可重构可展多面体机构的设计与理论研究

摘要

可展机构因其优良的折叠、伸展性能，被广泛应用于日常生活、可变结构和大型可展设备中，近年来随着城市生活节奏的加快和航空航天技术的飞速发展，可展机构也遇到了新的机遇和挑战，如何在不改变装配关系的前提下增加其展开和操作模式以适应不同的任务要求成为可展机构设计的前沿问题。本文基于平台重合、转动副同轴和自穿越等技术手段，设计了一系列由半平台、折弯杆组、直线杆组、平行四边形机构等组成的可重构单元。基于可重构单元，采用“顶点”构造、“面”构造、“体”构造等构造方法搭建了基于柏拉图多面体、半正多面体、Johnson多面体和多棱柱的可重构可展多面体机构，形成了较为系统的可重构可展多面体机构的设计理论和方法。主要研究工作如下:
　　(1)根据折弯杆组的可重构特性，设计了具有四个半平台的可重构折弯杆组。通过将对称的可重构折弯杆组插入到柏拉图多面体顶点以及相邻面中构造了一类可重构可展柏拉图多面体机构。设计了两类大伸缩比的可重构一般化折弯杆组（n-SEs-2-RGAEs和n-AEs-2-RGAEs），着重分析了n-AEs-2-RGAEs在两种运动模式下的运动学，得到了令其达到完全收缩状态和完全展开状态的尺寸参数。利用1-AE-2-RGAEs构造了具有大伸缩比的可重构可展柏拉图多面体，并给出了其在两种运动模式下的伸缩比计算方法。
　　(2)对比分析了半正多面体与柏拉图多面体顶点特性的不同。研究了两个折弯杆组耦合运动条件，进而构造了可重构双折弯杆组。给出了可重构双折弯杆组的连杆和平台的参数约束，分析了两种运动模式下的运动学问题。将可重构双折弯杆组插入到三棱柱的顶点以及相邻面中构造了可重构可展三棱柱机构。连接三对折弯杆组构造了可重构三折弯杆组，将可重构双折弯杆组和三折弯杆组插入到J3多面体的两类顶点以及它们相邻的面中构造了可重构可展J3机构。
　　(3)利用整平台、半平台和直杆，设计了三种可重构单元:可重构直线杆组、可重构双直线杆组和可重构三直线杆组，确定了三种可重构单元所有连杆和平台尺寸参数变量中独立变量的数量。将三种可重构单元插入到基础多面体的顶点及其相邻的面中分别构造了退化的四面体机构、退化的三棱柱机构、退化的C60机构和退化的J3机构。分析了可重构双直线杆组的运动学，据此给出了退化的三棱柱机构在两种运动模式下平台到缩放中心距离的变化曲线。
　　(4)构造了基于直线杆组和折弯杆组的三种拓展的平行四边形机构。分析了三种拓展的平行四边形机构的杆长参数和运动模式，进而计算了它们在两种运动模式下的伸缩比;将拓展的平行四边形机构圆周阵列得到了三角形、五边形和六边形可重构面单元，以“面”构造方式将可重构面单元插入基础多面体的面并用角块连接，构造了可重构可展六棱柱机构和C60机构。
　　(5)利用伸缩单元和整周回转的转动关节构造了自穿越三棱柱机构，分析了其三种典型的步态:自穿越步态、蠕动步态和穿-蠕组合步态。构造了双三棱柱机构并研究了具有三个攀爬平台的蠕动步态。利用“体”构造方法搭建了3-3多棱柱机构，通过合理规划自穿越运动顺序实现了翻涌运动。通过机构构造、自由度分析、运动学分析、步态分析、仿真和样机试验验证了具有自穿越特性的棱柱和多棱柱机构用于移动机器人的可行性。
　　综合而言，本文系统开展了可重构单元设计与分析、可重构可展多面体机构构造与分析等研究工作，构造了一系列可重构可展多面体机构，形成了较为系统的可重构可展多面体机构的设计和构造方法，为可展多面体机构提供更多的运动模式，增加了其对变化环境的适应性，也为其他类型可展机构的可重构设计提供了思路。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 可展机构的研究概况

1．1．1 单环闭链机构以及其装配体

1．1．2 可展平面、曲面机构

1．1．3 可展多面体机构

1．2 可重构机构的研究概况

1．2．1 变胞机构

1．2．2 多模式机构

1．2．3 可重构可展机构

1．3 闭链杆式移动机器人研究概况

1．3．1 模块化多面体机器人

1．3．2 整体闭链移动连杆机构

1．3．3 串-并联移动机器人

1．4 研究目的与意义

1．5 主要研究内容

2 可重构可展柏拉图多面体机构

2．1 可重构折弯杆组

2．2 可重构可展柏拉图多面体机构

2．3 可重构一般折弯杆组

2．3．1 n-SEs-2-RGAES

2．3．2 n-AES-2-RGAES

2．4 具有大伸缩比的柏拉图机构

2．5 实物样机

2．6 本章小结

3 可重构可展半正多面体和Johnson多面体机构

3．1 可重构双折弯杆组

3．1．1 约束条件

3．1．2 运动学分析

3．2 可重构可展半正多面体机构

3．2．1 可重构可展三棱柱机构

3．2．2 可重构可展C60机构

3．3 可重构三折弯杆组

3．4 可重构可展Johnson多面体机构

3．5 大伸缩比可重构可展棱柱和反棱柱机构

3．6 本章小结

4 退化的可重构可展多面体机构

4．1 退化的可重构折弯杆组——可重构直线杆组

4．2 可重构双直线杆组

4．3 退化的半正多面体机构

4．3．1 退化的三棱柱机构

4．3．2 退化的C60机构

4．4 可重构三直线杆组

4．5 退化的Johnson多面体机构

4．6 本章小结

5 “面”构造的可重构可展多面体机构

5．1 平行四边形机构

5．2 扩展的平行四边形机构

5．2．1 第一类1-AE-EPaM

5．2．2 第二类1-AE-EPaM

5．2．3 双折弯杆组扩展平行四边形机构

5．3 基于EPaM的可重构可展多面体机构

5．3．1 可重构面单元

5．3．2 可重构可展多面体机构

5．4 实物样机

5．5 本章小结

6 具有自穿越特性的棱柱和多棱柱机构

6．1 全移动副构造的可展多面体机构

6．2 自穿越三棱柱机构

6．2．1 机构构造

6．2．2 自由度分析

6．2．3 运动学分析

6．2．4 步态分析

6．2．5 实物样机

6．3 双三棱柱机构

6．3．1 机构组成及自由度分析

6．3．2 运动学分析

6．3．3 蠕动步态分析

6．3．4 机械设计及仿真

6．3．5 实物样机

6．4 3-3多棱柱机构

6．4．1 多棱柱机构的“体”构造方法

6．4．2 自由度分析

6．4．3 运动学分析

6．4．4 翻涌运动

6．4．5 仿真与实物样机

6．4．6 m-n多棱柱机构

6．5 本章小结

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果

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