基于五杆机构的多功能车的模型设计

梁 虎 罗 强 邱 刚



基于五杆机构的多功能车的模型设计

梁 虎1罗 强1邱 刚2

（1.重庆三峡学院机械工程学院，重庆万州 404020）（2.重庆三峡学院电子与信息工程学院，重庆万州 404100）

文章设计了一种基于五杆机构的多功能车的模型，该多功能车可以在复杂地形环境中执行任务，是一种服务机器人平台．将多功能车置于一系列情景中，根据各种环境结构与工作要求建立模型，罗列出约束条件；选取少量条件参数，求解该条件下的关键参数，为后续多功能车的设计提供技术支持．

五杆机构；多功能车；建模；环境结构；参数

随着时代的发展、科学技术的不断革新，一大批多功能智能服务平台、机器人应运而生，这些产品的应用很大程度上是建立在功能齐全的机械结构基础之上的，良好的机械机构平台是机械装置开发、升级的基础．经典机械设计以连杆机构为设计基础，比如四连杆机构等，相关方面的理论研究比较深入、理论成果比较丰富[1,2]，比如连杆混合动力性能的研究等．本文将以五杆机构为基础进行多功能车的机构参数化设计，设计出一种灵活机动的移动平台，为智能家居机器人和非结构环境作业机器人提供基础平台．本文所涉及的一种多功能平衡车，相关方面的研究目前仅仅应用于各种高空车产品中，比如文献[3]中所介绍的吉尼高空车等，这一类属于单车长臂类型，无法实现双车交替平衡，如图1所示．正如文献[4]中所介绍，随着控制技术的飞速发展，当今机构学从原来简单的单自由度领域过度到了复杂的多自由度领域，受控五杆机构作为简单的多自由度机构，逐渐成为机构学领域研究的热点．混合驱动机构[5]1-20又称为混合输入机构，是可控机构的一种类型，在混合驱动20多年的发展中，对双自由度混合驱动机构的研究最为深入．本文所介绍的多功能车正是基于上述原理，通过多个关节处驱动电机的配合实现装置的多功能．

1 多功能车原理

1.1 多功能车原理

本文中多功能车的设计原理是基于PRRRP型的双滑块五杆机构．如图3所示，多功能车包括1号车（主车）、2号车（辅车）、1号车质量（1）/动力源1、2号车质量（2）/动力源2、质量3（3）/动力源3、配重0、连杆1、连杆2、配重支杆4（质量/动力源即质量集中处和电机转动装置）；A点为图示主车1支撑时支点，B点为图示辅车2支撑时支点；主车1、辅车2尺寸结构图如图所示0为车身长、h为车身高度；图3中1、2、3为多功能车最大跨越时杆件夹角如图所示．

1.2 静平衡配重部分机构设计

为了实现主车作为支撑机架时辅车可以抬升，同时当辅车作为支撑机架时主车可以抬升，从而实现双车交替支撑作业，如5图所示配重为0，配重连杆4与连杆1之间连接采用可以转动90°的转动副连接，连杆1由1到3转动过程中连杆4与连杆1之间夹角始终为90°，当连杆4转动到水平位置时，连杆4与连杆1相对转动．

图5 平衡配重机构原理图 图6 多功能车在平地上运动图

图7 多功能车实现沟槽越障连续图 图8 多功能车组成曲柄滑块机构图

图9 多功能车极限跨槽图 图10 跨沟槽后平衡图

2 基于系列情景功能的多功能车的设计方法与求解

基于系列情景功能的实现，对多功能车进行设计的方法，即是将原理车放置于各个情景环境中，根据环境结构尺寸和对应环境所需动作进行结构设计．多功能车的多功能是指其具有各种环境适应能力，以及在该环境中可以实现所需动作的能力．本文将对在平地、沟槽、高台、不同管径管道，以及壁面等系列环境中运动、作业的多功能车进行介绍．

2.1 多功能车在平地上进行基本运动

如图6所示，多功能车在平地上进行基本运动时，以1号车为主车，2号车为辅车进行移动．可以实现2号车一定范围内升起，1号车进行单车作业，即在平地上既可以如a所示双车运动，又可以2号车升起，仅由1号车驱动运动．结合图3、图9所示可知，最大跨越时为1号车支撑，此时为多功能车平地和跨槽最大起动位置，建模模型以A点为支点，1号车为机架，由静平衡条件得：

其中：1、3为最大跨越时杆件夹角．

2.2 多功能车实现沟槽越障的运动

由图7可知，多功能车遇沟槽时即处处，首先升起2号车，1号车运动；然后处释放2号车，此时实现单车跨沟，处运转功能原理为：由1号车、杆1、杆2、固定2号车（机架）组成四杆曲柄滑块机构；在处实现1号、2号车同时跨过沟槽．

