梁 虎 羅 強(qiáng) 邱 剛

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基于五桿機(jī)構(gòu)的多功能車的模型設(shè)計(jì)

梁 虎1羅 強(qiáng)1邱 剛2

（1.重慶三峽學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，重慶萬州 404020）（2.重慶三峽學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，重慶萬州 404100）

文章設(shè)計(jì)了一種基于五桿機(jī)構(gòu)的多功能車的模型，該多功能車可以在復(fù)雜地形環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)，是一種服務(wù)機(jī)器人平臺(tái)．將多功能車置于一系列情景中，根據(jù)各種環(huán)境結(jié)構(gòu)與工作要求建立模型，羅列出約束條件；選取少量條件參數(shù)，求解該條件下的關(guān)鍵參數(shù)，為后續(xù)多功能車的設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持．

五桿機(jī)構(gòu)；多功能車；建模；環(huán)境結(jié)構(gòu)；參數(shù)

隨著時(shí)代的發(fā)展、科學(xué)技術(shù)的不斷革新，一大批多功能智能服務(wù)平臺(tái)、機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生，這些產(chǎn)品的應(yīng)用很大程度上是建立在功能齊全的機(jī)械結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之上的，良好的機(jī)械機(jī)構(gòu)平臺(tái)是機(jī)械裝置開發(fā)、升級(jí)的基礎(chǔ)．經(jīng)典機(jī)械設(shè)計(jì)以連桿機(jī)構(gòu)為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，比如四連桿機(jī)構(gòu)等，相關(guān)方面的理論研究比較深入、理論成果比較豐富[1,2]，比如連桿混合動(dòng)力性能的研究等．本文將以五桿機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)進(jìn)行多功能車的機(jī)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出一種靈活機(jī)動(dòng)的移動(dòng)平臺(tái)，為智能家居機(jī)器人和非結(jié)構(gòu)環(huán)境作業(yè)機(jī)器人提供基礎(chǔ)平臺(tái)．本文所涉及的一種多功能平衡車，相關(guān)方面的研究目前僅僅應(yīng)用于各種高空車產(chǎn)品中，比如文獻(xiàn)[3]中所介紹的吉尼高空車等，這一類屬于單車長臂類型，無法實(shí)現(xiàn)雙車交替平衡，如圖1所示．正如文獻(xiàn)[4]中所介紹，隨著控制技術(shù)的飛速發(fā)展，當(dāng)今機(jī)構(gòu)學(xué)從原來簡單的單自由度領(lǐng)域過度到了復(fù)雜的多自由度領(lǐng)域，受控五桿機(jī)構(gòu)作為簡單的多自由度機(jī)構(gòu)，逐漸成為機(jī)構(gòu)學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)．混合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)[5]1-20又稱為混合輸入機(jī)構(gòu)，是可控機(jī)構(gòu)的一種類型，在混合驅(qū)動(dòng)20多年的發(fā)展中，對(duì)雙自由度混合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的研究最為深入．本文所介紹的多功能車正是基于上述原理，通過多個(gè)關(guān)節(jié)處驅(qū)動(dòng)電機(jī)的配合實(shí)現(xiàn)裝置的多功能．

1 多功能車原理

1.1 多功能車原理

本文中多功能車的設(shè)計(jì)原理是基于PRRRP型的雙滑塊五桿機(jī)構(gòu)．如圖3所示，多功能車包括1號(hào)車（主車）、2號(hào)車（輔車）、1號(hào)車質(zhì)量（1）/動(dòng)力源1、2號(hào)車質(zhì)量（2）/動(dòng)力源2、質(zhì)量3（3）/動(dòng)力源3、配重0、連桿1、連桿2、配重支桿4（質(zhì)量/動(dòng)力源即質(zhì)量集中處和電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置）；A點(diǎn)為圖示主車1支撐時(shí)支點(diǎn)，B點(diǎn)為圖示輔車2支撐時(shí)支點(diǎn)；主車1、輔車2尺寸結(jié)構(gòu)圖如圖所示0為車身長、h為車身高度；圖3中1、2、3為多功能車最大跨越時(shí)桿件夾角如圖所示．

