变胞机构和柔性机构的应用及其特征

湖南大学（论文）沏埼火多HUNAN UNIVERSITY论文题目：变胞机构和柔顺机构的应用及其特征学生姓名：学生学号：专业班级如1年 月 日1湖南大学(论文)51 .变胞机构1.1 变胞机构的提出及研究对象变胞机构(Metamorphic mechanism)的概念是由 University of London 的戴建 生与Rees Jones于1998年在亚特兰大(Atlanta)召开ASME1 25届机构学双年 会上提出的1。该机构的发现起源于对胞装纸盒的研究，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，机构由钦点(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，钦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所示的具有多个校点的六面体结构。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，因此该机构是一个典型的变胞机构。(a)六面体等效机构图六面体机构的实物图(b)图1-3六面体机构等效机构图和实物图图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的多杆机构。1.2 变胞机构的国内外研究现状Dai.J.S 和Rees Jones J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(Discont inuity Mobility) 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 涉及到图论、李代数和旋量理论等知识，是一个综合性的研究并占据了国际上机 构学和机器人学的理论前沿，对它的进一步研究，将有望提出机构学研究的新理 论和新方法.变胞机构的提出在传统意义的机构学基础上突破了传统机构的定 义，从而使机构学的研究有了更宽广的意义。 变胞机构提供了新的空间可扩展式 机构，随着对变胞机构研究的深入，将有更多的发现，也将研究出一些新机器、 新构型，为发明新机械和改进现有机械的性能提供有效的理论依据和方法。1.4 变胞机构研究的实际应用变胞机构的提出引起了国际机构学和机器人学研究领域的关注。它除了对机构学理论的进一步发展做出了贡献外，还具有广泛的实际应用。(1)在机器人技术中的应用利用自动组合这一特点，可将变胞机构的重组和重构特点用于机械制造和机器 人研究中，如：可展开2折叠式空间伸展臂，巡线机器人，爬行机器人和特种机 器人等，这将对机器人技术的发展具有重大意义。(2)在胞装机械中的应用变胞机构的概念是在对复杂多样性灵巧胞装折叠纸盒的研究中提出的，对该类机构的研究，将对胞装业的自动化设计和自动化流水线的研究有推动作用。如适应多种形式的多样性折叠胞装机械的设计和制造，对现有胞装机械进行改进等。 该研究可以使机械具有更多的功能选择和重组、重构的特征。如何从可扩展式机 构向新的机构发展，构想出一种具有重组和重构特性的机构，这是一个新的挑战。 它有机地熔融于手工艺品和灵巧纸盒中。 对这种新机构的研究也将把机构分析方 法应用于手工艺品和胞装品的设计研究中， 该研究对传统的胞装机械提出了工艺 上的挑战，对多指灵巧机械手提供了新的应用领域。(3)在连杆机构中的应用除了高度可折叠特点之外，变胞机构可按不同的需求，在运动中改变构态，从 而可提供具有不同自由度数的机构。 例如从单一构件变化到四杆机构、五杆机构湖南大学(论文)甚至是更多杆机构，从而扩大了机构的适用范围。同样，该类机构可完成在运动 中从串联到并联和从并联到串联的机构构态的自动转换， 这些都是传统机构学无 法做到的。(4)在航天领域中的应用在航天技术中，由于受到运载工具有效载荷舱几何尺寸的限制，卫星和空间站不可避免地大量采用可伸展可组装结构形式，所以折叠式和可扩展式机构的研究 成为国际上的一个研究热点，如由 Costabile等在1996年研究的大型卫星天线 Spence等在1995年研究的发射架装置都采用了折叠机构。变胞机构具有构态变化和自动组合的特点，能在不同的状态提供不同的自由度数，自动组合成一种新 的机构，适应不同任务，且在运动过程中可以通过机构自身杆件的相互合并达到 高度的可折叠可伸展性，极大的减少了运载工具所携带的机构的数量，节省了载 荷仓的空间。因此对变胞机构的研究可以为航天的发展提供新型的空间可扩展式 机构，有望取代以往传统的折叠机构。(5)在其他方面中的应用变胞机构可展开、可折叠特性在许多方面都可以得到广泛应用，如折叠式机车、 可折叠自行车、可折叠摄像机架、折叠梯、帐篷、便携式旅行架、升降架、军事 掩体、临时建筑和变形玩具等。在航海上也有类似的应用，如潜艇救援和海上人 员换乘设备，逃生装置等。随着对变胞机构研究的深入，将会有更多的发现，其 应用前景也将更为广阔。2 .柔性机构2.1 柔顺机构定义柔性机构有部分柔性机构和全柔性机构之分， 其中全柔性机构又分为具有集中 柔度的全柔性机构和具有分布柔度的全柔性机构。前者的特征是柔性运动代替了 全部的运动副，后者的特征是无传统的较链，柔性相对均匀的分布在整个机构之 中。