變包機構和柔性機構的應用及其特征

1、湖南大學（論文）_HUNAN UNIVERSITY 高等機構學論文 論文題目: 變包機構和柔順機構的應用及其特征 學生姓名: 學生學號: 專業(yè)班級 2015年 2 月 1日1.變包機構1.1變胞機構的提出及研究對象 變胞機構(Metamorphic mechanism)的概念是由University of London的戴建生與Rees Jones于1998年在亞特蘭大(Atlanta)召開ASME第25屆機構學雙年會上提出的1。該機構的發(fā)現(xiàn)起源于對包裝紙盒的研究，按照傳統(tǒng)機構的概念，把折疊紙盒的紙板看作桿件，把折痕看作運動副，這樣對紙盒的研究就可以等效為對相應機構的研究.在紙板折疊成紙盒的過

2、程中，繞折痕將對應的各個紙板連在一起時，機構的有效桿件數(shù)目發(fā)生了變化，從而機構的自由度數(shù)也將發(fā)生改變，這顯示了變胞機構是一種具有構態(tài)變化和自動組合等特點的機構，它能在不同的狀態(tài)下提供不同的自由度數(shù)，并自動組合成一種新的結構，以適應不同的功能需要。 圖1-1所示的六面體是變胞機構的一個典型例子，在該六面體結構中，兩個面之間的夾角均相等，將其展開成平板形式，如圖1-2所示該平板由三個成L形連接的正方形紙板組成，圖1-2中的虛線為折痕。 圖1-1 折疊起來的六面體 圖1-2 六面體的展開圖 紙板沿折痕豎起相當于桿件繞轉動副作旋轉運動。折痕和紙板的連接關系是運動副和連桿的連接。如圖1一所示是六面體機構

3、的等效機構示意圖和實物圖，紙板繞折痕旋轉時，該六面體機構將出現(xiàn)幾種不同的狀態(tài)，機構的有效桿件數(shù)目和自由度數(shù)都將發(fā)生變化.圖1-3(b)所示的是該機構的始態(tài)，旋轉紙板，將側板4'與板1固定，這將形成一個運動副，與之相應的六面體結構就減少了有效桿件的數(shù)目。在第二個狀態(tài)里，機構由鉸點(1,2),(2,3)、(3,4)和(4,1)形成了一個具有4個“腿”的球形的聯(lián)動裝置，鉸點被連為一體且可以自由轉動。當固定3'板和5板的時候就出現(xiàn)了該機構的第三個狀態(tài)，這時機構將變成一個如圖1-1所示的具有多個鉸點的六面體結構。在整個運動過程中機構的連接桿件數(shù)目和連接性都已經(jīng)發(fā)生了改變，因此該機構是一個

4、典型的變胞機構。 (a)六面體等效機構圖 (b)六面體機構的實物圖 圖1-3六面體機構等效機構圖和實物圖 圖1-4說明了該機構的構態(tài)變化，圖1-4(a)和圖1-4(b)顯示了該機構的始態(tài)和終態(tài)的拓撲圖。 (a)合并前示意圖 (b)合并后示意圖 圖1-4機構折登合并前后的拓撲圖 傳統(tǒng)機構一般定義為由一定數(shù)目的剛性構件通過運動副連接組成的機械系統(tǒng)，變胞機構則是指機構由一種構態(tài)變換到另一種構態(tài)時機構的有效桿件的數(shù)目發(fā)生變化，從而機構的自由度數(shù)發(fā)生改變的一類機構。這種機構可能以一種開鏈的形式開始，最后變成一個結構。因此，變胞機構主要的研究對象是在運動過程中有效桿件數(shù)目和自由度數(shù)可變的多桿機構。1.2變

5、胞機構的國內外研究現(xiàn)狀 Dai.J.S和Rees Jones J在1999年應用圖論和鄰接矩陣的方法，對一些典型變胞機構的等效機構和構型變換進行了進一步研究，提出了一種用矩陣運算描述機構構態(tài)變換的方法。戴建生和張啟先于2000年首次在國內介紹了變胞機構的概念和特點。2001年臺灣成功大學Lee和法國Herve提出了斷續(xù)自由度 (Discont inuity Mobility)機構。2002年李端玲等綜合運用旋量理論、圖論、多回路機構分析等多種方法，對魔術花球機構的自由度和構態(tài)變化進行了分析，對機構的構成原理和機構中的運動鏈展開進行了計算，完善和發(fā)展了變胞機構的理論。2003年李端玲對變胞機構的

