自适应机械的设计分析

一、引言

机构结构主要就是包括机构的自由度、约束、运动副数（可统一视为机构的约束）、构件数及构件运动学、动力学尺度等，而在方案设计中最关键的是机构的自由度、约束及构件数等参数，所以自适应机构综合的核心和重点就是自由度、约束及构件数的可变、可调控设计，这也是自适应机构与一般机构设计的区别。

二、自由度的设计

自适应机构在工作过程中，机构都是在初始状态的基础上通过一定参数的变化来实现自适应功能的，这里称这个“初始状态”的机构构型为自适应机构的“初始机构”。绝大多数自适应机构的初始机构都是一个多自由度、多执行构件的系统。为了适应工作变化的要求，初始机构都需要设计出与工作目标变化数相同的自由度，使之具有产生相应自适应运动的可能。同时，还应该注意到自适应机构产生的原因及价值就在于其驱动控制的简化，而且一般只需用一个驱动自由度来实现多自由度的适应，因而均是欠驱动系统，所以在多自由度的自适应机构初始运动链中都包含一个主驱动自由度及若干自适应冗余自由度。这些自适应冗余自由度，在不同的应用场合的工作过程中将以不同的方式存在，有的是一开始时就存在的，仅仅是在工作过程中逐渐被约束掉的，称之为自适应机构的“工作自由度”；有的则是一开始就被约束掉，在工作过程中，将按工作需要逐渐被“释放”的，称之为自适应机构的“条件自由度”。因此，在设计初始机构时要根据工作要求将这些冗余的自适应自由度分别加以区分和设计。

三、约束及可变约束的设计

约束特别是可变约束是机构实现自适应功能的关键。由于自适应机构的初始运动链均为多自由度机构，根据用途的不同，这些自由度有的始终存在，有的则是在工作过程中根据需要由于约束的变化而被依次的“释放”。但不论是哪种情况，一般自适应机构均采取单驱动的型式，与运动链的自由度不等，而在工作过程中必须具有确定的相对运动，因此，在工作过程中必须“增加”或“解除”一些约束，使机构总是保持在与驱动自由度相同的等实际自由度运动。所以，在自适应机构中，随着工作过程中的运动或力能参数的变化，约束也应能作相应的变化，也即是说自适应机构中必须采用可变、可调控的约束。可变约束的类型及其可调控因素与应用在前已作了较系统的介绍，如何应用和设计这些可变约束是要根据具体工作要求，需自适应的参数类型，以及机构的内外部条件等来确定的。在这里，仅根据最具典型的例子来说明可变约束设计的一般规律。

1．具有多工作自由度自适应机构的约束设计。如前述汽车差速器、重锤式惯性调速器、差动式抓斗、自动调速器以及变矩器等自适应机构，在设计它们的约束时，首先是在初始运动链中，一般通过几何约束（包括常几何约束及可变几何约束）的设计，使之具有满足工作要求的多自由度（一般为2～3），这一般是比较容易的。而设计这类机构的关键是如何正确设计与所需自动调整的工作参数相对应的外部联接，然后通过外部可变约束来改变机构的某些参数达到调整的目的。因此，这类机构的约束设计的主要内容是：内部约束的设计，使机构具有多自由度以及外部联接与外部约束的正确设计。而外部约束总是与被调控的运动或力能参数紧密相关的，因此，这类机构的可变约束多数为“外部动力约束”。

2．具有条件自由度自适应机构的约束设计。这是自适应机构中应用最广泛的一类。其特征是始终保持一个自由度工作，在工作过程中仅改变其构件与约束（运动副）数。因此，这类自适应机构的约束设计就是对应的“条件约束”的设计，即某些约束的加入与消除、机构内部约束的数量与结构的功能设计。由于机械运动是依靠力的驱动，而且机械中的一切约束都可以用力的约束来代替，因此，自适应结构的功能都是通过“力”或力矩在机构中的传递和变换来实现的。“条件约束”的“条件”实质上就是力的“封闭”与“释放”的条件，从而，这些机构中的“条件自由度”就是依靠“力”的约束来使之“实现”或“消除”的。

3．内力封闭自适应机构的约束设计。内力封闭自适应机构是一类较为特殊的应用较为普遍的自适应装置。该装置中同时具有工作自由度和条件自由度的特征，同时，这类装置一般都以传递与变换力为主要目的，而且最终都是在将工作对象计入机构的内部结构系统（一般视为机架），通过内力封闭约束，成为一个静定甚至超静定的结构。

四、初始运动链的选择及多方案设计

由于自适应机构都具自适应自由度，其初始机构的自由度等于机构的自适应自由度，所以其初始运动链均为多自由度（一般为2－3）的运动链。众所周知，对于单铰运动链而言，自由度为2的运动链其构件数为3、5、7、9等奇数，闭链的最少构件数为5；而自由度为3的运动链其构件数则为4、6、8、10等偶数，闭链的最少构件数则为6。一般，机构中执行构件的数量一般等于自适应的自由度数。另外，机构需要一个作为机架的基础构件，因此，对于自适应自由度为2的自适应机构，如果驱动力直接施加到两个执行构件上，其运动链可以是最少构件数为3的开链。通常，为了有较好的传力特性，最基本的要求是驱动力不直接施加到执行构件上，增加一个主动构件，同时增加一个传力构件，因此，其最基本的构件数为5。如果需要更好运动学或动力学性能的自适应机构，在此基础上增加的构件数为2的倍数。由此，可以看出能够实现同一功能的运动链应该有很多，有必要合理设计出尽量多的能够实现所要求的自适应功能的运动链，并从中进行方案优选。

五、运动与力能传递特性的设计

自适应机构大多都是采用欠驱动方式的多自由度系统，在工作中都存在冗余自由度，而在自适应机构系统中，一般都是应用力的均衡、增益、传递或转换，以及力与运动的相互作用等特性与规律，通过可变约束进行调控来实现其自适应功能的，所以必须对这种欠驱动系统中机构的运动趋势及力能传递的路线进行分析与设计，以确保机构具有确定的运动，同时又能可靠的实现机构的自适应功能。对于具有多工作自由度的自适应机构其约束的设计主要是动力约束及几何约束的设计，而起自适应调控作用的是与被调控参数紧密相关的“外部约束”，因此其设计的关键是外部联接的设计，确定了这些外部约束，机构的运动及力能传递的关系都将得以确定。对于具有多条件自由度的自适应机构，由条件自由度的定义可知，这些自由度都是在工作之前就被约束掉了的，只是在工作的过程中按照要求依次释放的一个过程，机构始终保持一个自由度工作，其机构的运动关系及力能的传递路线都是确定的，与一般的机构无异。

六、结语

总之，可变约束结构是自适应机构最基本的功能结构特征，自适应机构设计的核心是可变约束结构的设计；自适应自由度是自适应机构具有自适应功能的基本保证；通过运动链的选择及其多方案设计可以优选机构的最佳方案；而运动与力能传递特性的设计是确定机构初始功能结构尺寸及运动副配置的基本原则；因此，只有通过合理的全面的分析与综合，才能使自适应机构得到创新与发展。