折纸型变胞机构的结构分析方法及其应用研究

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1、硕士学位论文折纸型变胞机构的结构分析方法及其应用研究RESEARCHONSTRUCTUREANALYSISMETHODSANDAPPLICATIONOFORIGAMI-TYPEMETAMORPHICMECHANISMS许栋铭哈尔滨工业大学2015年7月国内图书分类号：TH112学校代码：10213国际图书分类号：621密级：公开工学硕士学位论文折纸型变胞机构的结构分析方法及其应用研究硕士研究生：许栋铭导师：于红英教授申请学位：工学硕士学科、专业：机械设计及理论所在单位：机电工程学院答辩日期：2015年7月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TH112U

2、.D.C:621DissertationfortheMaster’sDegreeinEngineeringRESEARCHONSTRUCTUREANALYSISMETHODSANDAPPLICATIONOFORIGAMI-TYPEMETAMORPHICMECHANISMSCandidate:XuDongmingSupervisor:Prof.YuHongyingAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpecialty:MechanicalDesignandTheoryAffiliation：SchoolofMechatroni

3、csEngineeringDateofOralExamination:July,2015Degree-Conferring-Institution:HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要变胞机构是一类在连续运动过程中自由度和拓扑结构可变且能根据不同工作任务改变约束特征的新型机构。变胞机构的这些特点使得对它的结构分析和设计中存在一定的困难，对变胞机构的研究将有助于开拓机构创新设计新思路和新方法，同时变胞机构在航空航天领域、机器人、制造系统和玩具行业等都有广泛的应用前景。本文结合可展曲面的相关理论来研究折纸型变胞机构结构分析方法及

4、其在太阳翼中的应用。以变拓扑结构和变自由度这两个变胞机构的主要特征为切入点展开研究，提出了新的拓扑矩阵和矩阵变换公式来描述变胞过程并运用螺旋理论结合机构几何参数模型的方法分析自由度，还利用折纸型变胞机构的结构优点设计出变胞太阳翼。本文首先研究基于可展曲面的折纸型变胞机构的结构描述与构型分析方法。揭示了可展曲面、折纸和变胞机构三者之间的对应关系，提出利用可展曲面的相关理论研究折纸型变胞机构的结构。寻找到不同折纸型机构构型的几何特征并提炼出对应的几何约束方程，通过可展曲面参数方程和几何约束方程建立机构的几何参数模型并构造新的拓扑矩阵和矩阵变换公式分析变胞过程，给折纸型变胞机构的计

5、算机辅助设计提供了理论基础。其次，利用螺旋理论来研究折纸型机构的自由度分析方法。运用螺旋理论分析简单折纸型机构的自由度，针对复杂折纸型机构存在大量过约束的现象，提出几何参数模型与螺旋理论相结合的方法分析机构的过约束数目并计算其自由度。建立折纸型机构自由度的分析方法有助于变胞机构的结构分析与设计。最后，将折纸型变胞机构应用于太阳翼基板构型的设计中。阐述了太阳翼基板的构成方式，说明了折纸型机构分析方法适用于太阳翼基板构型分析，指出了现有太阳翼基板构型设计中存在的不足，设计出具有单自由度、折展比大、模块化的变胞太阳翼。关键词：变胞机构；折纸；可展曲面；太阳翼；结构分析；自由度分析-

6、I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractMetamorphicmechanismisanewclassofmechanismswhichcanchangethetopologicalstructureandthemobilityofmovementsintheprocessofcontinuousmotion,italsocanchangetheconstraintcharacteristicsbasedonthedifferentworktasks.Thesefeaturesofthemetamorphicmechanismmakeithardtoanalyzea

7、nddesignitsstructure,sostudyonthemetamorphicmechanismswillbehelpfultofindnewideasorwaysforthemechanisminnovativedesign.Metamorphicmechanismshaveawiderangeofapplicationsintheaerospacefield,robotics,manufacturingsystemsandtoyindustry.Thispaperstudiedthestr