专利名称：基于环路理论的闭环运动链拓扑胚图的自动综合方法
技术领域：
本发明涉及闭环运动链拓扑胚图的综合方法，属于机构创新设计和智能CAD领 域。
背景技术：
机械设计过程中最富有创造性和最具有活力的阶段之一就是对机构的拓扑结构 进行分析和综合。结构综合不仅可以对现有的各类机构进行结构优化，而且可以发明、创造 出新型机构，为机械产品的原始性创新。长期以来，对机构结构类型的综合一直是设计者凭借其经验、直觉等初级的方法 进行的。随着拓扑图和胚图被用来对运动链的拓扑结构进行描述和综合，一大批各种构件 数和自由度数的机构运动链被综合出来，机构学研究取得了较大的发展。在数字化高度发 展的今天，各种基于计算机和智能化技术的设计方法开始被应用于各个领域。机构创新综 合的实时化和人机交互显然也是机构学的发展新方向。然而对于运动链的拓扑胚图，目前 还没有发现一个方法来对其结构进行完全自动的综合。机构创新过程中的拓扑胚图常常还 是基于公式人工构造，这严重制约了机构综合向完全自动化和智能CAD化的发展，同时也 制约了机构创新设计CAD软件的开发和应用。与此同时，随着工业化的进程，现代大型和复杂机械装备(包括先进复杂机器人、 大型航空航天器、大型工程机械、大型纺织机器、汽车变速传动机构等)在现代社会得到了 越来越广泛的应用。这些大型复杂机械系统机构的拓扑胚图结构类型多种多样，基于手工 或自动化程度很低的方法综合实现起来难度很大甚至是不可能的。为了研制具有原始知识 产权的现代大型机械装备或者对现有的机械装备进行改造，有必要建立自动的机械系统机 构综合理论体系，而首当其冲的是研究自动的机构运动链胚图的自动综合方法。
发明内容
本发明的目的是为了克服手工构造胚图效率低下和对复杂机械装备不可能的缺 点，提出一种基于环路理论的闭环运动链拓扑胚图的自动综合方法，促进机构创新设计和 智能CAD的发展。本发明技术方案是依次采用如下步骤1)基于运动链的基本参数，确定其构件分类数组；2)确定对应于每个构件分类数组的胚图综合方程组并求解；3)基于环路理论的环路邻接关系，进行胚图的可分离性判别；4)基于环路理论的最大环、周长环和规范标号，得到与胚图具有一一对应关系的 特征邻接矩阵并以此进行同构判别；5)根据特征邻接矩阵自动生成闭环运动链的拓扑胚图。本发明的有益效果是1、本发明利用统一的环路理论来进行可分离性判别和同构判别，也大大提高了计算的速度。2、本发明是一种基于编码的方法，不仅可以得到综合出的胚图的数字描述，而且 可以自动生成其图形，有利于实现机构创新设计的人机交互化。3、本发明已经程序自动实现，对20杆以内任何闭环机构运动链的所有胚图实现 综合的实时化和人机交互化，满足了机械创新设计CAD大型软件开发的需求。
图1为本发明的综合流程示意图。图2为对应于20杆3自由度运动链构件序列“ [7 ；C5I ；0 ；0 ；0 ；0 ；0 ；0 ；0] ”的全 部拓扑胚图，合计共14104种。
具体实施例方式本发明的具体实施步骤如下1、基于运动链的基本参数，确定其构件分类数组运动链包含四个基本参数，即构件数N、自由度数F、运动副数M和基本环路数L。L 和M由下式确定L = (N-F-I)/2 ；M = L+N-1N杆F自由度运动链的构件分类数组由下式确定
权利要求
1.一种基于环路理论的闭环运动链拓扑胚图的自动综合方法，其特征是依次采用如下 步骤1)基于运动链的基本参数，确定其构件分类数组；2)确定对应于每个构件分类数组的胚图综合方程组并求解；3)基于环路理论的环路邻接关系，进行胚图的可分离性判别；4)基于环路理论的最大环、周长环和规范标号，得到与胚图具有一一对应关系的特征 邻接矩阵并以此进行同构判别；5)根据特征邻接矩阵自动生成闭环运动链的拓扑胚图。
2.根据权利要求1中所述的基于环路理论的闭环运动链拓扑胚图的自动综合方法，其 特征是步骤2、中胚图综合方程组求解步骤为步骤1 通过解方程组的第一个方程，确定顶点1与其他顶点之间的连接关系，"^12 + "^13 + 义14 + …+ -^iTV _ ^](I)在方程(ι)中，至少有两个变量大于零，并且每个变量都应满足 0 ^ Xij ^ Cli (2 ^ j ^ Nm)(2)基于顶点的度，把顶点2 Nm中具有相同度的所有顶点划分到同一个对称顶点集。