基于變胞原理的變自由度機構(gòu)的應(yīng)用研究

蘇昱景，陳緒林

(重慶文理學(xué)院機電工程學(xué)院，重慶 永川 402160)

變胞機構(gòu)是一種可根據(jù)實際工況和環(huán)境空間以及機構(gòu)運動動作的要求進(jìn)行重組而使機構(gòu)自由度發(fā)生變化的新型機構(gòu)，在1998年第25 屆ASME機構(gòu)學(xué)與機器人學(xué)雙年會上被提出［1］.戴建生教授與張啟先院士首次將變胞機構(gòu)的概念引入我國［2-3］.經(jīng)過國內(nèi)外學(xué)者10 余年的研究，變胞機構(gòu)的理論取得了很大的發(fā)展［2-4］，由于變胞機構(gòu)具有可變多自由度，比傳統(tǒng)的機構(gòu)更加靈活，它在工業(yè)機器人以及航空航天領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景.

1 變胞機構(gòu)的基本原理

目前對變胞機構(gòu)和變拓?fù)錂C構(gòu)還沒有嚴(yán)格的界定，通常認(rèn)為變胞原理就是根據(jù)實際工程需要，采用一定的設(shè)計和構(gòu)建方法，通過機構(gòu)的幾何結(jié)構(gòu)的變化實現(xiàn)機構(gòu)自由度的變化.一般情況下，這類機構(gòu)在發(fā)生一次或一次以上自由度的變化以后仍然具有運動能力［2-3］.常用的一般剛性變胞機構(gòu)由剛性桿件和傳統(tǒng)的運動副組成，因此運動副在變胞機構(gòu)分析設(shè)計中具有重要的地位.

1.1 變約束運動副

構(gòu)件在運動副中的接觸的位置不同，導(dǎo)致運動副的約束數(shù)發(fā)生改變的變胞運動副主要有以下兩種:

1)槽銷副.如圖1所示，該構(gòu)件由圓柱銷與銷槽組成，圓柱銷在銷槽內(nèi)運動.功能特點為:當(dāng)圓柱銷在銷槽中處于不同的位置時，該運動副產(chǎn)生不同的約束數(shù).當(dāng)圓柱銷位于銷槽的兩端位置不變時，圓柱銷只能轉(zhuǎn)動，槽銷副產(chǎn)生2 個約束，由高副轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)動副;當(dāng)圓柱銷位于槽的兩端點以外的任意位置(如圖中虛線部分)時，槽銷副提供1 個約束，保留了轉(zhuǎn)動和直線運動2 個自由度.

圖1 槽銷副

2)間隙轉(zhuǎn)動副.如圖2所示，圓柱銷的直徑小于銷孔的直徑，銷軸和銷孔之間有足夠間隙使圓柱銷在孔內(nèi)能移動.如果圓柱銷在銷孔中的位置固定不變，則該運動副產(chǎn)生2 個約束，相當(dāng)于轉(zhuǎn)動副;如果圓柱銷在銷孔中的位置發(fā)生位移，如A→B，則該運動副具有1 個約束，相當(dāng)于高副.

圖2 間隙轉(zhuǎn)動副

1.2 組合運動副

圖3為移動副和轉(zhuǎn)動副組合形成的運動副.移動副和轉(zhuǎn)動副組合提供4 個約束，因此該運動副具有2 個自由度，相當(dāng)于1 個高副.當(dāng)滑塊3的位置在槽的兩端時，構(gòu)件2、3 連結(jié)成一體，高副將演變?yōu)檗D(zhuǎn)動副，提供2 個約束，此時該運動副有一個自由度，因此包含該運動副的機構(gòu)可為變胞機構(gòu).

圖3 移動副和轉(zhuǎn)動副的組合

1.3 一種停歇式變胞機構(gòu)

現(xiàn)對圖3的組合運動副進(jìn)行改進(jìn)，在槽內(nèi)加上彈簧.彈簧的一端固定在槽內(nèi)，一端與滑塊B 接觸，并將它應(yīng)用到曲柄滑塊機構(gòu)中，如圖4所示.

傳統(tǒng)的曲柄滑塊機構(gòu)的L1和L2是剛性連桿，現(xiàn)將曲柄滑塊機構(gòu)的曲柄和連桿換成上述L1和L2．L2和滑塊B 由鉸鏈連接，滑塊B 被彈簧壓緊位于槽內(nèi)頂端，槽的A 端固定于機架上．E 為一擋塊，在機構(gòu)靜止或滑塊D 在碰到擋塊E 之前的運動時的自由度為:

