● 摘要
机构的运动可以完全等效成它们的动瞬心线或动瞬轴面在定瞬心线或定瞬轴面的运动。所以瞬心线或瞬轴面可以看作是机构运动的几何模型，它们在机构学和仿生学上都有重要的应用。不过，到现在为止，有关它们的研究资料非常零散，特别是关于空间瞬轴面的研究非常少。有鉴于此，本文基于旋量理论和旋转矩阵理论对机构的瞬心线和瞬轴面进行求解、分析，并基于瞬轴面理论设计了结构新颖的无齿球齿轮和等速万向联轴节，采用仿真与实验相结合的方法对样机性能进行研究。本文主要研究内容如下：
（1）研究了瞬心线和瞬轴面机构的设计原则，将瞬心线和瞬轴面机构分为内啮合型和外啮合型，并根据传动比特性设计出一些特殊的瞬心线和瞬轴面机构，最后将瞬轴面的概念由空间直纹面向空间曲面扩展。
（2）以空间单自由度机构RCCC以及球面4R机构为例，给出求解多自由度机构定、动瞬轴面的两种方法：雅克比法和等效转轴法。前者以旋量理论为基础，并结合机构的几何特性来求解雅可比矩阵，求解过程相对简单。在求出定瞬面的坐标方程同时，通过机构的姿态变换矩阵，对定瞬轴面进行坐标变换，将得到动瞬轴面在固定坐标系中的坐标方程。
（3）对一些特殊的瞬心线及瞬轴面机构特性进行了研究。通过计算虎克铰的瞬轴面，得出它们为一对大小为2倍关系的圆锥内啮合型瞬轴面，证明出虎克铰的运动为空间卡当运动。计算得到Omni Wrist III的瞬轴面分布在两个等径的半球上，证明它的运动可以等效为两个等径半球纯滚动。计算出RR/2-RRR机构的瞬轴面，得出它的运动可以等效为两个锥面的纯滚动，进一步推导出所有定转心并联机构的运动都可以等效为两个锥面的纯滚动。将平面的瞬心、瞬心线概念向空间瞬心、空间瞬心线概念扩展，并把瞬心线与纯滚动结合起来。
（4）基于等径半球纯滚动机构设计了无齿球齿轮以及新型等速万向联轴节，无齿球齿轮的传动比为1:1，以无齿球齿轮机构为基础设计了柔性手腕。采用理论、仿真、实验相结合的方法研究等速万向联轴节的特性，得出它在输入输出轴夹角为0~90°以上能实现精确的等速传递，在扭矩传递方面，输入输出轴夹角在0~15°左右，输入的扭矩与输出的扭矩有很好的线性对应关系。
关键词：瞬心线，瞬轴面，无齿球齿轮，等速万向联轴节
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