一种基于单铰链的LEMs构型综合方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于单铰链的LEMs构型综合方法，该方法能够求解包含转动副和移动副、以及机架和主动件变换的LEMs构型综合问题。其通过如下步骤进行：1）将LEMs等效看成单铰链平面运动链，用运动链中的转动副和移动副表示LEMs中转动副和移动副。2）根据给定的杆件数和自由度数，分析杆组的所有装配组合，搭建杆组邻接矩阵的框架。3）依据运动部件的约束条件，将第一级及之后的杆组依次装配到主动件和机架或者前级杆组上。
【专利说明】一种基于单铰链的LEMs构型综合方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及的LEMs构型的【技术领域】，具体为一种基于单铰链的LEMs构型综合方 法。
【背景技术】
[0002] Lamina Emergent Mechanisms (LEMs)是一种从平面材料中制造，并且能够浮出制 造平面的机械装置。此种机械装置通过使柔性部位变形来实现所需的运动，因此是一种柔 顺机构。LEMs在拥有其他柔顺机构优点的同时，能采用成本较轻的加工工艺(如剪切、冲孔、 落料等)。LEMs的平面特性使得其在储藏和运输成本方面亦有优势。
[0003] 国内外学者的研究方向主要集中在LEMs运动副的开发以及驱动方式的研究。 Jacobsen等人设计了一种目前较常用的关节-LET (Lamina Emergent Torsion)。该关 节是一种类似于铰链的柔顺部件，不同于铰链通过旋转彼此相对运动的表面来获得运动， 柔顺关节通过材料的变形获得所需运动。
[0004] 另一方面，对LEMs机构进行结构类型综合能够启发人们创新、发明新的LEMs机 构，同时对现有的机构进行优化，因此LEMs机构的结构类型综合就很有必要。
【发明内容】
[0005] 针对上述问题，本发明提供了一种基于单铰链的LEMs构型综合方法，该方法能够 求解包含转动副和移动副、以及机架和主动件变换的LEMs构型综合问题。
[0006] 一种基于单铰链的LEMs构型综合方法，其特征在于： 其通过如下步骤进行： 1) 将LEMs等效看成单铰链平面运动链，用运动链中的转动副和移动副表示LEMs中转 动副和移动副； 2) 根据给定的杆件数和自由度数，分析杆组的所有装配组合，搭建杆组邻接矩阵的框 架； 3) 依据运动部件的约束条件，将第一级及之后的杆组依次装配到主动件和机架或者前 级杆组上； 4) 在上一步装配的同时，同步辨识同构体，除去结构相同的连接方式，得到只含转动副 的所有平面机构连接方式； 5) 将主动件的运动副类型以及各级杆组所包含的所有不同类型分别代入前述所求得 的平面机构连接方式，得到包含转动副和移动副，以及机架和主动件变换的所有平面机构 连接方式。
[0007] 采用本发明的方法后，通过杆组元素的装配连接组合得到杆组的连接顺序，之后 搭建杆组邻接矩阵的框架，然后依据运动部件的约束条件，将第一级及之后的杆组依次装 配到主动件和机架或者前级杆组上，同步辨识同构体，除去结构相同的连接方式，得到只含 转动副的所有平面机构连接方式，最后将主动件的运动副类型以及各级杆组所包含的所有 不同类型分别代入前述所求得的平面机构连接方式，得到包含转动副和移动副，以及机架 和主动件变换的所有平面机构连接方式，该方法能够求解包含转动副和移动副、以及机架 和主动件变换的LEMs构型综合问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0008] 图1为LEMs中最常用的关节-LET (Lamina Emergent Torsion)的一种不同 的形式； 图2为LEMs中最常用的关节-LET (Lamina Emergent Torsion)的另一种不同的 形式； 图3的（a)至（f)分别为LEMs机构构型综合过程中，未连 上最后一个II级杆组时所代表的机构构型； 图4为一种单铰链八杆运动链； 图5为与图4对应的LEMs平面机构对应图。
