基于五桿機構的多功能車的模型設計

梁 虎 羅 強 邱 剛

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基于五桿機構的多功能車的模型設計

梁 虎1羅 強1邱 剛2

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

文章設計了一種基于五桿機構的多功能車的模型，該多功能車可以在復雜地形環境中執行任務，是一種服務機器人平臺．將多功能車置于一系列情景中，根據各種環境結構與工作要求建立模型，羅列出約束條件；選取少量條件參數，求解該條件下的關鍵參數，為后續多功能車的設計提供技術支持．

五桿機構；多功能車；建模；環境結構；參數

隨著時代的發展、科學技術的不斷革新，一大批多功能智能服務平臺、機器人應運而生，這些產品的應用很大程度上是建立在功能齊全的機械結構基礎之上的，良好的機械機構平臺是機械裝置開發、升級的基礎．經典機械設計以連桿機構為設計基礎，比如四連桿機構等，相關方面的理論研究比較深入、理論成果比較豐富[1,2]，比如連桿混合動力性能的研究等．本文將以五桿機構為基礎進行多功能車的機構參數化設計，設計出一種靈活機動的移動平臺，為智能家居機器人和非結構環境作業機器人提供基礎平臺．本文所涉及的一種多功能平衡車，相關方面的研究目前僅僅應用于各種高空車產品中，比如文獻[3]中所介紹的吉尼高空車等，這一類屬于單車長臂類型，無法實現雙車交替平衡，如圖1所示．正如文獻[4]中所介紹，隨著控制技術的飛速發展，當今機構學從原來簡單的單自由度領域過度到了復雜的多自由度領域，受控五桿機構作為簡單的多自由度機構，逐漸成為機構學領域研究的熱點．混合驅動機構[5]1-20又稱為混合輸入機構，是可控機構的一種類型，在混合驅動20多年的發展中，對雙自由度混合驅動機構的研究最為深入．本文所介紹的多功能車正是基于上述原理，通過多個關節處驅動電機的配合實現裝置的多功能．

1 多功能車原理

1.1 多功能車原理

本文中多功能車的設計原理是基于PRRRP型的雙滑塊五桿機構．如圖3所示，多功能車包括1號車（主車）、2號車（輔車）、1號車質量（1）/動力源1、2號車質量（2）/動力源2、質量3（3）/動力源3、配重0、連桿1、連桿2、配重支桿4（質量/動力源即質量集中處和電機轉動裝置）；A點為圖示主車1支撐時支點，B點為圖示輔車2支撐時支點；主車1、輔車2尺寸結構圖如圖所示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桿件夾角如圖所示．

1.2 靜平衡配重部分機構設計

為了實現主車作為支撐機架時輔車可以抬升，同時當輔車作為支撐機架時主車可以抬升，從而實現雙車交替支撐作業，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動90°的轉動副連接，連桿1由1到3轉動過程中連桿4與連桿1之間夾角始終為90°，當連桿4轉動到水平位置時，連桿4與連桿1相對轉動．

圖5 平衡配重機構原理圖 圖6 多功能車在平地上運動圖

圖7 多功能車實現溝槽越障連續圖 圖8 多功能車組成曲柄滑塊機構圖

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計方法與求解

基于系列情景功能的實現，對多功能車進行設計的方法，即是將原理車放置于各個情景環境中，根據環境結構尺寸和對應環境所需動作進行結構設計．多功能車的多功能是指其具有各種環境適應能力，以及在該環境中可以實現所需動作的能力．本文將對在平地、溝槽、高臺、不同管徑管道，以及壁面等系列環境中運動、作業的多功能車進行介紹．

2.1 多功能車在平地上進行基本運動

如圖6所示，多功能車在平地上進行基本運動時，以1號車為主車，2號車為輔車進行移動．可以實現2號車一定范圍內升起，1號車進行單車作業，即在平地上既可以如a所示雙車運動，又可以2號車升起，僅由1號車驅動運動．結合圖3、圖9所示可知，最大跨越時為1號車支撐，此時為多功能車平地和跨槽最大起動位置，建模模型以A點為支點，1號車為機架，由靜平衡條件得：

其中：1、3為最大跨越時桿件夾角．

2.2 多功能車實現溝槽越障的運動

由圖7可知，多功能車遇溝槽時即處處，首先升起2號車，1號車運動；然后處釋放2號車，此時實現單車跨溝，處運轉功能原理為：由1號車、桿1、桿2、固定2號車（機架）組成四桿曲柄滑塊機構；在處實現1號、2號車同時跨過溝槽．