F = 3n －2Pl－ Ph= 3 ×4 －2 ×5 = 2

2013年，勵麗開始整理報告，希望能夠說服衛(wèi)生部門開辦“基層全科醫(yī)生慢性病綜合管理培訓(xùn)班”，并由寧波一院來實施。

當(dāng)機構(gòu)在運功過程中碰到擋塊E 時，滑塊D停止運動，而滑塊B 則克服彈簧的阻力沿BA 方向繼續(xù)運動，此時機構(gòu)的自由度為:

F = 3n －2Pl－ Ph= 3 ×4 －2 ×5 －1 = 1

自由度由2 變?yōu)?，機構(gòu)可以繼續(xù)運動．可見，此時通常的曲柄滑塊機構(gòu)因為原構(gòu)件的形態(tài)及機構(gòu)自由度發(fā)生變化，可視之為變胞機構(gòu)．

圖4 停歇式變胞機構(gòu)

2 應(yīng)用舉例

當(dāng)機器的輸入荷載太大時，機構(gòu)可能發(fā)生過載．應(yīng)用變胞機構(gòu)使機構(gòu)的自由度和構(gòu)件狀態(tài)發(fā)生變化，從而使機構(gòu)在過載時還能繼續(xù)運動，可減小構(gòu)件的受力，對構(gòu)件進(jìn)行過載保護(hù)．圖5為帶安全保護(hù)的新式顎式破碎機［5］，正常情況下構(gòu)件6由兩端的剎車剎緊，使其不能轉(zhuǎn)動，自由度為［6］:

F = 3n －2pl－ ph= 3 ×5 －2 ×7 = 1

圖5 顎式破碎機改進(jìn)一

若遇到難碎的石塊M 時，構(gòu)件6 將克服摩擦力矩，能繞G 點轉(zhuǎn)動，使自由度變?yōu)?

這樣可以保證主要部件(動顎板)不致受力太大，從而減少磨損．

同樣應(yīng)用變胞機構(gòu)得到顎式破碎機的另一種改進(jìn)方式，如圖6所示．

圖6 顎式破碎機改進(jìn)二

將顎式破碎機的曲柄及構(gòu)件2 改為上述停歇式變胞機構(gòu)，槽的一端固定于機架上，構(gòu)件2鉸接在滑塊B 上，滑塊在槽的內(nèi)部由彈簧壓緊固定于槽的A 端，顎式破碎機正常工作時，構(gòu)件2 與滑塊B 相當(dāng)于轉(zhuǎn)動副，OA 相當(dāng)于曲柄，自由度與原機構(gòu)相同，為:

F = 3n －2pl－ ph= 3 ×5 －2 ×7 －0 = 1

當(dāng)執(zhí)行構(gòu)件動顎板遇到難碎石塊時，原動件OA 將停止轉(zhuǎn)動，但滑塊B 克服彈簧彈力繼續(xù)運動，此時機構(gòu)的自由度為

F = 3n －2pl－ ph= 3 ×5 －2 ×6 －1 = 2

由于滑塊B 的繼續(xù)運動，使顎式破碎機的執(zhí)行構(gòu)件動顎板及原動件OA 的受力減小，從而保護(hù)了顎式破碎機的動顎板及曲柄等主要部件．

變胞機構(gòu)還可應(yīng)用于制動裝置．圖7為二自由度七桿剎車機構(gòu)［7］，未剎車時，機構(gòu)的自由度為:

F = 3n － (2pl+ ph－ p')－ F'= 3 ×6 － (2 ×8 +0 －0)－0 = 2

圖7 二自由度七桿剎車機構(gòu)

機構(gòu)的自由度在剎車過程中，操作桿1 向右拉，一塊制動瓦(構(gòu)件6)與車輪抱緊，相當(dāng)于一個構(gòu)件轉(zhuǎn)變?yōu)闄C架，這時機構(gòu)自由度為:

F = 3n － (2pl+ ph－ p')－ F'= 3 ×5 － (2 ×7 +0 －0)－0 = 1

接著另一塊制動瓦(構(gòu)件5)再從另一側(cè)與車輪抱緊，機構(gòu)自由度變?yōu)?

F = 3n － (2pl+ ph－ p')－ F'= 3 ×4 － (2 ×6 +0 －0)－0 = 0 ，

從而達(dá)到穩(wěn)定剎車的目的．

3 結(jié)語

傳統(tǒng)的機構(gòu)只具有固定的自由度，有時不能滿足機械中對機構(gòu)具有柔性的要求，當(dāng)機構(gòu)可能發(fā)生過載或要求機構(gòu)具有靈活的自由度時，可利用變胞機構(gòu)使機構(gòu)在滿足功能的同時，受力性能及結(jié)構(gòu)功能更加優(yōu)化.通過對變胞機構(gòu)理論所涉及到的圖論、機構(gòu)學(xué)、動力學(xué)等的深入研究，變胞機構(gòu)在機械制造、航空航天以及機器人和便攜器具設(shè)計等領(lǐng)域必將具有廣泛的應(yīng)用.

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