柔性物体的打结操作充斥着人们的生活,如手绳打结、鞋带打结等等,而打结器多运用在医疗、农牧等特殊专一的领域,市场上仍欠缺可应用于日常生活的自动打结装置。为提高人们的生活质量与满足感,新型打结装置的研究很有必要。论文以鞋带打结为例,围绕刚性机构对柔性绳带操作的机构学问题,基于纽结理论将鞋带打结抽象为交腕结成结操作,开展了绳结成形原理以及新型打结装置研究。论文的主要工作和成果如下:1.绳结等效闭环纽结模型及交腕结打结方法的提出基于纽结理论将鞋带转化为绳带闭环模型,对绳带等效纽结的扭转数、绞拧数与环绕数等不变量进行分析,由交腕结实际打结过程与Reidemeister基本变换提出“绳带运动形成绳环,绳端运动完成绳环穿越”的成形原理。进一步研究了绳环的弯曲能量和扭转能量,结合对空间穿越打结法与绕轴旋转打结法的原理分析,提出了具有可操作性的交腕结打结方法——绕轴旋转穿越打结法,该方法可克服柔性绳带不确定性得到高质量绳结。2.新型打结装置总体设计方案及构成基于提出的“绳端穿越绳环成结”成形原理结合“绕轴旋转穿越”打结方法,提出并研制了一种以纳绳转动齿轮驱动绳带旋转缠绕、弧形立面凸轮支撑绳带、可动支臂夹爪拾取固定绳带为核心构件的新型打结装置;针对绳带拾取夹持机构、旋转穿越成结机构、支撑平台机构进行运动规划以及时序协调,实现装置对绳带的成结操作。3.交叉点、极值点数相结合的拓扑与几何组合指标及打结阶段划分针对绳带成结过程描述与绳带形态控制问题,结合悬链线理论提出了一种交叉点和极值点数目相结合的新型组合判定指标;基于组合指标,将旋转穿越成结机构操作绳带成结的过程划分为四个阶段,通过提取绳带关键特征瞬态,以悬链线力平衡模型求解并勾画绳带特征瞬态的几何空间形态,实现了交腕结成形过程定性及定量的描述。4.基于IPS软件的核心成结机构操作交腕结成形过程仿真针对绳带成结的稳定性问题,提出并使用IPS Cable Simulation软件对绳带穿越成结运动进行仿真,通过建立旋转穿越成结机构、绳带管线模型对绳环弯曲能量的分析研究,验证了所形成绳环的稳定性以及打结方法的可实现性与合理性。通过IPS软件仿真结果可得到所形成绳环轴向能量密度低,因此对成结机构绳带支撑板进行优化设计,最终得到轴向能量密度大的绳环,提高打结成功率。5.绳带拾取操作的机构支臂正逆运动学分析针对打结运动过程中绳带拾取、固定等功能实现,构建了绳带拾取机构支臂的D-H模型并进行正逆运动学的求解。以机构支臂对绳带拾取、固定的位姿转换运动轨迹特征点作为目标位姿点,通过对各关节变量进行求解,使得支臂按照预设运动轨迹行走,为后续装置的轨迹优化以及机构控制奠定基础。