变胞机构理论与应用综述

变胞机构理论与应用综述

0asme机构学与机器人学研究该变换组于1996年获得，是对可重建包装自动化线的系统科学的初步发现，并在1998年第25届asme机构科学发展与机械科学研讨会上提出的一种新制度。自从变胞机构被提出后,引起了学术界的极大关注,成为机构学领域的研究热点之一。1999年,变胞机构提出者戴建生教授与张启先院士一起将变胞机构的研究引入中国1更加注重密集式的要求,不断注重密集式的密集式管理随着变胞机构研究的发展,其定义也不断发展完善,越来越趋于严密。这里给出变胞机构的定义按拓扑学,变胞机构是在机构运动过程中拓扑结构至少发生一次突变(所有的构态互不同构)1.1变胞机构的判定条件变胞机构提出之后,其与变拓扑机构、可展机构、变自由度机构等类似概念的区分有一定难度。为此有必要提出一个变胞机构的判定依据。杨廷力从生物学角度去解释变胞机构的定义,一个机构成为变胞机构必须同时具备变拓扑结构和变自由度两个判定条件。变拓扑结构并且变自由度是成为变胞机构的充要条件,而变拓扑结构和变自由度之一是变胞机构的必要条件。按照变胞机构的判定条件,变胞机构不同于变拓扑机构,因为拓扑结构发生变化的机构自由度不一定发生改变。自由度可变的机构也不一定是变胞机构,例如当一个机构在奇异位置时自由度发生了改变,但这个机构的拓扑结构没有变化,所以不是变胞结构。1.2几何约束变胞机构必须能够以一定的变胞方式实现变胞过程,才能成为变胞机构,所以研究变胞方式是变胞机构研究中的一个重要环节。文献[4]将变胞方式分为锁定变胞、单向限定变胞和接地变胞。其中锁定变胞分为运动副锁定和杆件双锁定。文献[6]将变胞方式分为结合与分离构件、改变构件的邻接关系和改变运动副的特性。文献[5]将变胞方式分为3类,即运动副变胞、构件变胞和几何约束变胞,并详细分析了几何约束变胞的特点。采用变胞运动副是实现运动副变胞的一个有效方法,文献[8]将变胞运动副分为5种类型,分别是变元素变胞运动副、组合变胞运动副、附加约束变胞运动副、几何限动运动件变胞运动副、单向变胞运动副。已有文献对变胞方式的划分方法,虽然有差异,但一般可归结为5种变胞方式之内。除已有文献介绍的变胞方式外,下面将给出更加全面的变胞方式以及实现这些变胞方式的途径。按照变胞机构的判定条件,一个机构为了能够满足判定条件,需要采取具体的变胞方式实现变胞过程。据此,变胞方式可分为变构件数、变运动副数、变构件特性、变运动副特性、变邻接关系5种变胞方式。变构件数通过构件的合并与分离实现,变运动副数通过运动副的有效和失效实现、变构件特性通过改变构件的刚性和柔性特性实现、变运动副特性通过改变运动副的类型和几何关系实现、变邻接关系通过机构的重组实现。这5种变胞方式相互间可能是独立的也可能不是独立的,比如当只改变了构件特性但运动副特性和邻接关系并没有发生改变;当改变了构件数则邻接关系也发生了变化等。2变胞机构结构学的发展变胞机构的结构学主要是研究机构拓扑约束的变胞机械系统,是变胞机构区别于普通机构的关键所在,也是研究变胞机构运动学和动力学的基础,所以变胞机构的结构学受到学者的关注度最大,取得的研究成果也最多。变胞机构的结构学一般分为变胞机构的构态表示方法、变胞机构的结构分析和变胞机构的结构综合。2.1利用邻接矩阵的描述,简化了拓扑结构的和一般描述对于变胞机构的构态表示方法,采用结构简图表示具有简单、直观的优点,但难以建立数学运算关系另外,文献[11]用一个邻接矩阵描述出了变胞机构构态变化前后的拓扑结构,这种表示方法简化了矩阵的演算过程。采用包含运动副类型、运动副轴线等信息的矩阵2.2矩阵消阶法的应用当变胞机构从一个构态转换为另外的构态时,可通过矩阵演算的数学方法进行描述。