變胞機構(gòu)理論與應用綜述

變胞機構(gòu)理論與應用綜述

0asme機構(gòu)學與機器人學研究該變換組于1996年獲得，是對可重建包裝自動化線的系統(tǒng)科學的初步發(fā)現(xiàn)，并在1998年第25屆asme機構(gòu)科學發(fā)展與機械科學研討會上提出的一種新制度。自從變胞機構(gòu)被提出后,引起了學術界的極大關注,成為機構(gòu)學領域的研究熱點之一。1999年,變胞機構(gòu)提出者戴建生教授與張啟先院士一起將變胞機構(gòu)的研究引入中國1更加注重密集式的要求,不斷注重密集式的密集式管理隨著變胞機構(gòu)研究的發(fā)展,其定義也不斷發(fā)展完善,越來越趨于嚴密。這里給出變胞機構(gòu)的定義按拓撲學,變胞機構(gòu)是在機構(gòu)運動過程中拓撲結(jié)構(gòu)至少發(fā)生一次突變(所有的構(gòu)態(tài)互不同構(gòu))1.1變胞機構(gòu)的判定條件變胞機構(gòu)提出之后,其與變拓撲機構(gòu)、可展機構(gòu)、變自由度機構(gòu)等類似概念的區(qū)分有一定難度。為此有必要提出一個變胞機構(gòu)的判定依據(jù)。楊廷力從生物學角度去解釋變胞機構(gòu)的定義,一個機構(gòu)成為變胞機構(gòu)必須同時具備變拓撲結(jié)構(gòu)和變自由度兩個判定條件。變拓撲結(jié)構(gòu)并且變自由度是成為變胞機構(gòu)的充要條件,而變拓撲結(jié)構(gòu)和變自由度之一是變胞機構(gòu)的必要條件。按照變胞機構(gòu)的判定條件,變胞機構(gòu)不同于變拓撲機構(gòu),因為拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的機構(gòu)自由度不一定發(fā)生改變。自由度可變的機構(gòu)也不一定是變胞機構(gòu),例如當一個機構(gòu)在奇異位置時自由度發(fā)生了改變,但這個機構(gòu)的拓撲結(jié)構(gòu)沒有變化,所以不是變胞結(jié)構(gòu)。1.2幾何約束變胞機構(gòu)必須能夠以一定的變胞方式實現(xiàn)變胞過程,才能成為變胞機構(gòu),所以研究變胞方式是變胞機構(gòu)研究中的一個重要環(huán)節(jié)。文獻[4]將變胞方式分為鎖定變胞、單向限定變胞和接地變胞。其中鎖定變胞分為運動副鎖定和桿件雙鎖定。文獻[6]將變胞方式分為結(jié)合與分離構(gòu)件、改變構(gòu)件的鄰接關系和改變運動副的特性。文獻[5]將變胞方式分為3類,即運動副變胞、構(gòu)件變胞和幾何約束變胞,并詳細分析了幾何約束變胞的特點。采用變胞運動副是實現(xiàn)運動副變胞的一個有效方法,文獻[8]將變胞運動副分為5種類型,分別是變元素變胞運動副、組合變胞運動副、附加約束變胞運動副、幾何限動運動件變胞運動副、單向變胞運動副。已有文獻對變胞方式的劃分方法,雖然有差異,但一般可歸結(jié)為5種變胞方式之內(nèi)。除已有文獻介紹的變胞方式外,下面將給出更加全面的變胞方式以及實現(xiàn)這些變胞方式的途徑。按照變胞機構(gòu)的判定條件,一個機構(gòu)為了能夠滿足判定條件,需要采取具體的變胞方式實現(xiàn)變胞過程。據(jù)此,變胞方式可分為變構(gòu)件數(shù)、變運動副數(shù)、變構(gòu)件特性、變運動副特性、變鄰接關系5種變胞方式。變構(gòu)件數(shù)通過構(gòu)件的合并與分離實現(xiàn),變運動副數(shù)通過運動副的有效和失效實現(xiàn)、變構(gòu)件特性通過改變構(gòu)件的剛性和柔性特性實現(xiàn)、變運動副特性通過改變運動副的類型和幾何關系實現(xiàn)、變鄰接關系通過機構(gòu)的重組實現(xiàn)。這5種變胞方式相互間可能是獨立的也可能不是獨立的,比如當只改變了構(gòu)件特性但運動副特性和鄰接關系并沒有發(fā)生改變;當改變了構(gòu)件數(shù)則鄰接關系也發(fā)生了變化等。