机构综合大作业（哈尔滨工业大学陶建国授课，变胞机构的介绍）

目录

摘要 ............................................................................................................................... 2 1变胞机构的提出和目前国内国际发展状况 ............................................................ 2 2 变胞机构的定义及特征 ........................................................................................... 4 3 变胞机构的分类 ....................................................................................................... 7 4 变胞机构的变胞实现方式 ....................................................................................... 8 5 变胞机构的应用 ....................................................................................................... 9

5.1 在连杆机构中的应用..................................................................................... 9 5.2 在机器人技术中的应用............................................................................... 10 5.3 在航天领域的应用....................................................................................... 10 5.4 在制造行业中的应用................................................................................... 10 5.5 在其他方面的应用....................................................................................... 11 6 应用举例 ................................................................................................................. 11

6.1 3R /4R平面机构 ................................................................................... 11 6.2 折叠阵列架........................................................................................... 12

7 变胞机构的机构分析 ............................................................................................. 14

7.1变胞机构的自由度计算................................................................................ 14 7.2变胞机构的构态变换.................................................................................... 14 7.3 变胞机构的综合........................................................................................... 15 8 总结 ......................................................................................................................... 16 参考文献 ..................................................................................................................... 16

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摘要：本文首先通过对变胞机构的国内外研究现状的查阅，进而提出了变胞机构的定义以及分类，以及它的本质内涵，对其与其他结构进行了界定。并且对变胞机构实现变胞的方式做了分类总结，以期对读者在设计变胞机构的时候能有所帮助。另外，还对变胞的机构的相关应用作了简要的概述。并且列举了两个例子，以使读者能更好的理解变胞机构。最后，对于变胞机构的机构分析作了简要的介绍。

关键词: 变胞机构；定义；应用

1变胞机构的提出和目前国内国际发展状况[1?2]

我们把能在某瞬时使某些构件发生合并/分离、或出现几何奇异,并使机构有效构件数或自由度发生变化,从而产生新构型的机构称为变胞机构。变胞机构的某一构型,必然对应特定的有效构件数和自由度,这称为变胞机构的一个构态。变胞机构具有多个构态,它可按不同的需求,在运动中改变构态,从而提供可变自由度或可变构件数的机构,使机构适应不同任务,应用于不同场合。

变胞机构的研究可以追述到1995年。这一研究起源于花样叠纸(origami)。用折纸来研究机构可追述到Candy和Rollett在1952年的研究。考虑到折痕为铰链，连接纸板为杆件，折纸是最经济也是最快速的方法来快速制造(rapidprototype)一个机构。借用折痕为旋转轴，连接纸板为杆件，折纸可以构造出一个机构。其典型的例子可见图1折纸的Sarrus机构。

图1 折纸做出的Sarrus机构

典型的球面变胞机构可以从一常见的折纸抽象演变而成，见图2和图3。

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图2 球面变胞机构

图3 相应的花样折纸

在研究折纸式装饰性纸盒和研制自动操作多指手，Dai和Rees Jones发现了新一类机构。这一新类型机构除了具有类似可展式机构的高度可缩和可展性，还可改变杆件数，改变拓仆图并引致变自由度。用进化论和生物学细胞分裂重构的观点解释，这一机构具有变胞功能(metamorphosis)。由此一些机构由装饰性折纸抽象演变并脱颖而出。这一研究于1998年在亚特兰(Atlanta)召开的ASME第25界机构学双年会发表，获得了ASME机构学委员会的双年度最佳论文奖，井列入20世纪九十年代获奖的唯一的四篇学术论文。继此之后，Dai和Rees Jones 在1999年探讨了变胞机构的构态变换。Dai和张启先在2000年提出了构态变换的矩阵演变。

广泛的学术兴趣自此引起。2000年，Daniel等在Brigham Young大学引伸出了变胞正交机构。该机构运行在正交平面并有交胞特性。2001年台湾成功大学Lee和法国Herve提出T断续自由度(discontinuity mobility)机构。该机构延伸于魔方原理，具有变杆件数和变自由度的变胞原理。这一机构扩充了变胞机构文库，

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成为变胞机构的一个分支一变胞运动限定机构。2002年，李端玲等应用拓仆学研究变胞机构，探讨了变胞机构的综合，提出了变胞机构的综合算法。2003年，Carroll等从Brigham Yong大学进一步提出了柔性变胞机构。在变胞过程中利用杆件柔性完成变胞过程。2004年，刘长河和杨廷力在深入研究了变胞机构后，提出了变胞的三种方式。这三种方式是利用杆件的偶合，利用杆件连接关系的变化，和利用运动副的特性变化，以达到变胞。这三种方式的提出不但从拓朴学原理引伸出新的变胞机构，而且挖掘出一些现有机构的变胞特性，从而扩充了变胞机构的文库。

