冷鴻彬，顧 丹，章 偉，朱 鵬

(四川城市職業(yè)學院，四川 成都 610101)

0 引 言

隨著社會需求和科技的進步，移動機器人性能不斷完善，其應用范圍也越來越廣泛。在排雷、搜捕、救援、星球探測等領域，要求機器人對各種復雜地形要有很好的通過性和適應性，即具有一定的越障能力、避障能力和環(huán)境適應能力[1]。

機器人的懸架設計對其移動性能有著很大的影響，文中將對稱式對心雙曲柄滑塊機構應用于可變結構的機器人懸架機構設計，對與平行四邊形、平行六邊形兩種機構的組合變胞機構進行了特性分析。在此基礎上設計了一種可變結構的機器人懸架機構，該機構在通過某些復雜地形，如高低不平的地面、狹窄的縫隙時能夠改變自身結構形態(tài)和車身橫向寬度，因此具有更好的通過性和環(huán)境地貌適應能力。

1 對稱式對心雙曲柄滑塊機構特性分析

圖1所示為對稱式對心雙曲柄滑塊機構，其有兩個主要特征:①機構特征:該機構由兩套共用一個曲柄的對心式曲柄滑塊組成，兩曲柄BC、CD和兩連桿AB、DE的尺寸分別相等。兩套對心式曲柄滑塊機構以C為中心呈中心對稱分布；②運動特性:該機構兩滑塊A、E的運動狀態(tài)始終相同，只是移動方向相反[2]。曲柄逆時針轉動，當α=180°時，兩滑塊處于距離最遠位置；曲柄繼續(xù)轉動至α=360°時，兩滑塊處于距離最近位置。

圖1 對稱式對心雙曲柄滑塊機構簡圖

2 與平行四邊形組合的變胞機構[3]特性分析

2.1 機構組成原理

如圖2所示，該機構由對稱式對心雙曲柄滑塊機構AFEGC和平行四邊形機構ABCD組成，且自由度為1。平行四邊形機構由于各構件幾何尺寸的特殊關系(相對桿件長度相等，或四個桿件長度都相等)在運動過程中都會出現四個桿件共處同一直線位置的情況[4]。β隨兩滑塊距離的增大而增大，減小而減小。曲柄逆時針轉動，當θ=180°時兩滑塊處于距離最遠位置，β達到最大值βmax，若桿件取適當的值使βmax=180°，則機構變形成一條直線且自由度變?yōu)?，拓撲結構圖也發(fā)生變化，屬于變胞機構的研究范圍。當曲柄繼續(xù)轉至θ=360°時,兩曲柄處于距離最近位置，此時β達到最小值βmin，機構處于收攏狀態(tài)。

圖2 變胞機構簡圖1.滑槽 2.滑塊1 3.連桿1 4.曲柄 5.桿1 6.桿2 7.桿3 8.桿4 9.連桿2 10.滑塊2

2.2 機構構態(tài)變換分析[5-7]

如圖2所示，將曲柄EF與水平的夾角θ(0°<θ<180°)作為機構的第一構態(tài)，圖3中序號1～10與圖2中桿件序號對應。其機構對應的拓撲圖如圖3所示。

圖3 第一構態(tài)拓撲 圖4 第二構態(tài)拓撲圖

描述該構態(tài)的鄰接矩陣為:

當角θ= 180°時，角β=βmax=180°，機構處于水平共線狀態(tài)，桿件5、6、7、8合并成一個構件，統一用5表示，將其作為機構的第二構態(tài)，圖4中序號1～10與圖2中桿件序號對應。其機構對應的拓撲圖如圖4所示。

描述該構態(tài)的鄰接矩陣為:

2.3 桿件尺寸關系

即 2a=2b+c

(1)

當角度θ=360°時，角度β有最小值βmin，且：

(2)

在△ABC中，由余弦定理得：

(3)

將式(1)、(2)帶入式(3)可得：

(4)

且由式(1)、(2)可知：

(5)

將式(5)帶入式(4)可得：

(6)

若βmin=60°，帶入式(4)可得：

(7)

若βmin=90°，帶入式(4)可得：

(8)

若要使βmin∈(arccos，90°)，結合式(4)、(5)可得：

(9)

3 應 用

3.1 機構組成原理

如圖5(a)所示，該機構由對稱式對心雙曲柄滑塊機構MHGLN和平行六邊形機構ABCDEF組成，且自由度為1，平行六邊形機構具有一定的可展開可折疊性質。以此機構為懸架的機器人具有一定的變形能力，但穩(wěn)定性較差，因此在其基礎上設計了圖5(b)所示懸架機構。

圖5 機構簡圖

該懸架機構由兩個對稱的平行六邊形機構和一個對稱式對心雙曲柄滑塊機構組成，具有較強的穩(wěn)定性，且自由度為1，控制簡單，其控制過程是通過曲柄轉動控制兩滑塊的距離來改變角度φ的大小從而使機器人車身的橫向寬度發(fā)生變化。當ψ=180°時，角度φ有最大值φmax且φmax=180°，此時機構為完全展開狀態(tài)，橫向寬度最大，遇到橫向寬度較大的障礙物時可以不用繞行直接越過；當ψ=360°時，角度φ有最小值φmin，此時機構為收攏狀態(tài)，橫向寬度最小，遇到狹縫時可以直接穿行，從而使機器人具有更好的越障避障能力。

3.2 角度φ與ψ的關系

(10)

在△MNO中由余弦定理得：

(11)

(12)

則由式(10)～(12)可解得：

(13)

其中φ∈[0°,180°],ψ∈[0°,360°)

則式(13)就是角度φ與曲柄轉角ψ的關系式。

3.3 桿件尺寸關系

如圖5(b)所示，當角度ψ=180°時，角度φ有最大值φmax，且φmax=180°，此時機構為完全展開狀態(tài)，且有：

(14)

當ψ=360°時，角度φ有最小值φmin，且：

(15)

在△ABC中由余弦定理得：

(16)

將式(14)、(15)、帶入式(16)可得：

(17)

由式(14)、(15)可知：

2b=4a-c>0,b-c>0,c=4a-2b>0

(18)

將式(18)帶入式(17)可得：

(19)

由式(14)可得：

(20)

將式(20)帶入式(18)可得：

(21)

由式(17)可知，若確定φmin的取值范圍時，即可得出a、b、c之間的關系式。如取定φmin=60°，帶入式(17)并結合式(18)、(21)可得：

(22)

若取定φmin=90°， 帶入式(16)并結合式(18)、(21)可得：

(23)

(24)

3.4 橫向寬窄度變化

(25)

(26)

式(25)表明：可以通過特定的a、b、c的關系式來控制λ的取值范圍。

4 結 語

文中主要介紹了對稱式對心雙曲柄滑塊機構與平行四邊形機構組合的變胞機構特性，滿足變形要求的桿件尺寸關系和機構構態(tài)變換分析。在此基礎上設計了一種可變結構的機器人懸架機構，該機構能夠根據地形環(huán)境變化其橫向寬度，且為單自由度機構，控制簡單，為可變形機構的設計提供了新的思路。