變胞機構的基礎理論

遺傳因素的研究始于1996年。

本文將國內外RI前對變胞機構理論的主要研究成果和應用進行了概述，目的是希望能給初

涉變胞機構和有志變胞機構研究的人員對變胞機構研究現狀有一個宏觀上的了解和認識，

同時以期對該領域的研究起到拋磚引玉的作用。

1目前，對變異機構理論的研究

1.1變胞機構的本質特征

變胞機構應用在具有多個不同工作階段的場合，并且由一個工作階段到另一個工作階段中,

總是以改變機構的拓撲結構（由此改變機構的自由度）呈現出不同機構類型或運動性能來

實現功能要求。變胞機構完成所設定的多個工作階段功能的運動過程的集合，我們可以稱

為變胞機構的一個工作過程周期，簡稱工作周期

從傳統機構學的研究角度出發，機構的基本組成:運動鏈（構件和運動副）、原動件、機

架，而變胞機構也應屬于機構的一種，因此，變胞機構是由若干個構件通過若干個運動副

連接而成的運動鏈，且各構件相對機架具有確定的相對運動。基于變胞構件數目和自由度

的改變，可以看出，從一種拓撲機構形式變化到另一種拓撲機構形式，實質是運動鏈的構

件數目、運動副的數目或結構形式種類發生改變或轉換而產生的變胞機構的變化。結合變

胞機構的特征和構成，有文獻

由于變胞機構的發展剛處于起步階段，在一段時間內，變胞機構的范圍沒有很好的界定，

產生了概念混淆和學術上的爭論。結合上述變胞機構內涵界定的基礎上，簡要比較變胞機

構與其他幾種易混淆的機構：

變胞機構與機構組合，機構組合在原理上可以看做其拓撲結構發生改變，為了得到輸入運

動，用非工作機構的拓撲結構變億來實現工作要求，如離合器等，屬于機構組合而非變胞

機構；

變胞機構與運動限定機構，運動限定機構常在某些瞬時位置利用其機構中的某些構件的結

構限制、運動副的改變來實現某些功能，但機構的整個工作過程中拓撲結構和自由度沒有

發生變化，如衛星天線、太陽能帆板等可展式機構；

變胞機構與多自由度機構，一般情況下，多輸入輸出是多自由度機構的基本特征，若設置

在某些位置瞬時運動停止或鎖住，屬于多輸入輸出值域內的正常值，重要的是并非利用其

拓撲結構變化產生的性能來滿足工作需求，故不屬于變胞機構，不過，如果多自由度機構

在工作周期中運用機構的拓撲結構變化實現運動性能時，則可以視為變胞機構的一種。

變胞機構與對稱機構，多個對稱機構在機構學的研究中，常視為只討論一個機構，不看作

多個機構，因此也不屬于變胞機構，如鎖簧等，同時特別利用奇異位置工作的，如凸輪機

構停歇位置工作屬于固有特性，沒有拓撲結果的變化，也不是變胞。

綜上所述，利用拓撲結構變化來實現工作階段變胞跨越才是變胞機構的本質特征。對于變

胞機構概念理解，抓住變胞機構的內涵、特征和范疇是研究變胞機構的基礎。

1.2變胞機構的構態變換

變胞機構是機構的拓撲結構在變化，每一個拓撲結構對應一個拓撲狀態，而每一個拓撲狀

態可以有拓撲圖表示，拓撲圖可以由其引申的鄰接矩陣來表示。因此變胞機構的構態變化

可以引出新型的矩陣演算

變胞機構構態的矩陣轉化法，這種方法主要適用一個構態到另一個構態轉換時，機構只是

增加或減少一個構件或一個運動副，矩陣轉化法是通過對表示機構關聯關系的矩陣（引入

E單位變換矩陣作用構件數目的變化，引入U單位消元矩陣作用運動副（鄰接特性）的變

化進行運算，這種方法有效地應用了矩陣演算來描述變胞機構的構態變化，并且預測了變

化后的新構態，揭示變胞機構構態變換的本質與規律。

變胞機構構態變化的矩陣消階法，鄰接矩陣描述了機構拓撲圖的全部特征，反映了構件之

間的鄰接美系，就變胞運動鏈（構件和運動副）的情況來說，減少意味著相鄰兩構件合并

