基于ADAMS軟件的曲柄滑塊-四連桿機構的尺寸參數優化

張寶寧 王 瀟 郭耘廷

(中國礦業大學(北京) 北京 100083)

基于Delta并聯機器人平臺，設計連桿傳動機構，將氣泵驅動的氣動活塞產生直線驅動轉化為相對平穩可靠的轉矩，用來驅動二關節欠驅動機械手指。我們首先要將氣動驅動器賦予活塞的直線驅動力轉化為二關節連桿欠驅動機構的轉矩，因此我們需要加入一個曲柄滑塊機構，來實現直線驅動力與欠驅動手指轉矩的轉換。通過考察得知，該氣泵吸氣式活塞具有啟程加速度較大，啟動較為突然的特點，這樣會使其輸出的速度在瞬間達到一個較高的值，此后速度逐漸降低，因此直接由活塞來控制欠驅動手指，會使手指的運動同樣具有類似特性，在抓取物體時容易在啟程階段與煤矸石發生高速碰撞，不利于機械手指使用壽命的延長；另一方面，氣動活塞的有效行程并不能保證滿足我們預期的運動范圍。因此我們需要增加一個傳動機構，通過設置活塞與欠驅動手指的傳動比，來改善活塞的控制范圍，同時實現對輸出轉動角速度的優化。因為曲柄滑塊本身就具有傳動的能力，因此首先考慮直接通過設計曲柄滑塊機構中的連桿長度來改變活塞平移速度與輸出轉矩之間的傳動關系。

通過對曲柄滑塊機構在不同桿長比例下的速度分析，發現角度θ1和θ2的大小都是由桿件的長度以及滑塊位移之間的比例直接決定的，而VA與機構輸出轉矩的關系由θ1和θ2決定。因此我們賦予連桿L1，連桿L2不同的長度比例，在ADAMS[1～3]軟件中進行仿真，通過觀察隨著滑塊的推進，連桿2的位移以及速度變化，來得到適合本文的設計方案。發現得出以下結論：

當L1

當L1=L2時，隨著滑塊的推進，連桿2的速度逐漸變慢，結合本文使用的氣動驅動具有啟程速度快，后續急劇減慢的特點，此時L2顯現出來的速度特性，無疑會更加放大這一特點，使得速度減慢的幅度更大；同時這種桿長比例下啟程時的速度依然很高，因此同樣不符合我們的抓取要求；

當L1>L2時，隨著滑塊的推進，連桿2的位移也出現了一定程度的折返現象，但是我們發現這是連桿2的整體重心的位移產生了回程，在我們所需要的抓取方向上，連桿2并沒有出現折返；但是在滑塊位移接近終點的時候，連桿2的速度產生了直線式的增加，如果是正常程度的加速，恰恰可以與前文所說的“啟程較快逐漸減慢”的驅動相互抵消，但是連桿2的速度在行程末端上升過于急劇，即使驅動具有上述特性，還是難以避免在行程的末尾，輸出的轉速過大，導致手指與抓取對象產生碰撞。

因此我們得出的結論是，如果想要同時保證對欠驅動手指有一個穩定安全的驅動速度，同時還要避免機構陷入“死點”，僅使用曲柄滑塊的機構進行傳動是不足夠的。

我們知道，如圖所示的六連桿壓力機，可以將勻速的轉矩，轉變為滑塊的急回沖壓運動，而我們恰恰是需要將快速啟動逐漸變慢的直線運動，轉化為相對穩定的轉矩，因此我們類比六連桿壓力機的設計，在曲柄滑塊機構與欠驅動手指中間，添加一個平面四連桿機構，借此來達到我們的設計需求。

利用ADAMS軟件對上述機構進行參數優化：

在Adams中創建機構中各個鉸接點的位置，然后再在各個點之間創建連桿，其中兩個球體之間的運動就相當于活塞之間的運動，上方的球體為主動件，向下方球體做直線運動，類比我們使用的氣動活塞，我們將其驅動的位移方程設置成與本文使用的氣動活塞相似的減速運動。改變其中幾個鉸接點的位置，就可以改變機構中的桿長以及位姿，因此我們可以選擇將A，B，C三個點的某一軸的坐標設置為變量，如圖所示，我們根據實際情況，分別將A點的Y軸坐標，B點的Y軸坐標，C點的X軸坐標設置為變量。

根據設計需求，我們選擇對轉動副相對角速度的標準差求取最小值，并對此時各個變量的值作為優化結果。

優化結果各個點的坐標為：

A(0.05,0.076)，B(0.5，0.001)，C(0.146，-0.2)，D(0,0)，E(0，0.4)

此時將單一的曲柄滑塊機構作為傳動機構時輸出的角速度，以及添加了平面四連桿機構之后的傳動機構所輸出的角速度曲線進行對比，如圖所示，添加平面四連桿機構，能夠使得傳動機構在速度呈現遞減規律的氣動活塞的驅動下，輸出的轉速更為穩定變化范圍更小。