如圖8所示，此時多功能車組成四桿曲柄滑塊機構1、2分別為對應鉸鏈中心，點為驅動源3處鉸鏈，1點為點對應的一個極位位置，由曲柄存在的條件可知：3+2+2-10≤1，為使材料最節省即讓桿長最短，由條件可知當3+2+0=1（2）時，材料最短．

如圖9所示，設多功能車最大跨越溝槽寬度為3．由圖中的幾何關系可知：

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點為支點，即2號車為機架，由力矩平衡有：

(0+1)(12)=3(2+2-10)+2-120（6）

2.3 多功能車高臺作業

如圖11所示，多功能車實現最大爬坡功能，由處到處實現高臺爬越準備工作，處實現高臺工作．多功能車最高工作高度建模如圖所示，由分析可知，當桿2擺動至車底部極限位置，1豎直位置時為多功能車最大爬升高度，其中為最高平臺高度．如圖12所示，根據所示模型幾何關系，可推知：

2·((2+02)1/2+1)-1=（7）

3 對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境狀態，因此所得設計約束條件較少、變量參數較多，為了實現功能車的設計，選取一定已知條件．

3.1 選取特定環境參數

多功能車各質量參數為：1=10，2=20，3=30；多功能車結構參數為：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）．

選取多功能車特定環境條件：6=1；7=5；8=7；10=0.5．由公式（1）、（2）、（3）、（4）、（5）、（6）、（7）可推知多功能車設計關鍵結構參數如表1所示（9=5.93時為滑行距離，抬升時取9=5）．

表1 關鍵結構參數

圖14 多功能車沿彎曲管道運動圖 圖15 多功能車豎直方向模型分析圖 圖16 M隨的變化規律

3.2 特定環境參數下的多功能車特殊結構環境分析

多功能車在表1所示環境下，我們將分析其壁面環境作業情況，以及在不同管徑管道、腔體內的運動情況，并對其關鍵部位進行分析．（1）壁面環境分析．圖13為多功能車壁面作業示意圖，處位于靜止狀態，處2號車升起，（）處通過2號車與連桿2之間連接的動力源2驅動，調整姿態實現多功能車的壁面作業活動．該功能對多功能車結構設計影響不大，不做建模分析．（2）不同管徑環境分析．如圖14所示多功能車由平地進入管道，l處時抬起2號車，處2號車驅動源轉動2號車體，調整姿態實現多功能車車進入管道狀態，處隨著車體的運動不斷調整姿態以適應不同管徑管道，處多功能車進入垂直姿態位置．由于管道環境較為復雜，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，本文從極端環境入手分析其關鍵參數．

圖15為多功能車處于豎直方向，位于管徑條件下的狀態，其中1、2為墻體對兩車壓力，0，1，2，3分別為對應部位質量，0，1，2，3為對應重力，1，2為驅動源3處所需提供的支撐扭矩，1，2分別為兩車對應處摩擦力，3為連桿1，2夾角、4為連桿1與水平面之間的夾角，由結構尺寸可知：

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）

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

取=5.50，1=0.1，30°≤4≤70°，參考表1條件參數，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處動力源需提供扭矩大小為：

其中：3=arccos(1.45-1.58cos(4))4（3處動力源一般選取步進電機或電機加增力機構，對桿1，2作用力矩大小相等，即=(1,2)），則3處驅動源處所需提供扭矩隨4的變化規律如圖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動姿態調整，應在電機選型時參考最大力矩情況，根據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號車抬升動作最大靜平衡條件、最大跨槽環境靜平衡條件、四連桿機構曲柄存在的條件、2號車最高高臺作業條件，求出多功能車重要基本參數，結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3處驅動源需要提供扭矩與姿態調整角度4之間的關系，并求出最大扭矩．通過以上內容分析，本文提出了根據任務解決過程中的問題并結合機械原理知識的機構設計方案，建立多功能車各種狀態環境模型，并求出關鍵參數，為后續多功能車的開發設計提供技術支持．

[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構虛擬設計系統的研究[D].武漢：武漢科技大學，2007.

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

（責任編輯：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，重慶三峽學院教師，主要研究移動機器人．

重慶市科技傳播與普及項目：重慶三峽學院科普基地-面向萬州區大中小學生科技創新知識普及（編號：cstc2015kp-sfhdA0013）階段性成果