[发明专利]可重构机器的模块化设计方法

权利要求书

1.一种可重构机器的模块化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，建立刚体在空间中运动模型；

步骤二，进行分析任务，将上位机传达的任务加工信息解析为一系列可重构机器具备的功能；

步骤三，进行拓扑构型，利用图论设计可重构机器的功能拓扑结构，表达各个功能之间的拓扑关系和执行顺序，并选择可重构机器的拓扑结构；

步骤四，根据步骤三已选择的可重构机器的拓扑结构，建立参数化的模块库并从其中选择机械模块，装配生成整个可重构机器。

2.根据权利要求1所述的可重构机器的模块化设计方法，其特征是，所述建立运动刚体在空间中的运动模型，是指运用旋量方法建立起刚体运动与螺旋运动的等价关系，建立刚体在空间中运动的指数坐标方程，得到刚体的运动旋量以及运动的齐次变换矩阵，最终建立刚体在空间中运动模型，包括纯移动、纯转动、螺旋运动的运动模型，同时运用旋量对偶矢量的表示方法，描述出刚体空间运动的详细的运动信息，运动信息包括运动类型、运动范围，上述刚体是指在任何力的作用下体积和形状都不发生改变的物体。

3.根据权利要求1所述的可重构机器的模块化设计方法，其特征是，所述进行任务分析，是指：对于已知加工工序的加工任务，将其每道工序即刀具相对工件的每一步运动的运动旋量以旋量对偶矢量形式表示，把具有相同运动类型的工序合并，从而得到完成各工序所需执行的运动，同时，利用步骤一对加工任务刚体模型进行运动建模，建立可重构机器基本功能的运动学模型，以直观的表达可重构机器所需执行运动的顺序和关系，可重构机器基本功能的运动学模型表达式由一系列运动旋量和初始变换矩阵的乘积构成，即

T＝T₁T₂…T_nT₀

式中，T_n表示可重构机构所需执行的第n个运动，n为自然数，T₀表示是工具相对于工件的初始变换。

4.根据权利要求1所述的可重构机器的模块化设计方法，其特征是，所述进行拓扑构型，具体如下：

(a)利用有向图来表达可重构机器的拓扑结构，其顶点代表机械模块实体，有向边代表相连结机械模块之间的运动关系和连结方式，如接头、接合界面；

(b)将机械结构的基本运动分配到建立的拓扑结构图上，每一个确定的功能，被分配到拓扑结构图的有向边上，另外改变基座位置得到相应的结构方案，功能映射完成运动的映射，同时完成基座的映射；

(c)在完成运动映射及基座映射后得到的多种结构配置中，选择一个或一类拓扑结构作为设计可重构机器的依据。

5.根据权利要求1所述的可重构机器的模块化设计方法，其特征是，所述选择可重构机器的拓扑结构，具体如下：

若对于已有拓扑结构，从运动控制角度判断选择该拓扑结构的可重构机器是否可以控制，如果系统所有状态变量的运动都可通过有限的控制点的输入来使其由任意的初态达到任意设定的终态，则称系统是可控的，或称为状态可控的；否则利用已有技术选择可重构机器的拓扑结构。

6.根据权利要求1所述的可重构机器的模块化设计方法，其特征是，所述建立参数化的模块库并从其中选择机械模块，具体如下：

(a)首先建立机械模块链表，机械模块链表包括编号、运动类型、运动轴线、运动方向，然后利用旋量方法建立机械模块的齐次变换矩阵，以及机械模块的运动旋量，最后以尺寸、运动范围作为参数设计每个模块，得到参数化的模块库；

(b)根据步骤三所建立的拓扑结构，从模块库中选取机械模块，选取的方向按照从工件到刀具的方向，选取出与各个顶点相匹配的机械模块，使得选取的机械模块的齐次矩阵的乘积等于目标矩阵：

             M₁M₂M₃…M_n＝T_w

式中，M_n--第n个模块的齐次变换矩阵，T_w--任务目标矩阵，w工件表示。