具有串并混联形式与变自由度特性的空间多环机构的拓扑设计方法

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1、多臻交博士学位论文具有串并混联形式与变自由度特性的空间多环机构的拓扑设计方法TopologicalDesignMethodsofSpatialMulti—-loopMechanismswithSerial·-ParallelHybridFormsandKinematotropicProperties作者：曾强导师：方跃法北京交通大学2012年2月学位论文版权使用授权书测渊本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查

2、阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：嗜瓢签字日期：弘I乙年乙月加日、导师签名：乃物、I么。繁签字日期：少lz，年?月矽日>中图分类号：THll2．1UDC：62．1学校代码：10004密级：公开北京交通大学博士学位论文具有串并混联形式与变自由度特性的空间多环机构的拓扑设计方法TopologicalDesignMethodsofSpatialMulti—-loopMechanismswithSerial--ParallelHybridFormsandKinematotropicProp

3、erties作者姓名：曾强导师姓名：方跃法学位类别：工学学科专业：机械设计及理论学号：07116302职称：教授学位级别：博士研究方向：机器人技术北京交通大学2012年2月致谢本论文的工作是在我的导师方跃法教授的悉心指导下完成的，方跃法教授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。导师对我科研工作的肯定，使我不断树立坚定的研究信心。同时导师全力支持出国联合培养深造的观点，让我对国内外研究有了更进一步的了解。在此衷心感谢四年来方跃法老师对我的关心和指导。美国导师KomelEEhmann教授(NorthwesternUniversity)在第四年悉心指导我完

4、成了理论到实验的科研工作，在学习上给予了我很大的关心和帮助。在他不断地鼓励和肯定下，使我对微制造技术与精密误差建模有了较深入的理解，并将理论应用于实际当中。在此由衷地感谢一年来Ehmann教授的悉心指导和帮助。郭盛副教授对于我的科研工作和论文提出了许多的宝贵意见。在学习生活中给予不断地鼓励，使我在科研方向上不断地拓展。在此对郭盛老师表示衷心的感谢。在实验室的论文研究工作期间，王乃碉、陈亚琼、曲海波等同学对我论文研究工作给予了热情的帮助，在此向他们表达我的感激之情。同时也感谢美国西北大学博士后KhalilI．Elkhodary及其实验室成员对我研究工作的建议和帮助。在

5、此也感谢父亲、母亲及兄长对我学业工作及生活的鼓励和帮助，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。另外也感谢我的女友田园在我博士期间，对于我学习和生活的鼓励和帮助。所有人的帮助都是促成我完成博士研究和使我不断进取的坚实基础，再次感谢他们对我的无私帮助。此外也衷-tl,地感谢在百忙中评阅论文和参加答辩评审的各位专家和教授。生塞摘要中文摘要摘要：空间多环机构主要包含了并联与混联的各种布局形式，而对于混联非拓展树网状结构与变自由度的设计，仍然没有具体的设计方法可利用。因此，为了实现空间多环复杂机构的系统化结构设计和变自由度运动分析，本文提出了一种全新的具有串并混联形

6、式与变自由度特性空间多环机构的拓扑设计方法。本研究从全新的数理逻辑学角度对空间机构进行了二进制12位数组矩阵的表示，同时运用逻辑命题推理，提出3阶逻辑的6值非经典逻辑矩阵表示空间的拓扑运动、关系及坐标选取，建立机构的组合逻辑库，并将其公理化用于拓扑结构的设计当中。由此可将运动与约束关系进行逻辑矩阵的结构运算定义，从而可对机构做数据结构的逻辑运算与推理，实现拓扑结构的逻辑设计算法。在拓扑结构的设计中，提出支链与平台连接形式的拓扑布局矩阵，其拓扑布局的形式可利用杆组映射和分形的方法得到，并建立拓扑布局对于空间几何体的映射组合规律，包含单末端输出的闭型与多末端输出的开型拓

7、扑布局。进而针对末端输出与支链运动关系的分析，提出了拓扑布局结构的空间多环逻辑拆分方法(SMD)，并由此结果建立了支链运动位移子集的结构配置卡(CCDS)，从而可解决非拓展树网状拓扑结构的设计，并系统化方法于应用当中。对于多环的运动约束结构，考虑其多环变自由度特性，可建立运动的拓扑结构库，并分析变自由度的原理，从而得到混联结构变自由度的系统设计方法。论文研究的最后由实例说明了逻辑拓扑结构设计方法的应用，设计了各种全新的空间多环机构，其中特别设计了一种全新双轴变自由度混联操作器KHPM．I，对其进行了运动学特性的分析，并建立此样机原型用于实际运动输出的操作测试当中