6、機構學進行了分析，提出了一種行之有效的變胞機構構態(tài)變化的矩陣消階法和一種變胞機構結構綜合的方法，推動了變胞機構的理論發(fā)展:新加坡南洋理工大學Chen等開發(fā)一種變胞水下車，利用變胞思想變換車型，通過控制車的構態(tài)變化，來完成所需的任務。2004年劉川禾等在研究了變胞機構后，提出了變胞的三種方式;北京航空航天大學田娜、丁希侖等開發(fā)的火星變胞探測車，利用變胞原理采用構件變換，使該車型變換不同的行走方式。2005年郭宗和等對變胞機構的基本理論進行了研究，規(guī)范了變胞機構的定義、變胞的目的、變胞機構的分類和變胞的方法且提出了變胞運動鏈的概念和幾種變胞運動副。2006年張貞等利用一系列矩陣運算，對變胞機構的結

7、構綜合進行了研究，提出了任意構態(tài)的變胞機構的結構綜合方法。 變胞機構的研究目前在國內外都處于起步階段，自從該機構提出以后，已經(jīng)引起了許多國內外學者的關注，但變胞機構的理論還有待完善。1.3變胞機構研究的理論意義 變胞機構是從一個嶄新的角度來研究機構學，基于生物學中細胞分裂和再生的概念，對該機構命名了一個全新的機構概念。變胞機構改變了傳統(tǒng)機構學的形式分析和構件數(shù)分析，有望對傳統(tǒng)機構學的機構概念和設計方法有所突破，促進傳統(tǒng)機構學的發(fā)展.對這種新機構的研究除了有關結構學、運動學和動力學外，還涉及到圖論、李代數(shù)和旋量理論等知識，是一個綜合性的研究并占據(jù)了國際上機構學和機器人學的理論前沿，對它的進一步研

8、究，將有望提出機構學研究的新理論和新方法.變胞機構的提出在傳統(tǒng)意義的機構學基礎上突破了傳統(tǒng)機構的定義，從而使機構學的研究有了更寬廣的意義。變胞機構提供了新的空間可擴展式機構，隨著對變胞機構研究的深入，將有更多的發(fā)現(xiàn)，也將研究出一些新機器、新構型，為發(fā)明新機械和改進現(xiàn)有機械的性能提供有效的理論依據(jù)和方法。1.4變胞機構研究的實際應用 變胞機構的提出引起了國際機構學和機器人學研究領域的關注。它除了對機構學理論的進一步發(fā)展做出了貢獻外，還具有廣泛的實際應用。(1)在機器人技術中的應用 利用自動組合這一特點，可將變胞機構的重組和重構特點用于機械制造和機器人研究中，如:可展開2折疊式空間伸展臂，巡線機器

9、人，爬行機器人和特種機器人等，這將對機器人技術的發(fā)展具有重大意義。(2)在包裝機械中的應用 變胞機構的概念是在對復雜多樣性靈巧包裝折疊紙盒的研究中提出的，對該類機構的研究，將對包裝業(yè)的自動化設計和自動化流水線的研究有推動作用。如適應多種形式的多樣性折疊包裝機械的設計和制造，對現(xiàn)有包裝機械進行改進等。該研究可以使機械具有更多的功能選擇和重組、重構的特征。如何從可擴展式機構向新的機構發(fā)展，構想出一種具有重組和重構特性的機構，這是一個新的挑戰(zhàn)。它有機地熔融于手工藝品和靈巧紙盒中。對這種新機構的研究也將把機構分析方法應用于手工藝品和包裝品的設計研究中，該研究對傳統(tǒng)的包裝機械提出了工藝上的挑戰(zhàn)，對多指靈

