞机构在国内外的发展和在机器人以及制造业的应用,尤其是变胞原理在机器人及机器手的应用。该研究奠定了变胞机构的理论基础,为变胞机构新的研究和发展开拓了道
2、路。:关健词变胞机构原理数学模型应用:中圈分类号THllZ,进而提出变胞机构的几种类型和变胞的几种方式O前言由此展示了开发变胞机构的新途径。并进一步阐述,了变胞机构原理阐明了变胞机构与其他机构的区机构是机器和机器人的基本组成。机构学奠定别以及新变胞机构的开发途经。了机械工程、仪器工程和控制工程等多种学科的理,,论基础并广泛采用了各种数学工具数学背景雄变胞机构的发展。厚从最古老的杠杆原理到18和19世纪盛行的应’。用数学【延伸到机构分析与综合20世纪下半叶。嘟变胞机构的研究可以追述到1995年这一研究,兴起的现代机构研究和机器人的发展使机构学己起源于应用多指手进行装演式礼品纸盒包装的研
3、。,。经发展成一门成熟的科学随着机构学的发展应究l4]礼品纸盒类似于花样折纸可用于衍伸出新的、、、。用于机构研究的旋量理论代数影射几何群论机构s[,61用折纸来研究机构可追述到Cundy和。。,以及图论也有了新的含义和发展Roflet[7]在1952年的研究借用折痕为旋转轴连,。,。然而机构的发掘和机构学的发展没有停止接纸板为杆件折纸可以构造出一个机构其典型,。尤其在20世纪90年代至今一些老机构的新含义的例子可见图l纸折的San卫s机构,。被开掘一些新型机构出现其中具有代表性的是基于机构的自我组合和自我重构而出现的新机构。其是源于人类开发大自然和开拓外空间的实际需,求是对传统的定自
4、由度和定拓扑结构的机构的一个新的突破和拓宽。变胞机构z[,3是]在这一机构学的新的发展下于。图I折纸作出的San习s机构198年提出的这一新类型机构能够根据环境和工,,“”,况的变化和任务需求进行自我重组和重构具有这一机构是在L纸板条上作折痕折叠并连。极其广泛的应用介绍了变胞机构的提出过程和目接纸板条尾端而成。在研究折纸式装饰性纸盒和研,,,..前国内外的发展状况引出了变胞机构的各种方式制自动操作多指手的过程中戴建生和JJeRes12,3]发现了新一类机构。这一新类型机构除了具有类似,可展式机构的高度可缩和可展性外还可改变杆件。,.国家自然科学基金资助项2以润0512收200501目
5、(507509)到初稿07,。数改变拓扑图并导致变自由度用进化论和生物收到修改稿机械工程学报第卷第期。,...,度完成变胞过程2004年cHiLu和.TL物ngl’4]学细胞分裂重构和胚胎演变的观点来解释这一机。,,构具有变胞功能由此一些机构由装饰性折纸抽研究了变胞机构的变胞方式提出了利用杆件的祸象演变并脱颖而出。合,利用杆件连接关系的变化和运动副的特性变化,典,型的球面变胞机构可以从一常见的折纸抽象以达到变胞同时提出了一些值得深思的问题包括。,.,。DL演变而生见图2和图3挖掘一些具有变胞特性的现有机构在这一年iL,J.5.Dia等l5[】从邻接矩阵演算出发,推出了一,’变胞机构综
6、合的规律提出从拓扑理论【61开掘新的....。,变胞机构同年J5Dai和JJRees[`,l进一步推,广了变胞机构拓扑变化的数学模型为其推广和应用奠定了基础。2变胞原理和变胞特性变胞原理就是采用特定方法,使机构的拓扑结,。构加以变化以实现机构自由度的变化通常该机,。图2构在至少一次自由度变化以后仍然具有运动能力,所谓的特定方法是采用机构自身的物理限定转换和运动。不同的特定方法决定了变胞机构的分类。,这一原理还体现在机构构件数目变化从而引起机,构外形变化以达到变胞自我重组和重构是变胞机构一个特性。这一原理区分了变胞机构与一般的可展式机’“。,构【]可展式机构广泛用于航空航天诸如卫星天线
7、和太阳能帆板。该机构具有一次自由度变化,但,。在自由度变化以后机构处于零自由度状态虽然,某些机构在终态也处于零自由度状态但变胞机构。至少在一次自由度变化以后仍可继续运行如图2图3,中的典型的球面变胞机构其自由度可由2变到1这一研究于1998年在亚特兰大召开的第25届。进而由l变到零,ASME机构学双年会上发表l2]并获得了ASME机变胞原理也区分了变胞机构与运动转向机,。,构学委员会的双年度最佳论文奖从而列入20世纪构【’9】运动转向机构是当机构超过某一点
