變包機構(gòu)和柔性機構(gòu)的應(yīng)用及其特征

1、湖南大學(xué)（論文）_HUNAN UNIVERSITY 高等機構(gòu)學(xué)論文 論文題目: 變包機構(gòu)和柔順機構(gòu)的應(yīng)用及其特征 學(xué)生姓名: 學(xué)生學(xué)號: 專業(yè)班級 2015年 2 月 1日1.變包機構(gòu)1.1變胞機構(gòu)的提出及研究對象 變胞機構(gòu)(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(gòu)學(xué)雙年會上提出的1。該機構(gòu)的發(fā)現(xiàn)起源于對包裝紙盒的研究，按照傳統(tǒng)機構(gòu)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(yīng)機構(gòu)的研究.在紙板折疊成紙盒的過

2、程中，繞折痕將對應(yīng)的各個紙板連在一起時，機構(gòu)的有效桿件數(shù)目發(fā)生了變化，從而機構(gòu)的自由度數(shù)也將發(fā)生改變，這顯示了變胞機構(gòu)是一種具有構(gòu)態(tài)變化和自動組合等特點的機構(gòu)，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(jié)構(gòu)，以適應(yīng)不同的功能需要。 圖1-1所示的六面體是變胞機構(gòu)的一個典型例子，在該六面體結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)動副作旋轉(zhuǎn)運動。折痕和紙板的連接關(guān)系是運動副和連桿的連接。如圖1一所示是六面體機構(gòu)

3、的等效機構(gòu)示意圖和實物圖，紙板繞折痕旋轉(zhuǎn)時，該六面體機構(gòu)將出現(xiàn)幾種不同的狀態(tài)，機構(gòu)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(gòu)的始態(tài)，旋轉(zhuǎn)紙板，將側(cè)板4'與板1固定，這將形成一個運動副，與之相應(yīng)的六面體結(jié)構(gòu)就減少了有效桿件的數(shù)目。在第二個狀態(tài)里，機構(gòu)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(zhuǎn)動。當固定3'板和5板的時候就出現(xiàn)了該機構(gòu)的第三個狀態(tài)，這時機構(gòu)將變成一個如圖1-1所示的具有多個鉸點的六面體結(jié)構(gòu)。在整個運動過程中機構(gòu)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(gòu)是一個

4、典型的變胞機構(gòu)。 (a)六面體等效機構(gòu)圖 (b)六面體機構(gòu)的實物圖 圖1-3六面體機構(gòu)等效機構(gòu)圖和實物圖 圖1-4說明了該機構(gòu)的構(gòu)態(tài)變化，圖1-4(a)和圖1-4(b)顯示了該機構(gòu)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(gòu)折登合并前后的拓撲圖 傳統(tǒng)機構(gòu)一般定義為由一定數(shù)目的剛性構(gòu)件通過運動副連接組成的機械系統(tǒng)，變胞機構(gòu)則是指機構(gòu)由一種構(gòu)態(tài)變換到另一種構(gòu)態(tài)時機構(gòu)的有效桿件的數(shù)目發(fā)生變化，從而機構(gòu)的自由度數(shù)發(fā)生改變的一類機構(gòu)。這種機構(gòu)可能以一種開鏈的形式開始，最后變成一個結(jié)構(gòu)。因此，變胞機構(gòu)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(gòu)。1.2變

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

6、機構(gòu)學(xué)進行了分析，提出了一種行之有效的變胞機構(gòu)構(gòu)態(tài)變化的矩陣消階法和一種變胞機構(gòu)結(jié)構(gòu)綜合的方法，推動了變胞機構(gòu)的理論發(fā)展:新加坡南洋理工大學(xué)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(gòu)態(tài)變化，來完成所需的任務(wù)。2004年劉川禾等在研究了變胞機構(gòu)后，提出了變胞的三種方式;北京航空航天大學(xué)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(gòu)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(gòu)的基本理論進行了研究，規(guī)范了變胞機構(gòu)的定義、變胞的目的、變胞機構(gòu)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(gòu)的結(jié)