2變胞機構(gòu)結(jié)構(gòu)學的發(fā)展變胞機構(gòu)的結(jié)構(gòu)學主要是研究機構(gòu)拓撲約束的變胞機械系統(tǒng),是變胞機構(gòu)區(qū)別于普通機構(gòu)的關鍵所在,也是研究變胞機構(gòu)運動學和動力學的基礎,所以變胞機構(gòu)的結(jié)構(gòu)學受到學者的關注度最大,取得的研究成果也最多。變胞機構(gòu)的結(jié)構(gòu)學一般分為變胞機構(gòu)的構(gòu)態(tài)表示方法、變胞機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析和變胞機構(gòu)的結(jié)構(gòu)綜合。2.1利用鄰接矩陣的描述,簡化了拓撲結(jié)構(gòu)的和一般描述對于變胞機構(gòu)的構(gòu)態(tài)表示方法,采用結(jié)構(gòu)簡圖表示具有簡單、直觀的優(yōu)點,但難以建立數(shù)學運算關系另外,文獻[11]用一個鄰接矩陣描述出了變胞機構(gòu)構(gòu)態(tài)變化前后的拓撲結(jié)構(gòu),這種表示方法簡化了矩陣的演算過程。采用包含運動副類型、運動副軸線等信息的矩陣2.2矩陣消階法的應用當變胞機構(gòu)從一個構(gòu)態(tài)轉(zhuǎn)換為另外的構(gòu)態(tài)時,可通過矩陣演算的數(shù)學方法進行描述。這一構(gòu)態(tài)分析的矩陣演算式中,在上述結(jié)構(gòu)變換分析的初等矩陣變換法的基礎上,文獻[17]提出的矩陣消階法是一種通俗易懂、計算簡便的有效方法。在矩陣消階法的矩陣運算中,2009年提出了經(jīng)過改進的半加法器計算,即0+0=0,0+1=1,1+1=1此外,從生物學角度分析變胞機構(gòu),文獻[19]提出了變胞源機構(gòu)(始態(tài))經(jīng)過機構(gòu)元素蛻化得到子工作機構(gòu)(終態(tài)),子工作機構(gòu)(終態(tài))經(jīng)過機構(gòu)元素聚合得到變胞源機構(gòu)(始態(tài)),使變胞機構(gòu)的分析與生物學理論結(jié)合起來。2.3其他創(chuàng)新設計方法變胞機構(gòu)的結(jié)構(gòu)綜合,是根據(jù)變胞后的終態(tài)結(jié)構(gòu),綜合出滿足變胞要求的始態(tài)變胞源機構(gòu)通過前文可以知道,鄰接矩陣的變換可以反映出機構(gòu)的構(gòu)態(tài)變化,基于鄰接矩陣的變胞機構(gòu)的結(jié)構(gòu)綜合方法采用矩陣運算的數(shù)學綜合方法,能夠綜合出變胞機構(gòu)的拓撲結(jié)構(gòu),發(fā)明和創(chuàng)新設計出新機構(gòu)。另外,還有一些創(chuàng)新設計的方法。通過變自由度運動副代替?zhèn)鹘y(tǒng)運動副的方法通過對折疊紙的研究轉(zhuǎn)化為等效變胞機構(gòu),也能夠創(chuàng)新設計出新的變胞機構(gòu)。比如以一L型的折紙抽象出變胞運動鏈的方法基于矩陣運算的變胞機構(gòu)的結(jié)構(gòu)綜合,矩陣本身的計算并不復雜,但是添加構(gòu)件及其鄰接關系時對應的矩陣的排列組合數(shù)量是比較大的,特別是當始態(tài)構(gòu)件數(shù)量與終態(tài)構(gòu)件數(shù)量相差得越大,這種排列組合的數(shù)量也越大,這時很難依靠手工計算完成。為此,以矩陣運算綜合方法為理論依據(jù),通過編制計算機軟件實現(xiàn)變胞機構(gòu)的綜合是很有必要的。計算機軟件能夠很方便地實現(xiàn)三桿綜合出五桿變胞機構(gòu)由于變胞機構(gòu)的結(jié)構(gòu)學是變胞機構(gòu)區(qū)別于常規(guī)機構(gòu)的關鍵,所以學者對變胞機構(gòu)結(jié)構(gòu)學進行了比較多的研究,取得了比較多的研究成果,初步建立起了較系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)學理論體系。