[发明专利]一种基于可变形刚体机构综合理论的刚体链连接方法

说明书

本发明提供了一种基于可变形刚体机构综合理论的刚体链连接方法，采用刚体链和虚拟链相互转化的方法，可将实际刚体链转化为只存在转动副(和球副)的虚拟链，因此除了要求解第一个虚拟链段的起点坐标位置外，只需要求解各个虚拟链段起点处的方向角，由此可以对虚拟链方向角设置统一的变化上限来求解。而且，由于虚拟链中各链段的结构是简化了链段的结构，每个链段都是线性的，只需考虑其起点和终点(即节点)，因此在求解过程中极大地减小了计算量，可以提高计算速度。

技术领域

本发明涉及可变形刚体机构设计技术领域，特别是一种基于可变形刚体机构综合理论的刚体链连接方法。

背景技术

许多机械系统通过改变其几何形状执行功能。可控地改变形状可使机构更有效地在多种工作环境中发挥作用，或者执行多个任务，具有这种能力的系统通常被称为自适应或变形机构。变形机构的典型应用例如变形飞机机翼、有源孔径天线以及光学系统的可变形反射镜等。刚体机构通常由传统的机械部件组成，如刚性连杆、铰链、齿轮、凸轮等。这种机构用由转动副连接、移动副连接或球副连接的刚体组成的链的边缘形状去拟合一系列目标形状，刚体机构综合过程中便需要设计这个刚体链。在平面情况中，刚体链可视为由形状和大小均不变的M链段以及有特定曲率、长度可变的C链段组成，链段之间以固定角度“熔合”连接(F连接)或以转动副(R连接)相连。在空间情况中，刚体链可视为由M链段和曲率与挠度均相等、长度可变的H链段组成，链段之间以固定角度“熔合”连接(F连接)或以球副(S连接)相连。

现有的技术中，为了要求解连续的刚体链的位置和方向，除了要求解第一个链段的起点坐标位置外，还需要分别求解各个链段起点处的方向角以及C链段(或H链段)的长度。由于角度和长度是两种不同量纲的物理量，在求解过程中难以用统一的标准衡量它们的变化，因此难以找到合适的权重分配规则来进行求解。而且各个链段形状复杂，求解过程中需要对链段上的每个坐标点都进行计算，因此计算量巨大，计算速度慢。

发明内容

本发明提供一种基于可变形刚体机构综合理论的刚体链连接方法，解决了现有技术中对刚体链段最终位置的求解过程中无法设置统一的变化上限以及计算量大、耗时长的技术问题。

本发明的可变形刚体链是可变形刚体机构中用于构成目标轮廓形状的一组相连的链段。在可变形刚体机构的综合理论中，目标轮廓分成开放轮廓(首尾两端无几何约束条件)、封闭轮廓(首尾相连)以及固定端轮廓(首尾两端有位置和/或方向约束)三类；

封闭轮廓的起点和终点之间可采用转动副连接(称为封闭R轮廓)或者熔合连接(称为封闭F轮廓)。固定端轮廓的端点处与机架可采用转动副连接(称为R类型)或者移动副连接(称为P类型)，R类型的端点位置固定，P类型的端点位置与方向均固定。根据两端点的类型不同，固定端轮廓可以分为RR、RP，PR和PP四种类型。

平面链段类型包括两种：形状和大小均不变的M链段(具有任意二维曲线外形)以及有固定曲率、长度可变的C链段(外形为一段圆弧)。空间链段类型包括两种：形状和大小均不变的M链段(具有任意三维曲线外形)以及有固定曲率和挠度、长度可变的H链段(外形为一段圆柱螺旋线)。对于平面刚体链，各链段之间的连接方式包括以转动副相连(称为R连接)和以特定角度进行“熔合”连接(称为F连接)。对于空间刚体链，各链段之间的连接类型包括以球副相连(称为S连接)和F连接。从机构的角度来看，M链段即一个刚性连杆，C链段即两个或两个以上曲率相同、由移动副相连的刚性连杆，H链段即两个或两个以上曲率和挠度相同、由移动副相连的刚性连杆。

因此一条平面可变形刚体链实际上是由若干个以移动副和转动副连接的具有二维曲线外形的刚体构成，而一条空间可变形刚体链是由若干个以移动副和球副连接的具有三维曲线外形的刚体构成。在可变形刚体机构的综合过程中，需设计一条平面(或空间)可变形刚体链来拟合一组平面(或空间)目标轮廓曲线形状。

本发明采用的技术方案如下：