7、構(gòu)綜合進行了研究，提出了任意構(gòu)態(tài)的變胞機構(gòu)的結(jié)構(gòu)綜合方法。 變胞機構(gòu)的研究目前在國內(nèi)外都處于起步階段，自從該機構(gòu)提出以后，已經(jīng)引起了許多國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，但變胞機構(gòu)的理論還有待完善。1.3變胞機構(gòu)研究的理論意義 變胞機構(gòu)是從一個嶄新的角度來研究機構(gòu)學(xué)，基于生物學(xué)中細胞分裂和再生的概念，對該機構(gòu)命名了一個全新的機構(gòu)概念。變胞機構(gòu)改變了傳統(tǒng)機構(gòu)學(xué)的形式分析和構(gòu)件數(shù)分析，有望對傳統(tǒng)機構(gòu)學(xué)的機構(gòu)概念和設(shè)計方法有所突破，促進傳統(tǒng)機構(gòu)學(xué)的發(fā)展.對這種新機構(gòu)的研究除了有關(guān)結(jié)構(gòu)學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)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(gòu)學(xué)和機器人學(xué)的理論前沿，對它的進一步研

8、究，將有望提出機構(gòu)學(xué)研究的新理論和新方法.變胞機構(gòu)的提出在傳統(tǒng)意義的機構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)上突破了傳統(tǒng)機構(gòu)的定義，從而使機構(gòu)學(xué)的研究有了更寬廣的意義。變胞機構(gòu)提供了新的空間可擴展式機構(gòu)，隨著對變胞機構(gòu)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(gòu)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(gòu)研究的實際應(yīng)用 變胞機構(gòu)的提出引起了國際機構(gòu)學(xué)和機器人學(xué)研究領(lǐng)域的關(guān)注。它除了對機構(gòu)學(xué)理論的進一步發(fā)展做出了貢獻外，還具有廣泛的實際應(yīng)用。(1)在機器人技術(shù)中的應(yīng)用 利用自動組合這一特點，可將變胞機構(gòu)的重組和重構(gòu)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(shù)的發(fā)展具有重大意義。(2)在包裝機械中的應(yīng)用 變胞機構(gòu)的概念是在對復(fù)雜多樣性靈巧包裝折疊紙盒的研究中提出的，對該類機構(gòu)的研究，將對包裝業(yè)的自動化設(shè)計和自動化流水線的研究有推動作用。如適應(yīng)多種形式的多樣性折疊包裝機械的設(shè)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(gòu)的特征。如何從可擴展式機構(gòu)向新的機構(gòu)發(fā)展，構(gòu)想出一種具有重組和重構(gòu)特性的機構(gòu)，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(gòu)的研究也將把機構(gòu)分析方法應(yīng)用于手工藝品和包裝品的設(shè)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(yīng)用領(lǐng)域。(3)在連桿機構(gòu)中的應(yīng)用 除了高度可折疊特點之外，變胞機構(gòu)可按不同的需求，在運動中改變構(gòu)態(tài)，從而可提供具有不同自由度數(shù)的機構(gòu)。例如從單一構(gòu)件變化到四桿機構(gòu)、五桿機構(gòu)甚至是更多桿機構(gòu)，從而擴大了機構(gòu)的適用范圍。同樣，該類機構(gòu)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(gòu)構(gòu)態(tài)的自動轉(zhuǎn)換，這些都是傳統(tǒng)機構(gòu)學(xué)無法做到的。(4)在航天領(lǐng)域中的應(yīng)用 在航天技術(shù)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(jié)構(gòu)形式，所以折疊式和可擴展式機構(gòu)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(gòu)。變胞機構(gòu)具有構(gòu)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(gòu)，適應(yīng)不同任務(wù)，且在運動過程中可以通過機構(gòu)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(gòu)的數(shù)量，節(jié)省了載荷倉的空間。因此對變胞機構(gòu)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(gòu)，有望取代以往傳統(tǒng)的折疊機構(gòu)。(5)在其他方面中的應(yīng)用 變胞機構(gòu)可展開、可折疊特性在許多方面都可以得到廣泛應(yīng)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(yīng)用，如潛

