变胞机构设计理论与方法研究

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变胞机构（Metamorphic mechanism）是1998 年由戴建生教授与J Rees Jones 对一类具有多构态、变约束和多功能特性的机构进行总结后，在国际上首次提出的新的机构概念。它经历了变自由度机构、变拓扑机构等机构的发展，能够根据环境和工况的变化和任务需求进行构态变化，从而适应于不同任务和场合。经过多年的深入研究和发展，变胞机构已成为国内外机构学研究的热点和难点题目。本文研究的目的在于建立变胞机构的设计与分析理论，重点解决其系统设计及控制等关键技术题目，主要包括对变胞机构的构型设计、构态分析和描述、优化设计以及控制策略等内容进行深入的系统研究，并利用研究的成果进行真空热环境下舱门开关变胞机构装置的研制。首先，深入研究了变胞机构的构态变化特征，通过归纳总结得到了变胞机构发生构态变化的基本实现方式。针对目前变胞机构构态变换的数学描述方法均是基于增加或减少单一构件的假设基础上的这一缺点，根据实际变胞机构相邻构态间通常存在增加或减少运动链的情况，分别按照构件数目增加、不变和减少三种情况对矩阵变换描述法进行了改进。为了能拓展应用变胞机构的分析理论对含有运动副自由度大于1的变胞机构进行描述，本文在对运动副等效变换形式进行分析的基础上，列举了不同约束度的各种典型运动副的等效替换结构。以此为基础，可以对含有多种类型运动副的变胞机构进行统一表达和描述。变胞机构构态变化的过程也是其约束变化的过程。本文对机构设计过程中的约束题目进行了统一阐述，并根据变胞机构的多构态特性对其约束进行了划分，为变胞机构的构型设计和尺度综合设计提供了研究基础。进而研究了具有约束变化特征的变胞运动副的变化规律以及其在机构构型设计方面的应用，进一步提出了基于变胞运动副的变胞机构构型设计方法。该方法的实质是根据变胞机构各工作阶段的动作功能和约束确定该阶段运动方案，然后依据构态变化顺序，应用变胞运动副实现各构态机构的耦合和变异，从而完成变胞机构的总体构型设计。采用常规的机构优化方法分别对变胞机构各单一构态机构进行尺度优化设计，虽然优化结果可以使得机构在各个构态达到最优，但优化结果必然会存在不同构态机构相同设计变量优化结果之间差异和冲突的题目。为解决这一题目，在分析常规机构优化方法的基础上，归纳总结了变胞机构的优化设计区别于常规机构的特点，详细分析了变胞机构各构态机构优化模型之间的差异和共同点，提出了建立变胞机构全构态优化模型的方法。在优化模型中，将各构态变换时刻前后机构共同参数的约束方程增加到各构态机构的约束条件集合中，以各构态机构工作任务的综合性能指标为目标函数，选择遗传算法、神经网络等智能优化方法，得到全局最优解。基于变胞机构的多构态及构态变换特点，通过对现有的多模型建模与控制理论进行研究和分析，提出了适用于变胞机构的多构态控制策略。文中将常规PID控制与多构态控制结合，在单独对单一构态机构进行PID参数整定实现最优控制的基础上，应用多模型切换策略，如根据构态变换的时间约束、驱动力的阈值等指标，实现了不同构态PID控制参数的切换。建立了变胞机构机电统一动力学模型，结合变胞机构的多构态控制策略，进行了实例仿真，结果表明应用多构态控制策略可以解决单一控制模式不能适应变胞机构多构态的题目。针对变胞机构构态变换的稳定特性要求，建立了其伺服控制输入模型并进行了优化求解，消除了变胞机构的构态变换过程中的碰撞和冲击题目，改善了机构系统的运动和动力特性，使机构具有更大的柔性。最后，应用本文所提出的变胞机构的相关理论和方法，针对太空舱舱门开关动作和工作环境的复杂约束需求，进行了舱门开关变胞机构的设计。该机构具有多个构态，通过各构态机构的变换实现了舱门开关动作的需要。在动态3D仿真的基础上，研制了一套舱门自动开关操作机构装置，并进行了相关试验验证。

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