3改良機制的運動學和動力學的發(fā)展3.1運動學分析方法機構(gòu)的運動學分析主要有圖解法和解析法等。圖解法的特點是直觀,但作圖煩瑣、精度低。解析法的特點是精度高,但有時計算式復雜、計算工程量大。隨著計算機的發(fā)展,解析法也隨之發(fā)展并廣泛應用,有矢量法、矩陣法、四元數(shù)法、影響系數(shù)法、指數(shù)積方法、旋量和李群李代數(shù)理論等。對于變胞機構(gòu)的運動學分析,上述機構(gòu)學的分析方法一般也適用于變胞機構(gòu)。但是,變胞機構(gòu)的運動學分析必須與其拓撲結(jié)構(gòu)的變化結(jié)合起來,關鍵研究內(nèi)容是建立兩相鄰拓撲結(jié)構(gòu)間運動學變量的遞推關系。變胞機構(gòu)的運動學分析,采用李群和李代數(shù)方法3.2全構(gòu)態(tài)動力學模型在變胞機構(gòu)的動力學研究中,建立變胞機構(gòu)動力學模型是變胞機構(gòu)動力學研究的一個最重要的方面。但變胞機構(gòu)與常規(guī)機構(gòu)又有一定區(qū)別,變胞機構(gòu)的拓撲機構(gòu)是發(fā)生變化的,所以變胞機構(gòu)動力學的研究重點是建立全構(gòu)態(tài)(拓撲結(jié)構(gòu))的動力學模型。機構(gòu)動力學常用的建模方法有拉格朗日方法(Lagrange)、牛頓-歐拉(Newton-Euler)、凱恩(Kane)方法、高斯(Gauss)方法、旋量方法、影響系數(shù)法等。因變胞機構(gòu)具有構(gòu)態(tài)變化的特點,旋量形式的拉格朗日方法Kane方法是兼有矢量力學和分析力學特點的方法,通過矢量求導與矩陣乘法運算的變換,可形成面向計算機的Kane方法,根據(jù)Kane方程,在建立了任意構(gòu)態(tài)變胞機構(gòu)動力學方程的基礎上,可建立全構(gòu)態(tài)變胞機構(gòu)動力學模型。該方法計算簡便、高效4傘式可折疊柔性變胞機構(gòu)的結(jié)構(gòu)學研究柔性變胞機構(gòu)的研究相對剛性變胞機構(gòu)起步較晚,目前研究成果還比較少。鑒于變胞機構(gòu)靈巧可變的特點,其在結(jié)構(gòu)上必然具有柔性,由此文獻[28]提出了進行柔性空間變胞機構(gòu)研究的構(gòu)想。之后,文獻[29]介紹了一種傘式可折疊柔性變胞機構(gòu),并利用偽剛體模型理論對其進行了拓撲學、運動學和穩(wěn)態(tài)分析。這種傘式可折疊柔性變胞機構(gòu)是采用柔性機構(gòu)的雙穩(wěn)態(tài)特性實現(xiàn)變胞,可見利用柔性機構(gòu)的雙穩(wěn)態(tài)特性甚至多穩(wěn)態(tài)特性是研究和設計柔性變胞機構(gòu)的一種有效途徑。對于柔性變胞機構(gòu)的結(jié)構(gòu)學理論,文獻[10]進行了一定研究,給出了柔性變胞機構(gòu)的定義、結(jié)構(gòu)組成元素、結(jié)構(gòu)簡圖的表示方法,提出了柔性變胞機構(gòu)的拓撲圖和鄰接矩陣的表示方法,并提出了基于鄰接矩陣運算的柔性變胞機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析和結(jié)構(gòu)綜合方法。對于柔性變胞機構(gòu)的動力學理論,建立包含所有構(gòu)態(tài)的動力學模型是柔性變胞機構(gòu)動力學建模的最終目標柔性變胞機構(gòu)具有柔性機構(gòu)和剛性變胞機構(gòu)的雙重優(yōu)點5在機器人技術中的應用變胞機構(gòu)的應用自提出以后,一直是待解決的關鍵問題之一。但是,基于變胞思路,不一定符合變胞機構(gòu)判定條件的一些實際應用取得了一定成果。在航天領域,變胞機構(gòu)具有構(gòu)態(tài)變化和重組特點,其在航天領域?qū)⒂袕V泛的應用,如空間站基礎骨架、空間機械臂、可展開天線、太陽能帆板等在現(xiàn)代制造業(yè)中,變胞機構(gòu)也有用武之地。例如,文獻[34]設計了一種變胞快速夾緊裝置,用于鋁合金汽車輪轂模具修理過程中的夾緊。文獻[35]利用變胞理論設計和分析了印刷機的遞紙裝置。