1.2 靜平衡配重部分機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)主車作為支撐機(jī)架時(shí)輔車可以抬升，同時(shí)當(dāng)輔車作為支撐機(jī)架時(shí)主車可以抬升，從而實(shí)現(xiàn)雙車交替支撐作業(yè)，如5圖所示配重為0，配重連桿4與連桿1之間連接采用可以轉(zhuǎn)動(dòng)90°的轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，連桿1由1到3轉(zhuǎn)動(dòng)過程中連桿4與連桿1之間夾角始終為90°，當(dāng)連桿4轉(zhuǎn)動(dòng)到水平位置時(shí)，連桿4與連桿1相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)．

圖5 平衡配重機(jī)構(gòu)原理圖 圖6 多功能車在平地上運(yùn)動(dòng)圖

圖7 多功能車實(shí)現(xiàn)溝槽越障連續(xù)圖 圖8 多功能車組成曲柄滑塊機(jī)構(gòu)圖

圖9 多功能車極限跨槽圖 圖10 跨溝槽后平衡圖

2 基于系列情景功能的多功能車的設(shè)計(jì)方法與求解

基于系列情景功能的實(shí)現(xiàn)，對(duì)多功能車進(jìn)行設(shè)計(jì)的方法，即是將原理車放置于各個(gè)情景環(huán)境中，根據(jù)環(huán)境結(jié)構(gòu)尺寸和對(duì)應(yīng)環(huán)境所需動(dòng)作進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)．多功能車的多功能是指其具有各種環(huán)境適應(yīng)能力，以及在該環(huán)境中可以實(shí)現(xiàn)所需動(dòng)作的能力．本文將對(duì)在平地、溝槽、高臺(tái)、不同管徑管道，以及壁面等系列環(huán)境中運(yùn)動(dòng)、作業(yè)的多功能車進(jìn)行介紹．

2.1 多功能車在平地上進(jìn)行基本運(yùn)動(dòng)

如圖6所示，多功能車在平地上進(jìn)行基本運(yùn)動(dòng)時(shí)，以1號(hào)車為主車，2號(hào)車為輔車進(jìn)行移動(dòng)．可以實(shí)現(xiàn)2號(hào)車一定范圍內(nèi)升起，1號(hào)車進(jìn)行單車作業(yè)，即在平地上既可以如a所示雙車運(yùn)動(dòng)，又可以2號(hào)車升起，僅由1號(hào)車驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)．結(jié)合圖3、圖9所示可知，最大跨越時(shí)為1號(hào)車支撐，此時(shí)為多功能車平地和跨槽最大起動(dòng)位置，建模模型以A點(diǎn)為支點(diǎn)，1號(hào)車為機(jī)架，由靜平衡條件得：

其中：1、3為最大跨越時(shí)桿件夾角．

2.2 多功能車實(shí)現(xiàn)溝槽越障的運(yùn)動(dòng)

由圖7可知，多功能車遇溝槽時(shí)即處處，首先升起2號(hào)車，1號(hào)車運(yùn)動(dòng)；然后處釋放2號(hào)車，此時(shí)實(shí)現(xiàn)單車跨溝，處運(yùn)轉(zhuǎn)功能原理為：由1號(hào)車、桿1、桿2、固定2號(hào)車（機(jī)架）組成四桿曲柄滑塊機(jī)構(gòu)；在處實(shí)現(xiàn)1號(hào)、2號(hào)車同時(shí)跨過溝槽．

如圖8所示，此時(shí)多功能車組成四桿曲柄滑塊機(jī)構(gòu)1、2分別為對(duì)應(yīng)鉸鏈中心，點(diǎn)為驅(qū)動(dòng)源3處鉸鏈，1點(diǎn)為點(diǎn)對(duì)應(yīng)的一個(gè)極位位置，由曲柄存在的條件可知：3+2+2-10≤1，為使材料最節(jié)省即讓桿長最短，由條件可知當(dāng)3+2+0=1（2）時(shí)，材料最短．

