● 摘要
现代机械装备或产品正向“重大精尖”和“微小精密”方向迅猛发展，对作为其骨架与执行器的机构（包括少自由度功能机构、柔性机构等）提出了更高、更为特殊的功能要求。建立相关的创新设计理论与方法已成为当前机构学研究的一个重要主题。本文以一类特殊的少自由度功能型机构——虚拟运动中心（VCM）机构为研究对象，对其构型综合与设计方法进行了系统深入的研究，并通过将VCM概念和柔性机构有机结合，建立了一套行之有效的大行程高精度柔性铰链（及柔性机构）分析、设计方法和理论。主要开展了如下研究：（1）以旋量理论为数学工具，结合模块化思想理念，提出了一种可以实现刚柔机构统一构型综合的普适性方法。该方法的核心在于建立几何模块、运动（约束）模块与物理模块三者之间的映射关系。基于所提方法实现了对刚性1R, 2R, 3R-VCM机构，以及柔性1R-VCM模块的构型综合，并且得到了包括多种新型的VCM机构。此外，还提出了一种新颖的基于几何空间映射的柔性VCM模块的构型综合方法，优点在于可以从一种简单的直线运动模块出发，构造出多种新型的柔性VCM铰链。（2）针对传统伪刚体法在大行程簧片式柔性铰链的建模效率和精度上存在的不足，提出了一种新的基于VCM概念的伪刚体建模方法。通过对几种典型的大变形柔性铰链进行理论分析、仿真与实验验证，结果表明通过所提方法建立的伪刚体模型在铰链较大变形（50°~60°内）时仍能保持较高精度（误差不超过10%），在较小变形时更加准确。（3）研究中发现：由于柔性VCM铰链由于其转动中心不在铰链上，使其比普通柔性铰链更容易叠加，从而方便构造行程更大的柔性铰链。基于此设计思想，提出了基于柔性单元组合的大行程柔性铰链设计方法。以等腰梯形柔性铰链（LITFP）为例验证了该方法的有效性，并得到了多种新颖的性能更优的D-LITFP（两个LITFP组合）和Q-LITFP铰链（四个LITFP组合）。基于所提方法，还设计了包括大行程虎克铰、柔性滑轨、柔性仿生腰等在内的多种新构型。（5）在对大行程柔性铰链性能准确分析的基础上，提出了一种基于刚柔耦合寄生运动相互抵消的柔性近似直线机构的设计方法。该方法主要将柔性铰链转动中产生的轴漂和其转动时产生的偏移量进行抵消，从而实现机构上一点的直线运动。以柔性Roberts机构为例，验证了所提方法的有效性。（6）结合特殊应用背景，对几种VCM机构进行了具体设计与分析实验。如针对微创手术应用的双平行四杆型及绳驱动RCM机构的设计、用于人机界面的重力平衡VCM机构的设计、基于VCM原理的轮式移动越障机器人的设计等。提出了对杆件弯折的双平行四杆型VCM机构的3重物重力平衡的方法。总之，论文研究内容既涉及了不同类型VCM机构的构型综合、分析建模以及设计方法，也有针对性地对几种新型的VCM机构进行了具体设计与应用。这一工作将为扩展VCM机构在精密工程、医疗、生物工程、工业自动化等领域的应用提供强有力的理论和技术支持。