如图8所示，此时多功能车组成四杆曲柄滑块机构1、2分别为对应铰链中心，点为驱动源3处铰链，1点为点对应的一个极位位置，由曲柄存在的条件可知：3+2+2-10≤1，为使材料最节省即让杆长最短，由条件可知当3+2+0=1（2）时，材料最短．

如图9所示，设多功能车最大跨越沟槽宽度为3．由图中的几何关系可知：

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）

由图10所示，以B点为支点，即2号车为机架，由力矩平衡有：

(0+1)(12)=3(2+2-10)+2-120（6）

2.3 多功能车高台作业

如图11所示，多功能车实现最大爬坡功能，由处到处实现高台爬越准备工作，处实现高台工作．多功能车最高工作高度建模如图所示，由分析可知，当杆2摆动至车底部极限位置，1竖直位置时为多功能车最大爬升高度，其中为最高平台高度．如图12所示，根据所示模型几何关系，可推知：

2·((2+02)1/2+1)-1=（7）

3 对特定条件下的多功能车的分析

由于条件的限制，只能列几种一般的环境状态，因此所得设计约束条件较少、变量参数较多，为了实现功能车的设计，选取一定已知条件．

3.1 选取特定环境参数

多功能车各质量参数为：1=10，2=20，3=30；多功能车结构参数为：1=40，2=50，3=60，4=70，=80，5=90，=100（其中：1，2，3，4，5，6，7，8，9，10为比例系数）．

选取多功能车特定环境条件：6=1；7=5；8=7；10=0.5．由公式（1）、（2）、（3）、（4）、（5）、（6）、（7）可推知多功能车设计关键结构参数如表1所示（9=5.93时为滑行距离，抬升时取9=5）．

表1 关键结构参数

图14 多功能车沿弯曲管道运动图 图15 多功能车竖直方向模型分析图 图16 M随的变化规律

3.2 特定环境参数下的多功能车特殊结构环境分析

多功能车在表1所示环境下，我们将分析其壁面环境作业情况，以及在不同管径管道、腔体内的运动情况，并对其关键部位进行分析．（1）壁面环境分析．图13为多功能车壁面作业示意图，处位于静止状态，处2号车升起，（）处通过2号车与连杆2之间连接的动力源2驱动，调整姿态实现多功能车的壁面作业活动．该功能对多功能车结构设计影响不大，不做建模分析．（2）不同管径环境分析．如图14所示多功能车由平地进入管道，l处时抬起2号车，处2号车驱动源转动2号车体，调整姿态实现多功能车车进入管道状态，处随着车体的运动不断调整姿态以适应不同管径管道，处多功能车进入垂直姿态位置．由于管道环境较为复杂，管道有垂直放置型、倾斜放置型、水平放置型等，包括管径、腔体大小的改变，因此，本文从极端环境入手分析其关键参数．

图15为多功能车处于竖直方向，位于管径条件下的状态，其中1、2为墙体对两车压力，0，1，2，3分别为对应部位质量，0，1，2，3为对应重力，1，2为驱动源3处所需提供的支撑扭矩，1，2分别为两车对应处摩擦力，3为连杆1，2夹角、4为连杆1与水平面之间的夹角，由结构尺寸可知：

1cos(4)+1cos(34)=0.50（8）

竖直方向受力平衡：(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）

模型关于点的力矩平衡式为（点为管道中心线与过1号、2号车竖直方向距离中点水平线交点．）：

取=5.50，1=0.1，30°≤4≤70°，参考表1条件参数，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))

则3处动力源需提供扭矩大小为：

其中：3=arccos(1.45-1.58cos(4))4（3处动力源一般选取步进电机或电机加增力机构，对杆1，2作用力矩大小相等，即=(1,2)），则3处驱动源处所需提供扭矩随4的变化规律如图16所示，随着4的增大，扭矩不断增大，因此考虑到功能车在不同管径中运动姿态调整，应在电机选型时参考最大力矩情况，根据图可知该处最大需要提供力矩大小为：M=2.7200/．

综上所述，本文通过2号车抬升动作最大静平衡条件、最大跨槽环境静平衡条件、四连杆机构曲柄存在的条件、2号车最高高台作业条件，求出多功能车重要基本参数，结合上述条件选取一定条件，分析多功能车在管道中的模型，求出最佳姿态3处驱动源需要提供扭矩与姿态调整角度4之间的关系，并求出最大扭矩．通过以上内容分析，本文提出了根据任务解决过程中的问题并结合机械原理知识的机构设计方案，建立多功能车各种状态环境模型，并求出关键参数，为后续多功能车的开发设计提供技术支持．

[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] 刘怀广.平面受控低副五杆机构虚拟设计系统的研究[D].武汉：武汉科技大学，2007.

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

（责任编辑：于开红）

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，重庆三峡学院教师，主要研究移动机器人．

重庆市科技传播与普及项目：重庆三峡学院科普基地-面向万州区大中小学生科技创新知识普及（编号：cstc2015kp-sfhdA0013）阶段性成果