平面约束变胞机构构态切换能力的概率评估模型

doi:10.7527/S1000-6893.2022.26843

材料工程与机械制造

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平面约束变胞机构构态切换能力的概率评估模型

孙本奇¹, 杨强¹^,²(), 孙志礼¹, 李树军¹^,³, 马宏坤¹, 王若男¹

^1.东北大学机械工程与自动化学院，沈阳　110819
^2.辽宁工业大学机械工程与自动化学院，锦州　121001
^3.中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室，沈阳　110016

收稿日期:2021-12-21 修回日期:2022-01-10 接受日期:2022-03-18 出版日期:2023-02-25 发布日期:2022-04-12
通讯作者: 杨强 E-mail:qiangyang@mail.neu.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(51575091);航空科学基金(20170250001);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(N2203010)

A probabilistic evaluation model for configuration transformation ability of planar constrained metamorphic mechanisms

Benqi SUN¹, Qiang YANG¹^,²(), Zhili SUN¹, Shujun LI¹^,³, Hongkun MA¹, Ruonan WANG¹

^1.College of Mechanical Engineering and Automation，Northeastern University，Shenyang 　110819，China
^2.College of Mechanical Engineering and Automation，Liaoning University of Technology，Jinzhou 　121001，China
^3.State Key Laboratory of Robotics，Shenyang Institute of Automation，Chinese Academy of Sciences，Shenyang 　110016，China

Received:2021-12-21 Revised:2022-01-10 Accepted:2022-03-18 Online:2023-02-25 Published:2022-04-12
Contact: Qiang YANG E-mail:qiangyang@mail.neu.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(51575091);Aeronautical Science Foundation of China(20170250001);the Fundamental Research Funds for the Central Universities(N2203010)

摘要/Abstract

摘要：

构态切换过程的力学调控机理和构态切换能力的定义及评价是变胞机构实现构态平稳切换的理论基础。考虑工程实际中的误差随机性问题，建立构态切换能力的概率评估模型是降低变胞机构运动功能失效概率的关键。基于多构态欠驱动约束变胞源机构的结构组成原理建立了含变胞副的扩展Assur杆组模块化受力分析模型。根据变胞副的等效阻力梯度模型，完成了确定性条件下约束变胞机构构态切换的力学机理建模。进而，考虑系统内外部误差的随机性，建立了约束变胞机构构态切换时刻的可靠性评估模型。考虑构态切换相邻时刻运动功能失效的影响，利用系统可靠性理论提出了约束变胞机构构态切换的区间可靠度计算模型。最后，以折纸变胞机构为例，验证了提出的构态切换能力概率评估方法的可行性和有效性。为开展以获得高概率的构态切换重复执行能力为目标的约束变胞机构可靠性优化设计奠定了基础，同时对推进变胞机构的工程应用具有理论和实际意义。

关键词: 平面约束变胞机构, 构态切换, 概率, 可靠性, 等效阻力, 变胞副结构

Abstract:

The definition and evaluation of configuration transformation ability as well as the principle of force control during the process of configuration transformation are the research foundation for realizing the stable configuration transformation of metamorphic mechanisms. Considering the randomness of input errors in practical application， the establishment of a probabilistic evaluation model of the configuration transformation ability is the theoretical basis for reducing failure probability of kinematic performance of metamorphic mechanisms. Based on the structure composition principle of the multiconfiguration source metamorphic mechanism that can operate in an under-actuated state， the modularized calculation models are established for force analysis of the augmented Assur groups including metamorphic joints. According to the equivalent resistance gradient model of metamorphic joints， a force analysis model is deduced to describe mechanical control principle of the configuration transformation of constrained metamorphic mechanisms. Furthermore， considering the uncertainties in the link dimensions， masses， and compliance parameters et al， a reliability evaluation method of the configuration transformation moment for the constrained metamorphic mechanism is established. Considering the influence of kinematic failure at the adjacent moment of configuration transformation time， an interval reliability calculation method for the configuration transformation of constrained metamorphic mechanisms is proposed by using the calculation model of system reliability. Finally， the feasibility and effectiveness of the probabilistic evaluation method is verified by taking the metamorphic mechanism of paper folding as an example. This research provides the foundation for the reliability optimization design of the constrained metamorphic mechanism aiming at obtaining the repeatability of the configuration transformation with high probability. It also shows theoretical and practical significance in promoting the application of metamorphic mechanisms.

