近日，機(jī)械與動力工程學(xué)院重大裝備設(shè)計(jì)與控制工程研究所郭為忠教授團(tuán)隊(duì)在國際機(jī)構(gòu)學(xué)期刊Mechanism and Machine Theory上發(fā)表了題為“Synthesis and cross-section design of a new family of single-loop 7R deployable polygon mechanisms”的研究論文。該團(tuán)隊(duì)首次提出了單環(huán)7R可展開多邊形機(jī)構(gòu)，建立了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，為具有一般展開輪廓和網(wǎng)絡(luò)劃分的大型可動結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了可能，為航空航天、機(jī)械超材料、藝術(shù)建筑等領(lǐng)域的復(fù)雜展開功能與空間優(yōu)化提供了新技術(shù)途徑。重大裝備設(shè)計(jì)與控制工程研究所2022級致遠(yuǎn)榮譽(yù)計(jì)劃博士研究生陳昊為論文第一作者，郭為忠教授為通訊作者。
可展開多邊形機(jī)構(gòu)（DGM）是未來空間可展開系統(tǒng)發(fā)展的一種重要形式，因能夠折疊成緊湊的束狀又能展開成平面多邊形的幾何形態(tài)，具有重要的應(yīng)用前景。論文首次提出單環(huán)7R類型的可展開多邊形機(jī)構(gòu)，并將其設(shè)計(jì)問題分解為獲得理論機(jī)構(gòu)解的原理圖綜合和獲得物理結(jié)構(gòu)解的截面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩個(gè)子問題，系統(tǒng)建立了設(shè)計(jì)方法。
針對獲得理論機(jī)構(gòu)解的原理圖綜合子問題，研究團(tuán)隊(duì)討論了構(gòu)建DGM過程中的兩類轉(zhuǎn)動副軸線布局及其取值范圍，并定義了構(gòu)建DGM的三類參數(shù)。為了設(shè)計(jì)出具有任意期望的可展開多邊形形態(tài)的單環(huán)單自由度DGM，該團(tuán)隊(duì)首次提出利用DGM的不同狀態(tài)完成不同種類參數(shù)的設(shè)計(jì)，給出了每類參數(shù)設(shè)計(jì)過程中所需要的全部約束條件及其幾何含義，并使用預(yù)測校正方法實(shí)現(xiàn)了在隱式定義的構(gòu)型空間中的路徑搜索問題，從而形成能夠設(shè)計(jì)所有單環(huán)單自由度7R DGM的原理圖綜合方法。團(tuán)隊(duì)提出的利用DGM不同狀態(tài)完成不同種類參數(shù)設(shè)計(jì)的設(shè)想，能夠拓展至其他類型DGM的原理圖設(shè)計(jì)。
針對獲得物理結(jié)構(gòu)解的截面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)子問題，該團(tuán)隊(duì)結(jié)合單環(huán)機(jī)構(gòu)的閉環(huán)約束要求提出了一種新方法，計(jì)入各桿件實(shí)際尺寸對DGM可折疊性的影響，在物理結(jié)構(gòu)層面上對7R DGM原理方案作進(jìn)一步細(xì)化，確保設(shè)計(jì)完成的7R DGM裝置能順利實(shí)現(xiàn)無干涉的束狀折疊和展開。利用該方法，可以設(shè)計(jì)出具有所需橫截面幾何形態(tài)的7R DGM。
該論文首次提出無過約束的7R DGM新系列，填補(bǔ)了單環(huán)單自由度無過約束DGM領(lǐng)域的空白。論文系統(tǒng)建立了設(shè)計(jì)方法，能夠有效處理邊數(shù)不超過7的任意多邊形的空間可展開機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)問題。這一研究成果為未來構(gòu)造任意復(fù)雜幾何形態(tài)的大型空間可展開結(jié)構(gòu)，提供了多樣化的基本單元，極大豐富了大型空間可展開結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分路徑，在航空航天、機(jī)械超材料、藝術(shù)建筑和土木工程等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
該團(tuán)隊(duì)近期在可展開機(jī)構(gòu)領(lǐng)域取得了系列研究進(jìn)展，先后提出了平面對稱6R DGM和一般7R DGM的綜合方法，發(fā)明了系列新型可展開多邊形/多面體機(jī)構(gòu)。對于可展開多面體機(jī)構(gòu)，該團(tuán)隊(duì)提出了一種新的RRR支鏈來鏈接各可展開單元，建立了多面體展開圖法和最少關(guān)節(jié)角法，可以實(shí)現(xiàn)具有最少的關(guān)節(jié)、連桿和自由度的可展開多面體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。
Mechanism and Machine Theory創(chuàng)刊于1970年，是國際機(jī)構(gòu)與機(jī)器科學(xué)聯(lián)合會（IFToMM）會刊，專注于發(fā)布機(jī)構(gòu)與機(jī)器科學(xué)領(lǐng)域的高質(zhì)量研究論文，在國際機(jī)構(gòu)與機(jī)器科學(xué)領(lǐng)域享有盛譽(yù)。
郭為忠教授團(tuán)隊(duì)致力于解決現(xiàn)代機(jī)構(gòu)學(xué)與并聯(lián)機(jī)器人領(lǐng)域的前沿基礎(chǔ)科學(xué)問題及關(guān)鍵技術(shù)，旨在通過基礎(chǔ)理論突破，帶動航空航天等重大工程應(yīng)用領(lǐng)域的裝備創(chuàng)新發(fā)展。近年來在Mechanism and Machine Theory、ASME Transactions-Journal of Mechanisms and Robotics、ASME Transactions-Journal of Mechanical Design等期刊上發(fā)表了30余篇論文。
論文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0094114X24000806
上海交大
機(jī)械動力學(xué)院
上海交大
機(jī)動本科教務(wù)辦
SJTU機(jī)動研教辦
上海交大
機(jī)動校友辦
上海交大MEM
SJTUME基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與創(chuàng)新實(shí)踐
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