【具体实施方式】
[0009] 一种基于单铰链的LEMs构型综合方法，其通过如下步骤进行： 1) 将LEMs等效看成单铰链平面运动链，用运动链中的转动副和移动副表示LEMs中转 动副和移动副； 2) 根据给定的杆件数和自由度数，分析杆组的所有装配组合，搭建杆组邻接矩阵的框 架； 3) 依据运动部件的约束条件，将第一级及之后的杆组依次装配到主动件和机架或者前 级杆组上； 4) 在上一步装配的同时，同步辨识同构体，除去结构相同的连接方式，得到只含转动副 的所有平面机构连接方式； 5) 将主动件的运动副类型以及各级杆组所包含的所有不同类型分别代入前述所求得 的平面机构连接方式，得到包含转动副和移动副，以及机架和主动件变换的所有平面机构 连接方式。
[0010] 以综合一自由度八杆十副运动链为例，其通过如下步骤进行单铰链的LEMs构型 综合方法： 1.杆组元素的装配连接组合 I. 1单自由度机构构件数与杆组数关系 由于II级Assur杆组中构件数为2, III级和IV级Assur杆组中构件数为4,主动件和机 架的构件数为1，所以平面机构的总构件数与各级Assur杆组数之间的关系如下：
【权利要求】
1. 一种基于单铰链的LEMs构型综合方法，其特征在于： 其通过如下步骤进行： 1) 将LEMs等效看成单铰链平面运动链，用运动链中的转动副和移动副表示LEMs中转 动副和移动副； 2) 根据给定的杆件数和自由度数，分析杆组的所有装配组合，搭建杆组邻接矩阵的框 架； 3) 依据运动部件的约束条件，将第一级及之后的杆组依次装配到主动件和机架或者前 级杆组上； 4) 在上一步装配的同时，同步辨识同构体，除去结构相同的连接方式，得到只含转动副 的所有平面机构连接方式； 5) 将主动件的运动副类型以及各级杆组所包含的所有不同类型分别代入前述所求得 的平面机构连接方式，得到包含转动副和移动副，以及机架和主动件变换的所有平面机构 连接方式； 6) 最后将所得平面运动链还原成LEMs的平面状态。
2. 根据权利要求1所述的一种基于单铰链的LEMs构型综合方法，其特征在于：在步骤 1) 中，并非直接对LEMs进行机构构型综合，而是将其等效成平面单铰运动链，从而能够采 用平面机构综合的各种方法，最后综合完成之后，将其还原成LEMs平面状态。
3. 根据权利要求1所述的一种基于单铰链的LEMs构型综合方法，其特征在于：在步骤 2) 中，杆组邻接矩阵中最基本的元素为各级Assur杆组，而非传统邻接矩阵中以构建为基 本元素，即：
式中，F为机架，Dt为主动件，上标t=l，2为主动件运动副类型，1为转动副，2为移动 畐Ij，Ag为各级基本杆组，下标C=II，III，IV，…分别表示II级杆组，III级杆组，IV级杆组，上标 t=l，2, 3，…表示每一级杆组中不同的杆组，例如II级杆组中有五种类型，则t=l，2, 3, 4, 5 ;P表示该邻接矩阵对角线各元素间的连接关系，当P=O时表示不连接，P=I时表示连接，但当 表示连接时，为了区别杆组中连接的具体构件，使得P=ii，i=l, 2, 3,…，分表表示连接的构 件为杆组中的1号构件，2号构件等。
4. 根据权利要求1所述的一种基于单铰链的LEMs构型综合方法，其特征在于：在步骤 3) 中，所述约束条件具体为： 1) 杆组的外副必须全部连接到前面的杆组或者主动件或者机架上，且必须连接到运动 已经确定的节点上； 2) 除机架外，同一个杆组连接在前面杆组或者主动件的节点数目不得大于1 ; 3) 不得将杆组的外副全部连接在机架上。
【文档编号】B25J9/00GK104308830SQ201410382162
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年8月6日 优先权日:2014年8月6日
【发明者】曹毅, 王强, 陈桂兰 申请人:江南大学