如圖9所示，設(shè)多功能車最大跨越溝槽寬度為3．由圖中的幾何關(guān)系可知：

1Sin(1)+2sin(31)(12)=5（3）

cos(3)=(12+22(3+5+0))/212（4）

cos(2-11)=(12+22(3+5+0))/21(0+5+3) （5）

由圖10所示，以B點(diǎn)為支點(diǎn)，即2號(hào)車為機(jī)架，由力矩平衡有：

(0+1)(12)=3(2+2-10)+2-120（6）

2.3 多功能車高臺(tái)作業(yè)

如圖11所示，多功能車實(shí)現(xiàn)最大爬坡功能，由處到處實(shí)現(xiàn)高臺(tái)爬越準(zhǔn)備工作，處實(shí)現(xiàn)高臺(tái)工作．多功能車最高工作高度建模如圖所示，由分析可知，當(dāng)桿2擺動(dòng)至車底部極限位置，1豎直位置時(shí)為多功能車最大爬升高度，其中為最高平臺(tái)高度．如圖12所示，根據(jù)所示模型幾何關(guān)系，可推知：

2·((2+02)1/2+1)-1=（7）

3 對(duì)特定條件下的多功能車的分析

由于條件的限制，只能列幾種一般的環(huán)境狀態(tài)，因此所得設(shè)計(jì)約束條件較少、變量參數(shù)較多，為了實(shí)現(xiàn)功能車的設(shè)計(jì)，選取一定已知條件．

3.1 選取特定環(huán)境參數(shù)

多功能車各質(zhì)量參數(shù)為：1=10，2=20，3=30；多功能車結(jié)構(gòu)參數(shù)為：1=40，2=50，3=60，4=70，=80，5=90，=100（其中：1，2，3，4，5，6，7，8，9，10為比例系數(shù)）．

選取多功能車特定環(huán)境條件：6=1；7=5；8=7；10=0.5．由公式（1）、（2）、（3）、（4）、（5）、（6）、（7）可推知多功能車設(shè)計(jì)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示（9=5.93時(shí)為滑行距離，抬升時(shí)取9=5）．

表1 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖14 多功能車沿彎曲管道運(yùn)動(dòng)圖 圖15 多功能車豎直方向模型分析圖 圖16 M隨的變化規(guī)律

3.2 特定環(huán)境參數(shù)下的多功能車特殊結(jié)構(gòu)環(huán)境分析

多功能車在表1所示環(huán)境下，我們將分析其壁面環(huán)境作業(yè)情況，以及在不同管徑管道、腔體內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況，并對(duì)其關(guān)鍵部位進(jìn)行分析．（1）壁面環(huán)境分析．圖13為多功能車壁面作業(yè)示意圖，處位于靜止?fàn)顟B(tài)，處2號(hào)車升起，（）處通過2號(hào)車與連桿2之間連接的動(dòng)力源2驅(qū)動(dòng)，調(diào)整姿態(tài)實(shí)現(xiàn)多功能車的壁面作業(yè)活動(dòng)．該功能對(duì)多功能車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響不大，不做建模分析．（2）不同管徑環(huán)境分析．如圖14所示多功能車由平地進(jìn)入管道，l處時(shí)抬起2號(hào)車，處2號(hào)車驅(qū)動(dòng)源轉(zhuǎn)動(dòng)2號(hào)車體，調(diào)整姿態(tài)實(shí)現(xiàn)多功能車車進(jìn)入管道狀態(tài)，處隨著車體的運(yùn)動(dòng)不斷調(diào)整姿態(tài)以適應(yīng)不同管徑管道，處多功能車進(jìn)入垂直姿態(tài)位置．由于管道環(huán)境較為復(fù)雜，管道有垂直放置型、傾斜放置型、水平放置型等，包括管徑、腔體大小的改變，因此，本文從極端環(huán)境入手分析其關(guān)鍵參數(shù)．

圖15為多功能車處于豎直方向，位于管徑條件下的狀態(tài)，其中1、2為墻體對(duì)兩車壓力，0，1，2，3分別為對(duì)應(yīng)部位質(zhì)量，0，1，2，3為對(duì)應(yīng)重力，1，2為驅(qū)動(dòng)源3處所需提供的支撐扭矩，1，2分別為兩車對(duì)應(yīng)處摩擦力，3為連桿1，2夾角、4為連桿1與水平面之間的夾角，由結(jié)構(gòu)尺寸可知：

