多环耦合机构末端件的自由度研究

作     者：黄晓欧 

作者单位：北京工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：余跃庆

授予年度：2014年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 

主      题：自由度 过约束 螺旋理论 多环耦合机构 

摘      要：多环耦合机构是一类新型的复杂机构，已作为重要的组件应用于仿生机器人、航空、避难等多种领域，但其理论研究还很缺乏。在机构学中，对一个新机构最基本的理论认识就是先知道它的自由度。但是目前而言，关于多环耦合机构的自由度方法研究很少，并且由于结构的复杂性和耦合性，导致传统的自由度方法不能正确计算此类机构的自由度。因此，探讨适合多环耦合机构的自由度方法，是一个新的研究方向，也是多环耦合机构构型设计和运动分析的基础。 本文针对多环耦合机构的自由度问题，从最关键的耦合特性和约束分析两个方面出发，提出了运动分流法、耦合机构解耦法以及机构等效分析法，形成了一种适合多环耦合机构末端件自由度分析的新方法，并通过实例分析来验证此方法的有效性和适用性。主要内容如下： 对多环耦合机构开展耦合特性分析。提出三种基础耦合模型，并根据其运动特性，提出对应的运动分流标记法及标记原则，并扩展应用于多环耦合机构，提出了耦合机构的结构解耦法，将耦合机构转化为含多个独立结构的运动链组合。 基于螺旋理论，对每一个独立运动链进行运动和约束分析。利用前述标记方法，从一级节点开始，对节点构件的运动和约束进行分析，利用“广义运动链等效替换，迭代进行后一级节点的约束分析和等效替换，直至将每一个独立运动链结构最终等效为一个单链。至此，多环耦合机构等效为常规的并联机构。 分析等效并联机构末端件的连续自由度。计算等效并联机构的运动螺旋和约束螺旋，并利用约束的线性相关性确定机构的过约束，用修正的Grübler-Kutzbach公式计算等效并联机构末端件的自由度数，或对等效机构的约束螺旋系求二次反螺旋，就得到末端件的自由度性质，并根据连续有限位型进行自由度瞬时性判别。 应用提出的新方法分别对三类典型多环耦合机构进行了自由度分析，包括：具有独立分支局部耦合结构的混联机构、非对称耦合机构和对称耦合机构。通过Solidworks三维软件对这些机构进行实体建模和仿真模拟，以及与其它方法的对比分析，验证了此方法的有效性和适用性。 本文提出的新方法是对现有的基于螺旋理论的自由度原理的发展和创新，对多环耦合机构的进一步开发应用具有积极的促进作用。