12、艇救援和海上人員換乘設(shè)備，逃生裝置等。隨著對變胞機構(gòu)研究的深入，將會有更多的發(fā)現(xiàn)，其應(yīng)用前景也將更為廣闊。2. 柔性機構(gòu)2.1柔順機構(gòu)定義 柔性機構(gòu)有部分柔性機構(gòu)和全柔性機構(gòu)之分，其中全柔性機構(gòu)又分為具有集中柔度的全柔性機構(gòu)和具有分布柔度的全柔性機構(gòu)。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(gòu)之中。2.2柔性結(jié)構(gòu)優(yōu)點 相對于傳統(tǒng)的剛性結(jié)構(gòu)而言，柔性結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點：可減少構(gòu)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(gòu)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(gòu)應(yīng)用 由于柔性機構(gòu)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(shè)計和仿生機械等領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。作為柔性機構(gòu)最簡單形式之一的柔性鉸鏈具有結(jié)構(gòu)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(xué)工程和生物工程領(lǐng)域獲得重要的應(yīng)用。但是由于其反復(fù)變形容易引起疲勞破壞，對于具有集中柔性的柔性機構(gòu)又容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，大變形引起的非彈性變形加上其設(shè)計和分析的難度，使得它在實際應(yīng)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(shè)計和裝配的自動化方面存在著不平衡現(xiàn)象?？偟膩碚f,按照典型的“從功能到裝配”的方式來自動化地設(shè)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(shè)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(shè)計過程開發(fā)恰當結(jié)構(gòu)就很有必要。但傳統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)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(lǐng)域內(nèi)的要求:消除裝配需要;把全部機構(gòu)限制在同一平面的一個或兩個層內(nèi);減輕摩擦的不利影響柔性機構(gòu)(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(gòu)中,功能行為(如所需的彈性變形)是物質(zhì)實體的拓撲結(jié)構(gòu)、形狀、尺寸的直接結(jié)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(zhì)能力。因此拓撲結(jié)構(gòu)、形狀、尺寸決定了該實體是否是柔性結(jié)構(gòu)。2.3.1全柔性機構(gòu)在MEMS中的應(yīng)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(gòu)的研究與開發(fā),在進行基礎(chǔ)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?qū)嶒灅訖C以作為MEMS的主體。相對國外,國內(nèi)研究起步要晚一些,興趣的重點大都在全柔性機構(gòu)的應(yīng)用開發(fā)上。 全柔性機構(gòu)的應(yīng)用可體現(xiàn)

16、在以下幾個方面:3.1 體現(xiàn)在MEMS產(chǎn)品設(shè)計中 采用全柔性機構(gòu)設(shè)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(gòu)4是其中較為典型的一種,可作為微閥、微開關(guān)等。這類機構(gòu)用于MEMS產(chǎn)品設(shè)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(jié)構(gòu)更復(fù)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(shù),它要求對各部件進行微裝配。這時采用由全柔性機構(gòu)設(shè)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(gòu)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(xué)研制了壓電驅(qū)動的可實現(xiàn)大范圍運動的微裝配全柔性機器人機構(gòu)。2.3.2用于微操作技術(shù)領(lǐng)域 (1)生物工程顯微操作 生物工程領(lǐng)域以微操作為實驗手段的技術(shù)主要有轉(zhuǎn)基因技術(shù)、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(gòu)及系統(tǒng)來代替手工操作將有著廣闊的應(yīng)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(gòu),芬蘭Tempere科技大學(xué)研制出新型3自由度液壓傳動全柔性空間機器人機構(gòu)。北京航空航天大學(xué)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(gòu);后者的右手機構(gòu)采用三自由度并聯(lián)全柔性機構(gòu)(圖1)。 Fig.1 A 3 DOFfully compliant manipulator for bioengineering (2) 醫(yī)學(xué)顯微外科手術(shù) 全柔性機器人機構(gòu)可用于顯微外科手術(shù)中。如進行腦外科、眼科、及腹腔外科手術(shù)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(gòu)在光學(xué)領(lǐng)域中也得到了廣泛的應(yīng)用。如用作光纖耦合器中的精微校準平臺、用于單模光導(dǎo)纖維引線對位工作的可實現(xiàn)多自由度協(xié)