1cos(4)+1cos(34)=0.50（8）

豎直方向受力平衡：(0+1+2+3)=1+2（9）

f=N(=1,2) (i=1,2) （10）

水平方向受力平衡：1=2=N（11）

模型關(guān)于點(diǎn)的力矩平衡式為（點(diǎn)為管道中心線與過1號(hào)、2號(hào)車豎直方向距離中點(diǎn)水平線交點(diǎn)．）：

取=5.50，1=0.1，30°≤4≤70°，參考表1條件參數(shù)，由公式（8）、（9）、（10）、（11）、（12）可知：2>1，故N=2=2/，可推知：2=1.0380+sin(4)0+1.1cos(4)0/(1+2.73sin(4)1.73sin(34))

則3處動(dòng)力源需提供扭矩大小為：

其中：3=arccos(1.45-1.58cos(4))4（3處動(dòng)力源一般選取步進(jìn)電機(jī)或電機(jī)加增力機(jī)構(gòu)，對(duì)桿1，2作用力矩大小相等，即=(1,2)），則3處驅(qū)動(dòng)源處所需提供扭矩隨4的變化規(guī)律如圖16所示，隨著4的增大，扭矩不斷增大，因此考慮到功能車在不同管徑中運(yùn)動(dòng)姿態(tài)調(diào)整，應(yīng)在電機(jī)選型時(shí)參考最大力矩情況，根據(jù)圖可知該處最大需要提供力矩大小為：M=2.7200/．

綜上所述，本文通過2號(hào)車抬升動(dòng)作最大靜平衡條件、最大跨槽環(huán)境靜平衡條件、四連桿機(jī)構(gòu)曲柄存在的條件、2號(hào)車最高高臺(tái)作業(yè)條件，求出多功能車重要基本參數(shù)，結(jié)合上述條件選取一定條件，分析多功能車在管道中的模型，求出最佳姿態(tài)3處驅(qū)動(dòng)源需要提供扭矩與姿態(tài)調(diào)整角度4之間的關(guān)系，并求出最大扭矩．通過以上內(nèi)容分析，本文提出了根據(jù)任務(wù)解決過程中的問題并結(jié)合機(jī)械原理知識(shí)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，建立多功能車各種狀態(tài)環(huán)境模型，并求出關(guān)鍵參數(shù)，為后續(xù)多功能車的開發(fā)設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持．

[1] Quyang P R,Li Q, Zhang W J, Guo L S. Design, modeling and control of a hybrid machine[J].Mechatronics, 2004(14):1197-1217.

[2] Yu H N.Modeling and control of hybrid systems :a five bar mechanism case [J]. Internal Journal of Automation and Computing, 2006(3):235-243.

[3] James Allen Donaldson.ARTICULATED BOOM LIFTINGARRANGEMENT:US,2011/0168490A1[P].2011-07-14.

[4] 劉懷廣.平面受控低副五桿機(jī)構(gòu)虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)的研究[D].武漢：武漢科技大學(xué)，2007.

[5] Tokuz L C. Hybrid Machine Modeling and Control [D].UK: Liverpool Polytechnic University,1992.

（責(zé)任編輯：于開紅）

Model Design of Multifunction Vehicle Based on Five Bar Mechanism

LIANG Hu1LUO Qiang1QIU Gang2

The paper proposes a model of multifunction vehicle based on five bar mechanism. The vehicle is a servant robot platform which can work in complex terrain environment. When placed in a series of scenarios, the models can be established according to various environmental structures and work requirements, as well as list the constraints. The paper also selects a few conditional parameters to solve the key parameters of certain condition, which provides technical support for the further designation.

five bar mechanism; multifunction vehicle; modeling; environmental structure; parameter

TP311

A

1009-8135（2016）03-0103-04

2016-02-25

梁 虎（1988-），男，安徽淮北人，重慶三峽學(xué)院教師，主要研究移動(dòng)機(jī)器人．

重慶市科技傳播與普及項(xiàng)目：重慶三峽學(xué)院科普基地-面向萬州區(qū)大中小學(xué)生科技創(chuàng)新知識(shí)普及（編號(hào)：cstc2015kp-sfhdA0013）階段性成果