2 变胞机构的定义及特征[3?6]

先看一下它的特征。变胞机构是应用在具有多个不同工作阶段的场合，并且由一个工作阶段到另一个工作阶段中，总是以改变机构的拓扑结构（由此改变机构的自由度）呈现出不同机构类型或运动性能来实现功能要求。变胞机构完成所设定的多个工作阶段功能的运动过程的集合，我们可以称为变胞机构的一个工作过程周期，简称工作周期。在工作周期中，变胞机构在保持一种固定的拓扑情况下具有的一系列位置或状态集合，我们可以称为一个工作阶段。在机构变换过程中，实现从一种拓扑结构形式到另一种拓扑结构形式的变化。因此可以归纳出变胞机构有三个主要特征：可以满足多个功能阶段特征；具有拓扑机构变化特征；多自由度变化特征。

（1）多功能阶段变化特征。变胞机构在整个工作过程周期中有多个不同性能要求的固定的工作阶段，在不同的工作阶段需要变化不同的机构来完成不同的性能要求，包括利用机构的奇异位置来工作，单一阶段的工作过程属于普通的机构而不是变胞机构的特征。

（2）多拓扑结构变化特征。变胞机构在不同的工作阶段及变化过程中，呈现不同的机构结构拓扑变化性质，包括构件与运动副数目、运动副种类以及连接方式等，使得不同阶段以及变化过程中对应不同的拓扑结构形式的机构。

（3）多自由度变化特征。变胞机构在不同的工作阶段以及变化过程中具有不同的拓扑结构形式，导致不同阶段具有不同的自由度，或者经过多自由度机构

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变换过渡，实现从一种拓扑机构形式到另一种拓扑结构形式的变化。

从传统机构学的研究角度出发，机构的基本组成：运动链（构件和运动副）、原动件、机架，而变胞机构也应属于机构的一种，因此，变胞机构是由若干个构件通过若干个运动副连接而成的运动链，且各构件相对机架具有确定的相对运动。基于变胞构件数目和自由度的改变，可以看出，从一种拓扑机构形式变化到另一种拓扑机构形式，实质是运动链的构件数目、运动副的数目或结构形式种类发生改变或转换而产生的变胞机构的变化。结合变胞机构的特征和构成，给出变胞机构的严格定义：在具有多个不同工作阶段的周期中，含有闭环的多自由度运动链呈现不同拓扑结构形式，结合其机架和原动件来实现不同功效，称为变胞机构。这样的定义很好地诠释了变胞机构的内涵及范畴，揭示了变胞机构的本质与特征。在不同的工作阶段，不同的拓扑结构，具有不同的功效，这三个“不同”体现了变胞机构的“变”，运动链则成了“胞”，拓扑结构则成了机构的“胚”的内涵。

由于变胞机构的发展刚处于起步阶段，在一段时间内，变胞机构的范围没有很好的界定，产生了概念混淆和学术上的争论。结合上述变胞机构内涵界定的基础上，简要比较变胞机构与其他几种易混淆的机构：

变胞机构与机构组合，机构组合在原理上可以看做其拓扑结构发生改变，为了得到输入运动，用非工作机构的拓扑结构变化来实现工作要求，如离合器等，属于机构组合而非变胞机构。

变胞机构与运动限定机构，运动限定机构常在某些瞬时位置利用其机构中的某些构件的结构限制、运动副的改变来实现某些功能，但机构的整个工作过程中拓扑结构和自由度没有发生变化，如卫星天线、太阳能帆板等可展式机构。

变胞机构与多自由度机构，一般情况下，多输入输出是多自由度机构的基本特征，若设置在某些位置瞬时运动停止或锁住，属于多输入输出值域内的正常值，重要的是并非利用其拓扑结构变化产生的性能来满足工作需求，故不属于变胞机构，不过，如果多自由度机构在工作周期中运用机构的拓扑结构变化实现运动性能时，则可以视为变胞机构的一种。

变胞机构与对称机构，多个对称机构在机构学的研究中，常视为只讨论一个机构，不看作多个机构，因此也不属于变胞机构，如锁簧等，同时特别利用奇异位置工作的，如凸轮机构停歇位置工作属于固有特性，没有拓扑结果的变化，也

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