基于正多面体的单移动对称耦合机构构型综合方法研究

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空间耦合机构是一类能兼具串、并联机构结构特点的新机型,多作为高速、重载环境中大型工业装备的核心机构,在航空、避难、仿真机器人等领域有良好应用。较之传统的串、并联机构,空间耦合机构的各支链并不独立,相邻分支之间存在耦合关系,这种结构特殊性致使常用的构型综合理论对耦合机构并不适用,阻碍了空间耦合机构的开发和应用。  多面体对称耦合机构是一类特殊的空间耦合机构,其结构形式多样且具有较好的可展特性,在航天领域具有较好的应用前景。但由于对称机构的构型综合相对更加困难,并且多面体耦合机构包含更多的耦合支链,进一步增大了这类机构构型综合的难度,因此开展多面体对称耦合机构的构型综合研究具有重要意义。  本文主要研究基于正多面体的单移动对称耦合机构的构型综合问题,旨在建立适用于此类机构的构型综合方法。主要研究内容包括以下方面:  首先,提出一种基于正多面体的单移动对称耦合机构构型综合新方法。通过分析正多面体的结构特性,首先给出各类结构基本要素与组成要素的基本概念。然后根据正多面体结构的对称性和对偶性,提出顶点等效原则和替代原则,确定最优对称轴的选取方法,并依据正多面体的顶点连接特性,给出支链配置方法。接着按照对应关系配置各类替代构件,建立机构基础模型。在此基础上,分析该模型的自由度性质及运动特性,最后得到合理的基础耦合机构模型,由此形成一种适用于此类多面体对称耦合机构的构型综合方法。  然后,直接应用提出的构型综合方法,开展基于正四面体和正六面体的构型综合研究。基于正四面体综合出三种四面体机构模型,通过对比三种机构模型中支链的配置特性,得到一种单移动四面体对称耦合新机构。基于正六面体及其演变得到的三角双锥体结构,综合出由不同结构单元环组成的六面体对称耦合机构,通过自由度分析,验证提出的构型综合方法对正六面体演变对称结构的构型综合研究同样有效。通过分析两种六面体机构中的节点配置及运动特性,提出“层”的概念,将多面体对称耦合机构分为单“层”机构和多“层”机构,便于后续对复杂多面体耦合机构的构型综合研究。  其次,基于正八面体结构,应用构型综合新方法开展对称耦合机构构型综合研究,得到一种单“层”对称耦合机构,随着与之对应的多面体结构组成要素增多,综合得到的单“层”对称耦合机构的分支数也相应增加。为了简化新机构构型过程中的重复配置,提出“添加分支法”,通过添加同“层”节点配置新分支,解决多分支单“层”对称耦合机构中重复分支布局的复杂问题,得到了一类单“层”对称耦合新机构。  再次,基于正十二面体和正二十面体结构,综合出两种双“层”对称耦合机构。针对更复杂的多“层”对称耦合机构,提出“添加节点法”,通过在双“层”机构中对称单元环的几何中心处添加新节点,解决了多“层”对称耦合机构中节点空间配置的复杂问题,同时综合出了菱形十二面体对称耦合机构和二十面体对称耦合机构。  最后,对于十面体对称耦合新机构中出现的组成要素数目不对应现象,提出“顶点拼接法”,得到基于正十二面体结构的十二面体对称耦合机构,实现复杂多面体对称耦合机构的对应配置。
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