為一個構件，合并引起機構有效桿件數日的變化及構件間鄰接關系的變化。它采用二進制

矩陣運算，BP：O+O=O,1+1=0,1+0=1,運算簡單明了。

矩陣消階法的基本思路是:機構中相鄰的兩個構件和q合并為一個構件時，相當于把構件P

的鄰接關系轉移到了構件q上，反映到機構的鄰接矩陣上，即將構件P所在的行和列的元

素分別加到構件q所在的行和列上，在進行元素相加時遵循二進制原則。然后將構件p所

在的行和列的元素劃掉，從而鄰接矩陣的階數降一階。如果運動鏈的構件數為4那么鄰

接矩陣由原來的nXn階變成了（n-1）X（n-1）階。

矩陣變換法可以將任意桿進行合并，但要通過行列變換將合并桿的鄰接關系轉移到末行末

列進行消除，計算量較大，如果多次行列變換，會使構件標號與矩陣中行列不能順序對應。

矩陣消階法主要適用于構件發生合并沒有產生關聯關系的轉移的情況，并且是將末桿的鄰

接關系轉移到其他構件上，然后將矩陣中末桿對應的末行末列消除，即是將末桿和其他桿

相合并。

我們可以發現兩種方法所提出的矩陣演算方法都側重于機構的桿件合并及自由度減少的變

化，對桿件數增加及運動副的結構類型等的變化情況沒有綜合考慮。在變胞機構沒有發生

關聯關系情況下的桿件合并時，矩陣消階法優于矩陣轉換法。

1.3變胞結構自由度的計算，傳統的自適應證

變胞機構的構態是變化的，每一個構態對應一個拓撲結構，即一個工作階段。在每一個工

作階段，其自由度是不變的，因此對變胞結構自由度的計算，轉化為對每一個工作階段自

由度的計算。對每一個工作階段自由度的計算，則可以用傳統的自由度計算公式進行計算。

由于變胞機構的復雜特征，在計算其自由度的時候，因情況而異，瓦能會用到平面機構自

由度計算方法，空間機構的自由度計算方法及平面和空間混合變胞機構的自由度計算方法

中的一個或幾個。

1.4機構的構造排除

目前對變胞機構綜合的研究，主要集中在對其結構綜合Q

變胞機構的結構綜合是從機構的終態出發，基于終態的拓撲結構和鄰接矩陣，對鄰接矩陣

進行擴展，由于鄰接矩陣的變換可以反映拓撲圖的變換性質及機構構態的變換規律，所以

可以利用構態變換規律確定變胞機構的構件數，構件和運動副的排列組合結果，最后將具

有同構特征的綜合結果排除掉，從而構造出符合要求的機構形式。通過這種結構綜合，可

以得到多種設計方案，再從所有綜合的設計方案中選擇一種最優的綜合結果，最終找到所

需的綜合結果，完成機構的結構綜合6變胞機構結構綜合常用的方法是對機構的終態鄰接

矩陣進行擴展以達到綜合的目的，該方法是變胞機構矩陣消階法的逆用。

變胞機構的綜合也應包括尺度綜合和型綜合，由于尺度綜合在型綜合的基礎上進行的，它

與傳統機構的尺度綜合理論與方法基本一致，而型綜合是首先要解決的問題。從變胞機構

的定義和特征出發，我們可以發現變胞機構有三個要素;工作階段的運動鏈、變胞方式和

變胞源（機構初始態）；工作階段運動鏈鄰接矩陣和變胞源矩陣是變胞機構的基本構成，

而變胞矩陣是變胞機構類型與變胞方式的體現。因此，變胞機構的型綜合就是構造運動鏈

對應的三類矩陣及求解變胞三類矩陣。

1.5在變胞機構中設計電和機構組合

在變胞機構的工作周期中，通常是通過變胞源運動鏈（變胞機構的初始運動鏈）使變胞構

件合并消失構件或變胞運動副合并消失運動副來實現的。那么如何實現合并消失構件及運

動副呢?這就是變胞機構的運動變胞方式，其基本原理是在什么情況下采用什么方式產生

或阻止運動實現變胞要求?歸納為如下幾種情況。

幾何變胞:將待消失運動副預先設定特殊形狀。當運動構件運動到所設定位置時，受幾何

