可變約束與自適應機械綜合設計的要點研究

馮鎖魁

（寧夏回族自治區煤田地質局 寧夏 銀川 750011）

0 引言

機構結構主要就是包括機構的自由度、約束、運動副數(可統一視為機構的約束)、構件數及構件運動學、動力學尺度等，而在方案設計中最關鍵的是機構的自由度、約束及構件數等參數，所以自適應機構綜合的核心和重點就是自由度、約束及構件數的可變、可調控設計，這也是自適應機構與一般機構設計的區別。

1 自由度的設計

自適應機構在工作過程中，機構都是在初始狀態的基礎上通過一定參數的變化來實現自適應功能的，這里稱這個“初始狀態”的機構構型為自適應機構的“初始機構”。絕大多數自適應機構的初始機構都是一個多自由度、多執行構件的系統。為了適應工作變化的要求，初始機構都需要設計出與工作目標變化數相同的自由度，使之具有產生相應自適應運動的可能。同時，還應該注意到自適應機構產生的原因及價值就在于其驅動控制的簡化，而且一般只需用一個驅動自由度來實現多自由度的適應，因而均是欠驅動系統，所以在多自由度的自適應機構初始運動鏈中都包含一個主驅動自由度及若干自適應冗余自由度。這些自適應冗余自由度，在不同的應用場合的工作過程中將以不同的方式存在，有的是一開始時就存在的，僅僅是在工作過程中逐漸被約束掉的，稱之為自適應機構的“工作自由度”；有的則是一開始就被約束掉，在工作過程中，將按工作需要逐漸被“釋放”的，稱之為自適應機構的“條件自由度”。因此，在設計初始機構時要根據工作要求將這些冗余的自適應自由度分別加以區分和設計。

2 約束及可變約束的設計

約束特別是可變約束是機構實現自適應功能的關鍵。由于自適應機構的初始運動鏈均為多自由度機構，根據用途的不同，這些自由度有的始終存在，有的則是在工作過程中根據需要由于約束的變化而被依次的“釋放”。但不論是哪種情況，一般自適應機構均采取單驅動的型式，與運動鏈的自由度不等，而在工作過程中必須具有確定的相對運動，因此，在工作過程中必須“增加”或“解除”一些約束，使機構總是保持在與驅動自由度相同的等實際自由度運動。所以，在自適應機構中，隨著工作過程中的運動或力能參數的變化，約束也應能作相應的變化，也即是說自適應機構中必須采用可變、可調控的約束。

可變約束的類型及其可調控因素與應用在前已作了較系統的介紹，如何應用和設計這些可變約束是要根據具體工作要求，需自適應的參數類型，以及機構的內外部條件等來確定的。在這里，僅根據最具典型的例子來說明可變約束設計的一般規律。

2.1 具有多工作自由度自適應機構的約束設計

如前述汽車差速器、重錘式慣性調速器、差動式抓斗、自動調速器以及變矩器等自適應機構，在設計它們的約束時，首先是在初始運動鏈中，一般通過幾何約束(包括常幾何約束及可變幾何約束)的設計，使之具有滿足工作要求的多自由度(一般為2～3)，這一般是比較容易的。而設計這類機構的關鍵是如何正確設計與所需自動調整的工作參數相對應的外部聯接，然后通過外部可變約束來改變機構的某些參數達到調整的目的。

2.2 具有條件自由度自適應機構的約束設計

這是自適應機構中應用最廣泛的一類。其特征是始終保持一個自由度工作，在工作過程中僅改變其構件與約束(運動副)數。因此，這類自適應機構的約束設計就是對應的“條件約束”的設計，即某些約束的加入與消除、機構內部約束的數量與結構的功能設計。由于機械運動是依靠力的驅動，而且機械中的一切約束都可以用力的約束來代替，因此，自適應結構的功能都是通過“力”或力矩在機構中的傳遞和變換來實現的。“條件約束”的“條件”實質上就是力的“封閉”與“釋放”的條件,從而，這些機構中的“條件自由度”就是依靠“力”的約束來使之“實現”或“消除”的。

2.3 內力封閉自適應機構的約束設計

內力封閉自適應機構是一類較為特殊的應用較為普遍的自適應裝置。該裝置中同時具有工作自由度和條件自由度的特征，同時，這類裝置一般都以傳遞與變換力為主要目的，而且最終都是在將工作對象計入機構的內部結構系統 (一般視為機架)，通過內力封閉約束，成為一個靜定甚至超靜定的結構。

3 初始運動鏈的選擇及多方案設計

由于自適應機構都具自適應自由度，其初始機構的自由度等于機構的自適應自由度，所以其初始運動鏈均為多自由度(一般為2～3)的運動鏈。眾所周知，對于單鉸運動鏈而言，自由度為2的運動鏈其構件數為3、5、7、9等奇數，閉鏈的最少構件數為5；而自由度為3的運動鏈其構件數則為4、6、8、10等偶數，閉鏈的最少構件數則為6。一般，機構中執行構件的數量一般等于自適應的自由度數，另外，機構需要一個作為機架的基礎構件，因此，對于自適應自由度為2的自適應機構，如果驅動力直接施加到兩個執行構件上，其運動鏈可以是最少構件數為3的開鏈。通常，為了有較好的傳力特性，最基本的要求是驅動力不直接施加到執行構件上，增加一個主動構件，同時增加一個傳力構件，因此，其最基本的構件數為5。如果需要更好運動學或動力學性能的自適應機構，在此基礎上增加的構件數為2的倍數。由此，可以看出能夠實現同一功能的運動鏈應該有很多，有必要合理設計出盡量多的能夠實現所要求的自適應功能的運動鏈，并從中進行方案優選。

4 運動與力能傳遞特性的設計

自適應機構大多都是采用欠驅動方式的多自由度系統，在工作中都存在冗余自由度，而在自適應機構系統中，一般都是應用力的均衡、增益、傳遞或轉換，以及力與運動的相互作用等特性與規律，通過可變約束進行調控來實現其自適應功能的，所以必須對這種欠驅動系統中機構的運動趨勢及力能傳遞的路線進行分析與設計，以確保機構具有確定的運動，同時又能可靠的實現機構的自適應功能。

對于具有多工作自由度的自適應機構其約束的設計主要是動力約束及幾何約束的設計，而起自適應調控作用的是與被調控參數緊密相關的“外部約束”，因此其設計的關鍵是外部聯接的設計，確定了這些外部約束，機構的運動及力能傳遞的關系都將得以確定。

對于具有多條件自由度的自適應機構，由條件自由度的定義可知，這些自由度都是在工作之前就被約束掉了的，只是在工作的過程中按照要求依次釋放的一個過程，機構始終保持一個自由度工作，其機構的運動關系及力能的傳遞路線都是確定的，與一般的機構無異。

5 結束語

論文從自由度的設計、約束及可變約束的設計、運動鏈的選擇及多方案設計和運動與力能傳遞特性的設計等四個方面，闡述了自適應機械綜合的共性關鍵問題。指出了可變約束結構的設計是自適應機械設計的核心，運動及自由度是設計自適應機械的基礎，而運動與力能關系的設計是確定自適應機械初始功能結構尺寸及合理運動副配置的最基本的原則，總結并提出了自適應機械綜合設計的一些基本原則和方法。

［1］韓建友.高等機構學[M].北京:機械工業出版社，2004.

［2］符煒.機構設計學[M].長沙:湖南大學出版社，2001.