近年變胞機構(gòu)在機器人領域也有一定應用,例如文獻[36-38]介紹了一種新型的多指變胞手,其新穎之處在于這種變胞手的手掌可以做變胞運動。變胞手的手掌由球面五桿機構(gòu)構(gòu)成,3個手指安裝于這個球面五桿機構(gòu)的3個桿件上。由于手掌的變胞運動,使手指的位姿發(fā)生變化,這樣使變胞手能夠滿足不同任務要求,使之更接近于人手,較傳統(tǒng)剛性手掌的機械手有明顯的優(yōu)勢。由于變胞機構(gòu)是一個新興研究課題,實際應用特別是產(chǎn)品化應該是滯后于理論成果的,所以實際應用,尤其是成熟的產(chǎn)品還比較少。6柔性變胞機構(gòu)的研究建議無論是理論上還是應用上,變胞機構(gòu)還有很大的發(fā)展空間。以下提出一些變胞機構(gòu)潛在的研究方向。變胞機構(gòu)拓撲結(jié)構(gòu)變換的矩陣分析和綜合方法已經(jīng)發(fā)展到了一定水平,但以下幾個方面課題有待進一步研究:(1)包含運動副類型信息和尺度信息的拓撲結(jié)構(gòu)的矩陣表示方法,將更加全面地反映機構(gòu)的拓撲結(jié)構(gòu),但矩陣的表示方法、基于這種矩陣的結(jié)構(gòu)變換分析方法和結(jié)構(gòu)綜合方法也將與已有方法不同,為此尋找基于這種包含運動副類型信息和尺度信息的矩陣分析和綜合方法可作為后續(xù)的一個研究課題;(2)尋找包含運動副方位信息、構(gòu)件特性信息的拓撲結(jié)構(gòu)的矩陣表示方法以及基于這種矩陣表示方法的變胞機構(gòu)結(jié)構(gòu)分析和綜合方法也可作為后續(xù)的一個研究課題;(3)目前,柔性變胞機構(gòu)拓撲結(jié)構(gòu)變換的矩陣分析和綜合方法不能用于包含復鉸的柔性變胞機構(gòu),所以將來的研究課題要將柔性變胞機構(gòu)拓撲結(jié)構(gòu)的矩陣變換分析方法、綜合方法推進至含有復鉸的柔性變胞機構(gòu)。在一個變胞機構(gòu)中,往往是在機構(gòu)中某個或某幾個局部組成部分即變胞單元具有變胞特性,從而整體機構(gòu)是變胞機構(gòu)?；谧儼麊卧淖儼麢C構(gòu)的研究方法,可以從放縮機構(gòu)的平行四邊形單元對于如何實現(xiàn)構(gòu)件合并與分離,已有文獻研究得較少?？梢詮膸讉€方面研究實現(xiàn)變胞的過程:如通過變胞運動副限位的變胞、通過構(gòu)件幾何尺寸約束的變胞、通過力自適應的變胞等物理實現(xiàn)方式。與剛性變胞機構(gòu)相比,柔性變胞機構(gòu)的研究才剛剛起步,通過將柔性機構(gòu)的雙穩(wěn)態(tài)、多穩(wěn)態(tài)特性與柔性變胞機構(gòu)的構(gòu)態(tài)特性相結(jié)合進行研究,是一個研究柔性變胞機構(gòu)的有效途徑。對于復雜變胞機構(gòu)分析和綜合的三維仿真軟件編制,特別是對于空間任意數(shù)量構(gòu)件的變胞機構(gòu)的分析和綜合軟件編制有待發(fā)展。變胞機構(gòu)的實際應用特別是產(chǎn)品化目前仍然是變胞機構(gòu)發(fā)展的瓶頸。學者的共識是變胞機構(gòu)一定會有著廣泛的應用,但由于變胞機構(gòu)只有十多年的研究歷程,還不是很成熟。好的應用和產(chǎn)品需要比較成熟的理論支撐,但目前變胞機構(gòu)理論還有許多待解決的問題,所以,隨著變胞機構(gòu)理論的發(fā)展,變胞機構(gòu)的實際應用以及產(chǎn)品化也會隨之發(fā)展。7變胞機構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀變胞機構(gòu)經(jīng)過十余年的發(fā)展,理論和應用都取得了一定成果,其研究也逐漸引起學術界廣泛關注。但由于變胞機構(gòu)的發(fā)展還處于初期階段,目前對變胞機構(gòu)的認識還不統(tǒng)一。為此,本文介紹了變胞機構(gòu)的起源和意義,在已有變胞機構(gòu)定義的基礎上,提出了判定條件和5種變胞方式及實現(xiàn)方法。為了促進變胞機構(gòu)理論和應