为减轻老年人如厕过程中生理和心理负担,根据机械原理,结合人机工程学,设计了一款多功能坐便椅。该坐便椅主要由上下身机构、变胞机构、腋下机构、脚踏机构和腋下-脚踏联动机构5个部分构成。上下身机构由电动推杆、平行四边形连杆机构等组成,辅助老人坐下如厕和起身。利用电动推杆可双向作动的特点,通过约束其自由度的变化,构成变胞机构,实现脚踏板和座板先后顺序工作的功能。腋下机构由死点机构、腋下支撑组成,可减轻老人克服自身重力的负担。脚踏机构由脚踏板、脚踏靠板和滑轨组成,可抬高老人的下肢,便于老年人如厕。腋下-脚踏联动机构通过采用柔性连接,巧妙实现联动,使坐便椅结构更加简单。

论述了智能乒乓球陪练机器人的研究现状,并对两种现有的拾发乒乓球机器性能进行比较分析,创新设计了一款一体化拾发乒乓球机器人。该装置由收球机构、存储运输机构和发球机构组成。4个麦克纳姆轮不同转向和转速的组合使机器人能在球场内全方位移动;差速器和电磁制动器形成的2自由度变胞机构控制锥齿轮机构和链轮链条机构,通过柔性三叶板和弧形挡板配合的滚轮式收集方法来收集空地以及墙边、角落的乒乓球。机器人可实现多球路变化的发球方式,并通过控制双轮的转速及旋向来适应不同的训练对抗强度。分析表明该机器工作效率高,适用于多种场合,具有较高的市场推广和应用价值。

为了以较少的驱动器实现对目标物体的精确抓取,将变胞机构与筝形直线机构相结合,设计出一种单驱动多抓取模式变胞机械手。机械手通过1个电动机驱动6个手指关节,具有线性平行抓取和自适应包络抓取两种工作模式。首先,基于最小阻力定律推导出变胞机械手不同构态下的等效机构,利用拓扑图描述和分析机械手各构态的拓扑结构变化,建立机械手不同构态下的运动学模型;其次,基于虚功原理建立机械手各指节接触力与输入力之间的关系,并以此为基础,分析弹性元件参数对包络抓取稳定性和各指节接触力的影响,对弹性元件的弹性系数进行优化设计;最后,通过数值计算与虚拟仿真相结合的方式验证所建静力学模型的正确性,为该型变胞机械手的设计和应用提供参考依据。

针对单一重复和多样的码垛工作任务,设计了一种能实现多自由度构态和1自由度构态运动的变胞码垛机器人机构,该机构可由多自由度构态调整为1自由度构态,通过1自由度构态实现工作空间内任意两点的移动。将机构分为本质支链和支撑支链,提出了对该机构进行尺度计算的方法。首先,针对工作空间对本质支链进行尺度优化,得到该支链的尺度参数;再根据1自由度构态将实现工作空间任意两个固定点的移动条件和构件尺度范围作为约束条件,计算得出支撑支链的尺度参数。进行了算例分析,得到该机构合理的构型及其尺度参数。研究工作为基于实际应用的变胞机构尺度分析提供了参考。

为了研发一款助老机器人,基于图论理论、机构的数综合,设计了一种可在2自由度、1自由度、0自由度之间切换的三构态助老变胞机构。针对变胞机构的2自由度行走构态,运用闭环矢量法进行了运动学分析,得到该变胞机构在该构态下关键位置的位移、速度、加速度等变化规律。分析结果显示,位移曲线在支撑期过渡到摆动期时位移变化较大,在步态周期的后40%内,速度、加速度均有较大变化,符合人体步态规律,表明该助老变胞机构设计是合理的。

以变胞机构在运行过程中的多功能阶段的特性为启示，结合平面连杆机构的构造方法，分析了变胞机构在自助椅设计及功能实现中的可行性。在进一步分析了我国老龄化社会现状的基础之上，提出了一种老年自助椅的原理设计模型，该机构综合了变胞机构和平面连杆机构的主要特点，可实现辅助老年人起立的功能。对此新型自助椅的结构和工作过程进行了详细的描述，同时给出了自助椅的典型变形构态。

变胞机构的构态变换是变胞机构应用中的一个重要分支。为了对变胞机构在构态转换时的瞬态运动学和动力学进行研究,得到约束变胞机构的构态变换过程中存在的冲击和振动对机构的影响。利用Lagrange方程建立了一种约束变胞五杆机构的动力学模型,并对其进行动力学分析,应用Matlab/Simulink软件对机构中变胞副的速度、加速度信号进行数值分析,得到了弹簧刚度、转动惯量这些参数变化时对变胞副在构态变换过程中的冲击和振动的影响,结果表明,当改变弹簧刚度和转动惯量时,构态变换中的冲击振动减弱。

基于变胞机构概念,设计一种能够在两多自由度和一个单自由度间灵活变换,能灵活实现三种不同构态的新型变胞机构,运用闭环矢量法对该新型变胞机构进行了运动学分析,在此基础上分析了新型变胞机构在给定尺度参数条件下的有效工作空间。分析结果表明,相对于传统变胞机构,新型变胞机构能更有效地增大其工作空间,可广泛应用于林木机械、工业机器人等工程领域。

根据变胞机构理论中改变运动副方位特征实现构态变换的原理,设计一种新型可变转动轴线的2-PrRS-PR(P)S并联变胞机构。其中,两条分支能够利用移动副的位移变化改变转动副的转动轴线,从而改变机构运动输出。根据该机构特点,利用螺旋理论对机构进行自由度分析,利用封闭矢量法和几何约束关系建立机构位置正解和逆解模型,并通过求导得出机构的速度加速度方程;应用Matlab代入机构参数和位型参数,求解位置正解和逆解,绘制机构位姿图;利用Adams仿真验证了理论分析的正确性。

根据变胞理论,提出一种新型可变转动副轴线的2-PrRS-PR(P)S并联变胞机构,通过机构两个分支转动副轴线角度的改变实现机构变胞。首先,利用螺旋理论,对机构两个工作构态自由度进行分析;其次,根据机构特点,建立机构伴随运动的运动学模型,得到机构在不同构态的伴随运动和结构参数的联系;最后,利用仿真软件MATLAB得到机构不同构态结构参数对伴随运动影响的变化图。研究表明,该机构在不同构态存在不同方向的伴随运动,且伴随运动的大小随着机构参数的变化具有对称性。伴随运动的分析为机构的优化设计和误差分析提供了理论依据。