2.2 柔性结构优点相对于传统的刚性结构而言，柔性结构具有以下优点：可减少构件数目，无需装配，从而降低了成本；无需银链或轴承等运动副，运动和力的传递是利用组成它的的某些或全部构件 的变形来实现；无摩擦，磨损及传动间隙，无效行程小，且不需要润滑，可实现高精度运动，避免污染，提高寿命；可存储弹性能，自身具有回程反力。易于小型化和大批量生产；易于和其他非机械动力相匹配。2.3 柔性机构应用由于柔性机构有以上优点，使得它在微机电系统( MEMS ,精密定位，无装配6湖南大学（论文）设计和仿生机械等领域中得到广泛的应用。作为柔性机构最简单形式之一的柔性 较链具有结构紧凑，体积小，无间隙，无摩擦，无需润滑，运动平滑连续喝位移 分辨率高（最高可达1nm）等优点，目前已经在航空，宇航，精密测量，光学工 程和生物工程领域获得重要的应用。 但是由于其反复变形容易引起疲劳破坏， 对 于具有集中柔性的柔性机构又容易出现应力集中现象，大变形引起的非弹性变形 加上其设计和分析的难度，使得它在实际应用中受到一定的限制。微电子机械系统（MEMS）勺机械和电子组件是由单一的过程装配在一起的，但是,在这两种组件的设计和装配的自动化方面存在着不平衡现象。总的来说，按照典型的“从功能到装配”的方式来自动化地设计微电子线路并不困难。在此过程中， 机械组件要达到相同的自动化程度则要困难得多。为了完全自动化地设计和装配MEMSZ获得较好的经济效益,因此像微电子线路那样对微型机械设计过程开发 恰当结构就很有必要。但传统的机械结构是由刚性绞链连接组成的，它不能满足这点及以下这些微观领域内的要求：消除装配需要；把全部机构限制在同一 平面的一个或两个层内；减轻摩擦的不利影响柔性机构（一种能够全面弯曲的机械）能满足以上所有的要求，并且具有系统综合 的潜能。目前研究的焦点在于该机械的综合方面及寻找系统的研究方法。在柔性机构中，功能行为（如所需的弹性变形）是物质实体的拓扑结构、形状、尺寸的直 接结果，这三种特性一起提供了实体在外载荷下变形及所需的运动的本质能力。因此拓扑结构、形状、尺寸决定了该实体是否是柔性结构。2.3.1 全柔性机构在MEMSP的应用近几年来，日本、美国、欧洲等各国都投入大量资金进行全柔性机构的研究与 开发，在进行基础理论研究的同时，已相继研制出了一些各具特色的 MEM金品或 实验样机以作为MEMS勺主体。相对国外，国内研究起步要晚一些，兴趣的重点大 都在全柔性机构的应用开发上。全柔性机构的应用可体现在以下几个方面:3.1体现在MEM竽品设计中 采用全柔性机构设计 MEMST品的例子很多。如微传感 器、微阀、微鼠标等。微双稳 MEM全柔性机构4是其中较为典型的一种，可作 为微阀、微开关等。这类机构用于 MEM竽品设计中可帮助其提高功效和定位精 度等。3.2用于MEM/品的微装配 目前成熟的MEM端件基本上不需要装配， 但对于功能更强大，结构更复杂，由不同材料组成的 MEMSS件的开发多采用 LIGA（Lithog-raphy,Galvanoforming,Abformung）加工技术，它要求对各部件进行微装配。这时采用由全柔性机构设计的微操作手，可灵活地操作这些微小部件， 完成MEMSS件的装配工件。下面举几个这方面的例子。美国Sandia国家实验室 以AMTI4自由度全柔性空间机器人机构为平台，研制了视觉伺服控制的微装配机 器人原型，用于LIGA部件装配。德国Karlsruhe大学研制了压电驱动的可实现大 范围运动的微装配全柔性机器人机构。2.3.2 用于微操作技术领域（1）生物工程显微操作生物工程领域以微操作为实验手段的技术主要有转基因技术、细胞核移植、染色体显微操作、人工受精等。由于受到生理条件等限制，靠人工进行微操作效率 较低，因此开发以操作精细、自动化程度较高为特征的微操作机器人机构及系统 来代替手工操作将有着广阔的应用天地。目前已有的比较有代表性的例子有：日本机械工程研究所开发出两指全柔性空间机器人机构,芬兰Tempere科技大学研制出新型3自由度液压传动全柔性空间机器人机构。 北京航空航天大学机器人研 究所先后已研制了两套用于生物工程的微操作机器人系统，前者采用自行研制的 6自由度串并联全柔性机构；后者的右手机构采用三自由度并联全柔性机构（图1）。Fig.1 A 3 DOFfully compliant manipulator for bioengineering（2）医学显微外科手术全柔性机器人机构可用于显微外科手术中。如进行脑外科、眼科、及腹腔外科 手术等。美国现 已开发出用于疏通眼球视网膜静脉堵塞的 6自由度微操作机械 手样机。光纤对接全柔性机构在光学领域中也得到了广泛的应用。如用作光纤耦合器中的精微校准平台、用于单模光导纤维引线对位工作的可实现多自由度协调运动的精微定位 平台等（如图2所示）Fig.2 A 3 DOF fully compliant mechanism for fiber alignment（4）航空航天领域空间实验站的主要研究目的之一是空间生物学的研究 ，即利用空间的特殊环境 开展基础生物学和基础医学的研究，如细胞在太空环境中的增殖，植物细胞结构 变化和组织繁殖等。由于太空环境的影响，宇航员完成这种精细操作十分困难。如果采用遥控方式，由全柔性微操作机器人完成太空细胞或基因的显微操作则更 为现实。除此之外，由于全柔性机构可免于润滑，无需考虑太空中恶劣的环境对润 滑剂骤冷骤热的影响，因此更适合在其中工作。9