不 失一般性，若在同一个对称顶点集中，存在顶点i和顶点j (i > j)，令 Xli 彡 Xij(3)根据式(2)和式(3)，则可以确定式(1)中的·^12A3，…，所有变量的值，此时综合方 程组变为 步骤2 通过解方程组(4)中的第一个方程，可以确定出顶点2与其他顶点之间的连接 关系，太23 + 叉24 + …+ -^lNm 二 一 -^12(5)方程(5)中的每个变量应满足、0 ^ x2i ^ min (d2-x12，(Ii-Xli) (3 彡 i 彡 Nm)(6)根据A3^14，…的值，可以将顶点3 乂划分成新的对称顶点集，新组成的每一个对 称顶点集中的所有顶点对应步骤1中同一个对称顶点集，并且有相同的&，~，一^ 值；不 失一般性，在同一个对称顶点集中，若存在顶点i和顶点j(i > j)令 x2i ( X2j(7)根据式(6)和式(7)，可以确定方程(5)中所有变量123，&4，…，巧^的值， 此时综合方程组变为
3.根据权利要求1中所述的基于环路理论的闭环运动链拓扑胚图的自动综合方法，其 特征是步骤幻中胚图的可分离性判别步骤为在胚图的所有环路中，含有最多的顶点或边的环路被定义为顶点或边的最大环。最大环的度序列是由顶点的度一个个按次序沿顺时针或逆时针排列的。一个度序列可以看成一 个数。在最大环的度序列中最大的数被定义为规范周长度序列，相应的环路被定义为周长 环(周长环不一定唯一)；若胚图满足以下⑴和⑵的要求，则其被判别为顶点可分离胚图，(1)存在一个环与胚图的一个周长环有一个共同的顶点；(2)这个环的其他顶点和这个周长环的其他顶点不邻接，如胚图满足以下(1)和O)的要求，则其被判别为边可分离胚图，(1)存在一个环与胚图的任何一个周长环都没有共同的顶点；(2)这个环中仅有一个顶点和周长环的顶点邻接。
4.根据权利要求1中所述的基于环路理论的闭环运动链拓扑胚图的自动综合方法，其 特征是步骤4)中求取特征邻接矩阵来进行同构判别的步骤为步骤1 确定周长图 胚图的周长图绘制如下(1)把周长环以正多边形的形式画到最外层；(2)把胚图剩余的顶点都放到周长环的里面； 步骤2 确定规范周长图和规范邻接矩阵 规范顶点标注如下(1)把每一个顶点按照规范周长度序列用自然数1 t依次标注在周长环上；(2)在周长环中，如果通过从不同的顶点开始计数可以得到规范周长度序列，则连接在 含有最多顶点的内链上的那个顶点被记为起始顶点；(3)根据顶点度来重新标注内链中的顶点，首先标注含有度的最大值的顶点按着上述方法标注的周长胚图叫做规范周长胚图；相应的邻接矩阵叫做规范周长邻接 矩阵，步骤4 确定特征邻接矩阵和相应的特征周长胚图在胚图的所有规范邻接矩阵的上三角阵的行向量依次进行串联所得到的二进制数字 串中，与最大的一个二进制数字串相对应的规范邻接矩阵叫做胚图的特征邻接矩阵，与特 征邻接矩阵相对应的规范胚图称为胚图的特征周长胚图。
5.根据权利要求1中所述的基于环路理论的闭环运动链拓扑胚图的自动综合方法，其 特征是步骤幻中拓扑胚图的自动生成步骤为步骤1 确定周长环路上各个点的坐标，首先给定一个已知圆心和半径的圆，然后将其 圆心角平分为η份(η表示周长环路上顶点的个数)，根据圆的坐标表示公式，就能得到周长 回路上各个点的坐标；步骤2 确定内链上各个点的坐标，由于每个内链的起点和终点都在周长回路上，这样 每个内链的起点和终点都能形成一个线段，将其线段平分为m份(m表示内链上除起点和终 点以外点的个数)，这样就能确定内链上各个点的坐标；步骤3 两个点之间连接线型的确定，如果两个点之间有一条线段进行相连，则用直线 直接连接；如果两点之间大于等于两条线段连接，则分两种情况(1)如果是周长回路上的两点，则必须有一条直接连接，其余边以对称弧线的形式连接；(2)如果是内链上的两点，则连接的边都以对称的弧线形式连接； 步骤4 根据特征邻接矩阵的连接关系，以此用相应的线型连接各个点，从而可以绘制 出特征周长胚图。
全文摘要
本发明公开了一种基于环路理论的闭环运动链拓扑胚图的自动综合方法，属于机构创新设计和智能CAD领域。先基于运动链的已知基本参数，确定其构件分类数组；然后确定对应于每个构件分类数组的胚图综合方程组，并进行方程组的逐一求解；其次基于环路理论的环路邻接关系，对得到的解进行可分离性判别；对不可分离的解，基于环路理论的最大环、周长环和规范标号，得到与胚图具有一一对应关系的特征邻接矩阵并以此进行同构判别；最后基于特征邻接矩阵，自动生成闭环运动链的拓扑胚图。本发明实现了机构运动链拓扑胚图综合的实时化和人机交互化。
文档编号G06F17/50GK102081688SQ201010616750
公开日2011年6月1日 申请日期2010年12月24日 优先权日2010年12月24日
发明者丁华锋, 侯风茂, 高红 申请人:燕山大学