Key words: planar constrained metamorphic mechanisms, configuration transformation, probability, reliability, equivalent resistance, structure of metamorphic joint

中图分类号:

V328.5

孙本奇, 杨强, 孙志礼, 李树军, 马宏坤, 王若男. 平面约束变胞机构构态切换能力的概率评估模型[J]. 航空学报, 2023, 44(4): 426843.

Benqi SUN, Qiang YANG, Zhili SUN, Shujun LI, Hongkun MA, Ruonan WANG. A probabilistic evaluation model for configuration transformation ability of planar constrained metamorphic mechanisms[J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2023, 44(4): 426843.

图/表 16

图 1

图 2

图 3

图 4

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表 1

表 2

图 10

图 11

图 12

图 13

表 3

参考文献 30

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E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

参数	数值	参数	数值	参数	数值
l_AB /mm	N~（180，0.042）	l_BC /mm	N~（360，0.06）	l_CD /mm	N~（240，0.048）
l_CE /mm	N~（360，0.06）	l_EF /mm	N~（210，0.048）	l_AD /mm	315
maxl_AF /mm	870	m_AB /kg	N~（1，0.007）	m_BC /kg	N~（1.5，0.01）
m_CD /kg	N~（1，0.007）	m_CE /kg	N~（1.5，0.01）	m_EF /kg	N~（2，0.013）
m_slider/kg	N~（1，0.007）	J_AB /（kg·m²）	0.002 7	J_BC /（kg·m²）	0.016 2
J_CD /（kg·m²）	0.004 8	J_CE /（kg·m²）	0.016 2	J_EF /（kg·m²）	0.007 35
a/mm	250	k₁/（N·mm^-1）	N~（10，0.1）	d₁/mm	N~（100，0.667）
d₂/mm	N~（120，0.667）	b/mm	76	k₂/（N·mm^-1）	N~（0.5，0.01）
ω₁/（rad·s^-1）	N~（2π，0.01）	α/（°）	N~（120.3，0.167）	Δθ₁/（°）	N~（0，0.067）

参数	第Ⅰ构态	第Ⅱ构态	循环
机构类型	曲柄滑块机构	曲柄摇杆机构	下一循环
主动件转角	-290.2°~-15.2°	-15.2°~69.8°	下一循环
变胞副E夹角	停（120.3°）	120.3°~72.5°	下一循环
滑块位置	598.5~870 mm	停（870 mm）	下一循环
摇杆摆角	停（115.9°）	115.9°~88.8°	下一循环

构态	角度/（°）	μ_Z	σ_Z	β	可靠度	蒙特卡洛
构态Ⅰ	-21	2.581 7	0.519 4	4.970 5	1	1
构态Ⅰ	-20	1.791 8	0.525 6	3.408 8	0.999 7	0.999 6
构态Ⅰ	-19	1.331 4	0.533 7	2.494 7	0.993 7	0.963 3
构态Ⅰ	-18	1.247 4	0.544 0	2.293 0	0.989 1	0.988 6
构态Ⅰ	-17	1.584 6	0.557 0	2.844 9	0.997 8	0.998 1
构态Ⅰ	-16	2.383 2	0.572 9	4.159 9	1	1
切换时刻	-15.2	42.133 6	1.060 6	39.726 2	1	1
构态Ⅱ	-15	132.477 9	3.884 8	34.101 6	1	1

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