形狀約束，運動副元素的運動方向只能在另外方向運動，而原有運動功能失效，從而使運

動副由一種類型變化到另一種類型。

力變胞:在待消失運動副的運動方向預先施加一定量的阻止運動的力，如彈簧等，在工作

阻力小于該阻止作用力時，則該運動副不產生相對運動，使得被連接的兩構件沒有相對運

動而被固結形成一個構件作用;當在工作過程中產生的力大于預先設置的阻止力而使變胞

構件產生運動時，該機構具有另一種特性，實現變胞機構的功能。這在欠驅動多自由度機

構中得到應用。

電磁變胞:也稱可控變胞，可以在變胞構件或運動副處設置電磁驅動裝置（如電磁卡銷

等），在需要實現變胞時發送一次脈沖電磁信號卡銷伸出，鎖住運動副運動，再次發送則

縮回消除變胞;電磁變胞屬于開關量控制實現構件固結和脫離，與多自由度驅動有本質區

別，又避免了力變胞和幾何變胞受構件形狀、位置和材料等限制.

固結變胞:對于變胞運動次數很少的情況，往往采用固定運動副的方式實現，如采用機械

連接、粘結等6

組合變胞:將幾何形狀與運動位置聯起來實現變胞，如增加附加裝置在恰當位置來聯動或

鎖住運動實現變胞，從整體原理上看，與機構組合有類似之處。

總之，變胞方式多種多樣，其實質是在某些位置設置限定裝置，使得運動副在某些運動范

圍蛻變改變了機構的拓撲結構，并利用這種拓撲結構的變化所具有的性質來實現預期的功

能，變胞方式僅僅是設置.、調整或限制運動副運動的方式而已。

2干預系統的應用

2.1不同自由度數的求

除了高度可折疊特點之外，變胞機構可按不同的需求，在運動中改變構態，從而可提供具

有不同自由度數的機構。例如從一個單一構件變化到四桿機構、五桿機構甚至更多機構，

從而擴大了機構的適用范圍。

2.2在機器人技術中的應用

利用自動組合的特點，可使變胞機構重組、重構并應用于機械制造和機器人的研究如;可

展開/折疊式空間伸展臂，巡線機器人，爬行機器人和特種機器人等，另外，北京航空航

天大學張建斌設計出一種球面變胞較鏈并在機器人中應用，倫敦大學國王學院利用變胞原

理開發研制出變胞手，北京航空航天大學丁希侖等開發了火星變胞探測車，新加坡南洋理

工大學YMChen等開發了變胞水下車等。機構學是機器人學的基礎，因此，可以預見，

變胞機構的研究必將對機器人技術及應用產生較大影響。

2.3航天領域的可展式機狗

變胞機構具有高度的可折疊可伸展性，可以極大的減少運載工具所攜帶的機構數量，節省

空間，同時具有多個構態。在航天領域可用來代替可展式機構。如空間站基礎框架、可伸

展/收縮的空間機械臂、衛星可展天線、太陽能帆板、可展開發射架系統、太空望遠鏡展

開機構、航天器對接機構等。隨著空間技術的發展，變胞機將有非常好的應用前景。

2.4加工制造機構的演變

變胞原理也逐漸應用于制造業中eBrighamYoung大學的DWCarrol：等提出了機械制造業

中變胞原理。這一過程是基于正交機構，變胞機構和柔性機構的交集，在加工制造中進行

機構的演變。這種演變提供了合理的加工工藝和優化了夾具的應用，有利于簡化和加速加

工制造，縮短加工周期。如李威等提出一種新型變胞快速夾緊裝置，利用凸輪機構實現變

胞控制，用于鋁合金汽車輪轂模具修理過程的夾緊。

同時，變胞機構的概念是在對復雜多樣性靈巧包裝折疊紙盒的研究中提出的，對該類機構

的研究，將對包裝制造業的自動億設計和自動化流水線的研究有推動作用。可適應多種形

式的多樣性折疊包裝機械的設計和制造，并對現有包裝機械進行改進等。

2.5折疊式設備

變胞機構可展開、可折疊特性在許多方面都可以得到廣泛應用，如疔疊式機車、折疊自行

車、折疊攝像機架、折疊梯、帳篷、便