这一构态分析的矩阵演算式中,在上述结构变换分析的初等矩阵变换法的基础上,文献[17]提出的矩阵消阶法是一种通俗易懂、计算简便的有效方法。在矩阵消阶法的矩阵运算中,2009年提出了经过改进的半加法器计算,即0+0=0,0+1=1,1+1=1此外,从生物学角度分析变胞机构,文献[19]提出了变胞源机构(始态)经过机构元素蜕化得到子工作机构(终态),子工作机构(终态)经过机构元素聚合得到变胞源机构(始态),使变胞机构的分析与生物学理论结合起来。2.3其他创新设计方法变胞机构的结构综合,是根据变胞后的终态结构,综合出满足变胞要求的始态变胞源机构通过前文可以知道,邻接矩阵的变换可以反映出机构的构态变化,基于邻接矩阵的变胞机构的结构综合方法采用矩阵运算的数学综合方法,能够综合出变胞机构的拓扑结构,发明和创新设计出新机构。另外,还有一些创新设计的方法。通过变自由度运动副代替传统运动副的方法通过对折叠纸的研究转化为等效变胞机构,也能够创新设计出新的变胞机构。比如以一L型的折纸抽象出变胞运动链的方法基于矩阵运算的变胞机构的结构综合,矩阵本身的计算并不复杂,但是添加构件及其邻接关系时对应的矩阵的排列组合数量是比较大的,特别是当始态构件数量与终态构件数量相差得越大,这种排列组合的数量也越大,这时很难依靠手工计算完成。为此,以矩阵运算综合方法为理论依据,通过编制计算机软件实现变胞机构的综合是很有必要的。计算机软件能够很方便地实现三杆综合出五杆变胞机构由于变胞机构的结构学是变胞机构区别于常规机构的关键,所以学者对变胞机构结构学进行了比较多的研究,取得了比较多的研究成果,初步建立起了较系统的结构学理论体系。3改良机制的运动学和动力学的发展3.1运动学分析方法机构的运动学分析主要有图解法和解析法等。图解法的特点是直观,但作图烦琐、精度低。解析法的特点是精度高,但有时计算式复杂、计算工程量大。随着计算机的发展,解析法也随之发展并广泛应用,有矢量法、矩阵法、四元数法、影响系数法、指数积方法、旋量和李群李代数理论等。对于变胞机构的运动学分析,上述机构学的分析方法一般也适用于变胞机构。但是,变胞机构的运动学分析必须与其拓扑结构的变化结合起来,关键研究内容是建立两相邻拓扑结构间运动学变量的递推关系。变胞机构的运动学分析,采用李群和李代数方法3.2全构态动力学模型在变胞机构的动力学研究中,建立变胞机构动力学模型是变胞机构动力学研究的一个最重要的方面。但变胞机构与常规机构又有一定区别,变胞机构的拓扑机构是发生变化的,所以变胞机构动力学的研究重点是建立全构态(拓扑结构)的动力学模型。机构动力学常用的建模方法有拉格朗日方法(Lagrange)、牛顿-欧拉(Newton-Euler)、凯恩(Kane)方法、高斯(Gauss)方法、旋量方法、影响系数法等。因变胞机构具有构态变化的特点,旋量形式的拉格朗日方法Kane方法是兼有矢量力学和分析力学特点的方法,通过矢量求导与矩阵乘法运算的变换,可形成面向计算机的Kane方法,根据Kane方程,在建立了任意构态变胞机构动力学方程的基础上,可建立全构态变胞机构动力学模型。该方法计算简便、高效4伞式可折叠柔性变胞机构的结构学研究柔性变胞机构的研究相对刚性变胞机构起步较晚,目前研究成果还比较少。鉴于变胞机构灵巧可变的特点,其在结构上必然具有柔性,由此文献[28]提出了进行柔性空间变胞机构研究的构想。之后,文献[29]介绍了一种伞式可折叠柔性变胞机构,并利用伪刚体模型理论对其进行了拓扑学、运动学和稳态分析。这种伞式可折叠柔性变胞机构是采用柔性机构的双稳态特性实现变胞,可见利用柔性机构的双稳态特性甚至多稳态特性是研究和设计柔性变胞机构的一种有效途径。对于柔性变胞机构的结构学理论,文献[10]进行了一定研究,给出了柔性变胞机构的定义、结构组成元素、结构简图的表示方法,提出了柔性变胞机构的拓扑图和邻接矩阵的表示方法,并提出了基于邻接矩阵运算的柔性变胞机构的结构分析和结构综合方法。