10、巧機械手提供了新的應用領域。(3)在連桿機構中的應用 除了高度可折疊特點之外，變胞機構可按不同的需求，在運動中改變構態(tài)，從而可提供具有不同自由度數(shù)的機構。例如從單一構件變化到四桿機構、五桿機構甚至是更多桿機構，從而擴大了機構的適用范圍。同樣，該類機構可完成在運動中從串聯(lián)到并聯(lián)和從并聯(lián)到串聯(lián)的機構構態(tài)的自動轉換，這些都是傳統(tǒng)機構學無法做到的。(4)在航天領域中的應用 在航天技術中，由于受到運載工具有效載荷艙幾何尺寸的限制，衛(wèi)星和空間站不可避免地大量采用可伸展可組裝結構形式，所以折疊式和可擴展式機構的研究成為國際上的一個研究熱點，如由Costabile等在1996年研究的大型衛(wèi)星天線Spence等

11、在1995年研究的發(fā)射架裝置都采用了折疊機構。變胞機構具有構態(tài)變化和自動組合的特點，能在不同的狀態(tài)提供不同的自由度數(shù)，自動組合成一種新的機構，適應不同任務，且在運動過程中可以通過機構自身桿件的相互合并達到高度的可折疊可伸展性，極大的減少了運載工具所攜帶的機構的數(shù)量，節(jié)省了載荷倉的空間。因此對變胞機構的研究可以為航天的發(fā)展提供新型的空間可擴展式機構，有望取代以往傳統(tǒng)的折疊機構。(5)在其他方面中的應用 變胞機構可展開、可折疊特性在許多方面都可以得到廣泛應用，如折疊式機車、可折疊自行車、可折疊攝像機架、折疊梯、帳篷、便攜式旅行架、升降架、軍事掩體、臨時建筑和變形玩具等。在航海上也有類似的應用，如潛

12、艇救援和海上人員換乘設備，逃生裝置等。隨著對變胞機構研究的深入，將會有更多的發(fā)現(xiàn)，其應用前景也將更為廣闊。2. 柔性機構2.1柔順機構定義 柔性機構有部分柔性機構和全柔性機構之分，其中全柔性機構又分為具有集中柔度的全柔性機構和具有分布柔度的全柔性機構。前者的特征是柔性運動代替了全部的運動副，后者的特征是無傳統(tǒng)的鉸鏈，柔性相對均勻的分布在整個機構之中。2.2柔性結構優(yōu)點 相對于傳統(tǒng)的剛性結構而言，柔性結構具有以下優(yōu)點：可減少構件數(shù)目，無需裝配，從而降低了成本；無需鉸鏈或軸承等運動副，運動和力的傳遞是利用組成它的的某些或全部構件的變形來實現(xiàn)；無摩擦，磨損及傳動間隙，無效行程小，且不需要潤滑，可實現(xiàn)

13、高精度運動，避免污染，提高壽命；可存儲彈性能，自身具有回程反力。易于小型化和大批量生產(chǎn)；易于和其他非機械動力相匹配。2.3柔性機構應用 由于柔性機構有以上優(yōu)點，使得它在微機電系統(tǒng)（MEMS）,精密定位，無裝配設計和仿生機械等領域中得到廣泛的應用。作為柔性機構最簡單形式之一的柔性鉸鏈具有結構緊湊，體積小，無間隙，無摩擦，無需潤滑，運動平滑連續(xù)喝位移分辨率高（最高可達1nm）等優(yōu)點，目前已經(jīng)在航空，宇航，精密測量，光學工程和生物工程領域獲得重要的應用。但是由于其反復變形容易引起疲勞破壞，對于具有集中柔性的柔性機構又容易出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，大變形引起的非彈性變形加上其設計和分析的難度，使得它在實際應用

