具有变胞功能的多自由度可控机构设计理论研究-东篱科研大数据发现系统（DRDS）

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具有变胞功能的多自由度可控机构设计理论研究

项目名称：具有变胞功能的多自由度可控机构设计理论研究
项目类别：面上项目
批准号：51075077
申请代码：E050102
项目来源：国家自然科学基金
研究期限：2011-01-01-2013-12-31

项目负责人：蔡敢为
负责人职称：教授
依托单位：广西大学
批准年度：2010

中文摘要：

将变胞机构与多自由度可控机构结合起来的新型机构，具有可按需要变化拓扑结构，可实现复杂的运动规律、输出规律易变化，电机都可安在机架上，避免了在铰链处，导致刚性差、惯量大的问题等优点。本项目以挖掘机为结合点，研究这类新型机构面向任务的机构设计问题。现在的挖掘机主要有单自由度的机械传动式和液压传动式。传统的机械式挖掘机所能完成的动作单一，许多动作不能实现；液压式挖掘机可以灵活地执行各种工程动作，但又存在液压系统零部件要求高、寿命不长、易漏油等缺陷。这是一个长期未能取得突破的棘手难题。将这类新型机构应用于挖掘机，将克服现在的机械式挖掘机和液压式挖掘机的各自不足，具有良好的应用前景。项目研究既有拓扑结构变化要求又同时有输出复杂运动等要求的机构构型综合、尺度综合、机构构态变化过程的动态特性等系列设计理论问题，将有益于机构学相关理论的进一步充实、完善，也可对机构学理论与工程实际紧密结合有一定的促进作用。

中文主题词：变胞机构；多自由度可控机构；挖掘机；装载机；机器人

英文摘要：

Metamorphic mechanism；Multi-Degree-of-Freedom contro；Excavator；Loader；Manipulator

英文主题词： Metamorphic mechanism；Multi-Degree-of-Freedom contro；Excavator；Loader；Manipulator

结论摘要：

注重机构学的应用研究,对多自由度可控机构和具有变胞功能的多自由度可控机构应用于工程机械、机器人等的理论问题进行了系统研究。传统的机械式工程机械采用单自由度机构，所能完成的动作单一，动作轨迹不能变化；液压式工程机械可以灵活地执行各种工程动作，但又存在液压系统零部件要求高、寿命不长、易漏油、传动效率不高等缺陷。这是一个长期未能取得突破的棘手难题。将具有变胞功能的多自由度可控机构等应用于工程机械等领域，可克服现在的机械式和液压式工程机械的各自不足，具有良好的应用前景。　　本项目研究这类机构的设计理论和方法，提出了基于功能分析的面向任务机构型综合方法，并将其应用到工程机械、机器人等领域的创新设计当中，得到一系列多自由度可控机构式、变胞机构式等的挖掘机、装载机、机器人等产品的新型执行机构构型；基于互易螺旋理论，研究了这类机构末端执行器受到的约束以及在此约束下的自由度数和运动输出规律；针对具有变胞功能可控机构的特点，综合运用构态邻接矩阵、拓扑图、变胞机构的拓扑结构分析方法等，分析其工作原理和构态转化特点，获得了变胞进化生长过程中构型的转化方式和蜕化方法以及变胞源机构的基因模型表达式；建立了此类新型机构的运动学模型，得到了机构的运动影响系数并对其进行奇异性分析，求解了机构的理论可达工作空间；运用D-H法、位移群上的平移计算、螺旋理论等，对其进行了运动学建模，通过位移群上的平移计算，求解了铲斗等末端执行器和各关节之间的速度映射关系；应用有限单元法建立了新型机构系统的机电耦合动态模型，对电机电磁参数激励作用下的系统主共振进行分析，得到在此情况下的一阶近似定常解。在此基础上，研制了样机五台并进行相关实验，验证项目所提出的理论和方法的正确性。　　根据理论研究成果发明并研制的一台新型多自由度可控机构式装载机，既克服了液压式装载机液压系统精度要求高、可靠性不理想、制造和维护成本高、易发生漏油等不足，又能够像液压式装载机一样，灵活地完成复杂和变化的动作，克服了单自由度工程机械不能完成复杂、变化动作的缺陷。而且，传动效率也比液压式工程机械高很多。还应用该样机完成了一系列的相关试验。此外，项目负责人还发现了一类全新的多自由度连杆机构，即有限离散变速输入多自由度连杆机构，可由单一恒速驱动输入下获得可变化的轨迹输出，特别适合只要求实现点位轨迹规划的工程机械。

成果综合统计