对于柔性变胞机构的动力学理论,建立包含所有构态的动力学模型是柔性变胞机构动力学建模的最终目标柔性变胞机构具有柔性机构和刚性变胞机构的双重优点5在机器人技术中的应用变胞机构的应用自提出以后,一直是待解决的关键问题之一。但是,基于变胞思路,不一定符合变胞机构判定条件的一些实际应用取得了一定成果。在航天领域,变胞机构具有构态变化和重组特点,其在航天领域将有广泛的应用,如空间站基础骨架、空间机械臂、可展开天线、太阳能帆板等在现代制造业中,变胞机构也有用武之地。例如,文献[34]设计了一种变胞快速夹紧装置,用于铝合金汽车轮毂模具修理过程中的夹紧。文献[35]利用变胞理论设计和分析了印刷机的递纸装置。近年变胞机构在机器人领域也有一定应用,例如文献[36-38]介绍了一种新型的多指变胞手,其新颖之处在于这种变胞手的手掌可以做变胞运动。变胞手的手掌由球面五杆机构构成,3个手指安装于这个球面五杆机构的3个杆件上。由于手掌的变胞运动,使手指的位姿发生变化,这样使变胞手能够满足不同任务要求,使之更接近于人手,较传统刚性手掌的机械手有明显的优势。由于变胞机构是一个新兴研究课题,实际应用特别是产品化应该是滞后于理论成果的,所以实际应用,尤其是成熟的产品还比较少。6柔性变胞机构的研究建议无论是理论上还是应用上,变胞机构还有很大的发展空间。以下提出一些变胞机构潜在的研究方向。变胞机构拓扑结构变换的矩阵分析和综合方法已经发展到了一定水平,但以下几个方面课题有待进一步研究:(1)包含运动副类型信息和尺度信息的拓扑结构的矩阵表示方法,将更加全面地反映机构的拓扑结构,但矩阵的表示方法、基于这种矩阵的结构变换分析方法和结构综合方法也将与已有方法不同,为此寻找基于这种包含运动副类型信息和尺度信息的矩阵分析和综合方法可作为后续的一个研究课题;(2)寻找包含运动副方位信息、构件特性信息的拓扑结构的矩阵表示方法以及基于这种矩阵表示方法的变胞机构结构分析和综合方法也可作为后续的一个研究课题;(3)目前,柔性变胞机构拓扑结构变换的矩阵分析和综合方法不能用于包含复铰的柔性变胞机构,所以将来的研究课题要将柔性变胞机构拓扑结构的矩阵变换分析方法、综合方法推进至含有复铰的柔性变胞机构。在一个变胞机构中,往往是在机构中某个或某几个局部组成部分即变胞单元具有变胞特性,从而整体机构是变胞机构。基于变胞单元的变胞机构的研究方法,可以从放缩机构的平行四边形单元对于如何实现构件合并与分离,已有文献研究得较少。可以从几个方面研究实现变胞的过程:如通过变胞运动副限位的变胞、通过构件几何尺寸约束的变胞、通过力自适应的变胞等物理实现方式。与刚性变胞机构相比,柔性变胞机构的研究才刚刚起步,通过将柔性机构的双稳态、多稳态特性与柔性变胞机构的构态特性相结合进行研究,是一个研究柔性变胞机构的有效途径。对于复杂变胞机构分析和综合的三维仿真软件编制,特别是对于空间任意数量构件的变胞机构的分析和综合软件编制有待发展。变胞机构的实际应用特别是产品化目前仍然是变胞机构发展的瓶颈。学者的共识是变胞机构一定会有着广泛的应用,但由于变胞机构只有十多年的研究历程,还不是很成熟。好的应用和产品需要比较成熟的理论支撑,但目前变胞机构理论还有许多待解决的问题,所以,随着变胞机构理论的发展,变胞机构的实际应用以及产品化也会随之发展。7变胞机构的发展现状变胞机构经过十余年的发展,理论和应用都取得了一定成果,其研究也逐渐引起学术界广泛关注。但由于变胞机构的发展还处于初期阶段,目前对变胞机构的认识还不统一。为此,本文介绍了变胞机构的起源和意义,在已有变胞机构定义的基础上,提出了判定条件和5种变胞方式及实现方法。为了促进变胞机构理论和应