14、中受到一定的限制。微電子機械系統(tǒng)(MEMS)的機械和電子組件是由單一的過程裝配在一起的,但是,在這兩種組件的設計和裝配的自動化方面存在著不平衡現(xiàn)象。總的來說,按照典型的“從功能到裝配”的方式來自動化地設計微電子線路并不困難。在此過程中,機械組件要達到相同的自動化程度則要困難得多。為了完全自動化地設計和裝配MEMS,以獲得較好的經(jīng)濟效益,因此像微電子線路那樣對微型機械設計過程開發(fā)恰當結構就很有必要。但傳統(tǒng)的機械結構是由剛性絞鏈連接組成的,它不能滿足這點及以下這些微觀領域內的要求:消除裝配需要;把全部機構限制在同一平面的一個或兩個層內;減輕摩擦的不利影響柔性機構(一種能夠全面彎曲的機械)能滿足以上

15、所有的要求,并且具有系統(tǒng)綜合的潛能。目前研究的焦點在于該機械的綜合方面及尋找系統(tǒng)的研究方法。在柔性機構中,功能行為(如所需的彈性變形)是物質實體的拓撲結構、形狀、尺寸的直接結果,這三種特性一起提供了實體在外載荷下變形及所需的運動的本質能力。因此拓撲結構、形狀、尺寸決定了該實體是否是柔性結構。2.3.1全柔性機構在MEMS中的應用 近幾年來,日本、美國、歐洲等各國都投入大量資金進行全柔性機構的研究與開發(fā),在進行基礎理論研究的同時,已相繼研制出了一些各具特色的MEMS產(chǎn)品或實驗樣機以作為MEMS的主體。相對國外,國內研究起步要晚一些,興趣的重點大都在全柔性機構的應用開發(fā)上。 全柔性機構的應用可體現(xiàn)

16、在以下幾個方面:3.1 體現(xiàn)在MEMS產(chǎn)品設計中 采用全柔性機構設計MEMS產(chǎn)品的例子很多。如微傳感器、微閥、微鼠標等。微雙穩(wěn)MEMS全柔性機構4是其中較為典型的一種,可作為微閥、微開關等。這類機構用于MEMS產(chǎn)品設計中可幫助其提高功效和定位精度等。3.2 用于MEMS產(chǎn)品的微裝配 目前成熟的MEMS器件基本上不需要裝配,但對于功能更強大,結構更復雜,由不同材料組成的MEMS器件的開發(fā)多采用LIGA(Lithog-raphy,Galvanoforming,Abformung)加工技術,它要求對各部件進行微裝配。這時采用由全柔性機構設計的微操作手,可靈活地操作這些微小部件,完成MEMS器件的裝配

17、工件。下面舉幾個這方面的例子。美國Sandia國家實驗室以AMTI4自由度全柔性空間機器人機構為平臺,研制了視覺伺服控制的微裝配機器人原型,用于LIGA部件裝配。德國Karlsruhe大學研制了壓電驅動的可實現(xiàn)大范圍運動的微裝配全柔性機器人機構。2.3.2用于微操作技術領域 (1)生物工程顯微操作 生物工程領域以微操作為實驗手段的技術主要有轉基因技術、細胞核移植、染色體顯微操作、人工受精等。由于受到生理條件等限制,靠人工進行微操作效率較低,因此開發(fā)以操作精細、自動化程度較高為特征的微操作機器人機構及系統(tǒng)來代替手工操作將有著廣闊的應用天地。目前已有的比較有代表性的例子有:日本機械工程研究所開發(fā)出

18、兩指全柔性空間機器人機構,芬蘭Tempere科技大學研制出新型3自由度液壓傳動全柔性空間機器人機構。北京航空航天大學機器人研究所先后已研制了兩套用于生物工程的微操作機器人系統(tǒng),前者采用自行研制的6自由度串并聯(lián)全柔性機構;后者的右手機構采用三自由度并聯(lián)全柔性機構(圖1)。 Fig.1 A 3 DOFfully compliant manipulator for bioengineering (2) 醫(yī)學顯微外科手術 全柔性機器人機構可用于顯微外科手術中。如進行腦外科、眼科、及腹腔外科手術等。美國現(xiàn) 已開發(fā)出用于疏通眼球視網(wǎng)膜靜脈堵塞的6自由度微操作機械手樣機。 (3) 光纖對接 全柔性機構在光學領域中也得到了廣泛的應用。如用作光纖耦合器中的精微校準平臺、用于單模光導纖維引線對位工作的可實現(xiàn)多自由度協(xié)