復雜鉸點空間旋轉放大機構計算與力學分析*

鄭 海，張宗山，孟凡東，楊宏磊，陳 廣

(河南衛華特種車輛有限公司，河南 新鄉 453400)

0 引 言

全球領先的掃描鷹無人機(SCANEAGLE)回收采用一種叫做“天鉤”的設備，通過垂繩回收[1]。這種天鉤由Institu公司研制，歷經兩代，第一代采用折臂結構形式，第二代采用伸縮臂結構形式[2]。該設備不僅因技術專利性保護，而且受軍方保護，其采購成本極高。另外，該設備在使用時，需要配備運輸車輛，不能直接移動，使用較為不便。國內某航天研究所委托我司設計一種移動式無人機回收設備，要求在靜態或車輛運行時滿足道路車輛運行標準要求；在試驗時滿足橫向和豎向分別具有7 m和14 m的凈空，并承載一定質量以下飛機回收沖擊要求；在車輛年檢時便于拆卸；并且該車能夠運輸、發射無人機，集成回收控制系統。筆者基于該回收設備所受空間結構限制與使用功能的要求，設計了一種臂架系統，采用多連桿鉸接放大機構在平面空間實現超過180°的旋轉，達到道路車輛標準和凈空目標。

1 機構簡述

移動式無人機回收設備如圖1所示，臂架系統如圖2所示。圖2中給出了臂架系統全收回狀態和全展開狀態(因此文重點分析研究多連桿放大機構，關于車輛、以及具體使用過程和原理可以參考其他文獻)。

圖1 移動式無人機回收設備

在全收回狀態，第二伸縮臂1與第一伸縮臂3平行；在全展開裝態，第二伸縮臂1與第一伸縮臂3上仰成一定角度，第二伸縮臂1在第二變幅機構2和第一變幅機構4的共同作用下，實現超過180°的旋轉。

其中第二變幅機構2為一種復雜鉸點的六連桿放大機構，此處即分析第二伸縮臂1在從0°展開到180°的過程中，其驅動機構的動力學變化關系，此設備的驅動機構為液壓油缸。

圖2 臂架系統

2 結構分析

提取第二變幅機構2，如圖3所示。在展開過程中，21、23、27受拉力，22受壓力，24受復合力。27為本機構的驅動油缸。

圖3 六連桿放大機構21.拉桿一 22.支撐桿 23.拉桿二 24.三角架 25，26.支撐架 27.驅動油缸

將圖3所示的結構進行模型簡化，如圖4和圖5所示。圖4為全收回狀態模型，圖5為全展開狀態模型。

圖4 全收回狀態模型

圖4和圖5與圖2和圖3中的對應關系如下：KQ為第二伸縮臂，RL為21，RI為22，RP為23，△DPF為24，BD為27，四邊形BFQI為25和26。也就是說，由BD驅動△DPF、在△DPF自身和RI的支撐下，通過RP、RL拉動KQ在空間旋轉運動。顯然，BD的驅動力變化極為復雜，能否實現第一伸縮臂3在任意角度，臂架系統輕量化設計條件下，KQ達到預定的角度并滿足力學要求，BD的力學分析顯得極為重要。

圖5 全展開狀態模型

3 運動分析

多連桿幾何圖如圖6所示。記第一伸縮臂3與水平夾角在任意狀態下為β，第二伸縮臂與第一伸縮臂夾角在任意狀態下為α，則：

α={αi}

β={βi}

首先建立幾何坐標系，如圖6所示，圖中O為坐標中心，給定任意的[α，β]條件，在廣義坐標下[3]，驅動油缸BD對旋轉點F的力矩Li均為α和β的函數[4]，計算方法見參考文獻[4]。

圖6 多連桿幾何圖示

根據圖6，當伸縮臂1處于任意角度βi時，伸縮臂2旋轉過程中，通過幾何關系，對Q、I、F點取力矩平衡，分別得到PR、DP、BD的力學方程[5-6]，求解過程借助于MATLAB[7]，得到Li的函數值，采用力矩法通過MATLAB求得驅動油27的拉力。如圖7所示，圖中β的計算步長取5，從50°開始計算(實際上，當第一伸縮臂小于50°時，第二伸縮臂無足夠的幾何空間展開，產生干涉，無實際意義)。圖中：

β={5560657075}

α：0→110

圖7 驅動油缸拉力變化曲線

圖8 驅動油缸壓力變化測試曲線

4 試驗測試

設備負載加載如圖9所示，通過角度儀器確定第一伸縮臂的試驗角度，然后加壓驅動第二伸縮臂從0°旋轉到最大角度(110°)，通過壓力流量計測試系統壓力變化，經測試驗儀記錄試驗數據，導入至Excel,即可得到實際工作壓力曲線。如圖8所示，為第一伸縮臂處于40°～70°時，第二伸縮臂從0°～110°變化過程中驅動油缸27的壓力變化曲線。

試驗表明，理論計算值與實際測試值的走勢相同。當油缸缸徑確定時，通過計算，即可得到理論壓力[8]。計算表明，所獲得的壓力與試驗測試壓力相吻合。

圖9 試驗測試

5 結 語

大角度多連桿放大機構的結構布局較為復雜，鉸點多，計算煩鎖，此研究在廣義坐標下，對某無人機回收設備，基于幾何與力矩交叉法，借助MATLAB計算得到動態動力曲線，通過試驗測試壓力變化，驗證了設計的合理性，為選擇驅動機構提供了依據。

同時，該簡易計算過程，為連桿設計與計算提供一定的參考方法，也為臂架結構布局和優化提供一種簡易的計算方法，對輕量化設計具有一定的指導意義。