新型大工作空間仿生被動(dòng)球面鉸鏈構(gòu)型及工作空間分析

邱雪松　楊　龍　侯雨雷　周玉林

燕山大學(xué)，秦皇島，066004

新型大工作空間仿生被動(dòng)球面鉸鏈構(gòu)型及工作空間分析

邱雪松楊龍侯雨雷周玉林

燕山大學(xué)，秦皇島，066004

被動(dòng)球面鉸鏈?zhǔn)菢?gòu)成機(jī)構(gòu)的基本單元之一，但是，較小的工作空間制約了其在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。以普通被動(dòng)球面鉸鏈為原型，在對(duì)其結(jié)構(gòu)及工作空間進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，采用運(yùn)動(dòng)與約束單項(xiàng)分解、交叉匹配的方法，提出并設(shè)計(jì)完成了具有較大工作空間的雙耳支架固定型被動(dòng)球面鉸鏈和球/窩換位型被動(dòng)球面鉸鏈；基于仿生設(shè)計(jì)理論，對(duì)照人體肱骨結(jié)構(gòu)，提出偏置輸出的設(shè)計(jì)新思想，進(jìn)而，設(shè)計(jì)完成具有大工作空間的偏置輸出的橫向剖分球窩型被動(dòng)球面鉸鏈和偏置輸出的球/窩換位型被動(dòng)球面鉸鏈；建立兩空間映射的函數(shù)方程。分析發(fā)現(xiàn)，隨著鉸鏈輸出桿偏置角的增大，鉸鏈的工作空間隨之增大，并且形狀發(fā)生相應(yīng)變化。所提出的新型鉸鏈，解決了被動(dòng)球面鉸鏈因工作空間小而在工程應(yīng)用中受到限制的問題，對(duì)新型被動(dòng)球面鉸鏈的研制具有理論指導(dǎo)意義和工程實(shí)踐價(jià)值。

球面鉸鏈；大工作空間；仿生；偏置輸出

0　引言

被動(dòng)球面鉸鏈?zhǔn)且环N可轉(zhuǎn)動(dòng)連接，通常由固連輸出桿的球頭與固連支撐桿的球窩構(gòu)成，當(dāng)一端固定時(shí)，另一端具有三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，是機(jī)構(gòu)學(xué)中基本的運(yùn)動(dòng)單元之一。

目前，國內(nèi)外對(duì)球面鉸鏈的研究多針對(duì)具體應(yīng)用場(chǎng)合。高金蓮等[1]利用球鉸極限轉(zhuǎn)角不對(duì)稱的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)完成了3-RSS/S型踝關(guān)節(jié)康復(fù)并聯(lián)機(jī)器人球鉸鏈，并給出了球鉸鏈仿真設(shè)計(jì)法的一般步驟。Heisel等[2]設(shè)計(jì)了一種可控制的球面鉸鏈，用來決定六足機(jī)器人的工作空間。Doru[3]提出了角能量函數(shù)的概念，用來表述球面鉸鏈的結(jié)構(gòu)所允許的運(yùn)動(dòng)范圍。鄧志誠等[4]提出了一種用于可重構(gòu)移動(dòng)機(jī)器人的主動(dòng)球鉸，既滿足了機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸要求，又能提供較大的輸出力矩和工作空間。崔學(xué)良等[5]針對(duì)大載荷和大姿態(tài)要求的工況，設(shè)計(jì)了一種由三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副組成的，具有高剛度、大偏轉(zhuǎn)角的復(fù)合鉸鏈。張林初等[6]設(shè)計(jì)了一種新型球鉸裝置，以滿足飛機(jī)大部件與通用工裝快速聯(lián)接形成球鉸的要求，并能夠在調(diào)姿完成后夾緊以防止轉(zhuǎn)動(dòng)。王巍等[7]將兩個(gè)絲杠搖塊機(jī)構(gòu)支鏈并聯(lián)且與一個(gè)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)串聯(lián)，構(gòu)成主動(dòng)球鉸機(jī)構(gòu)。周玉林等[8]發(fā)明了一種輸出桿擺動(dòng)空間大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小的球面鉸鏈。在工作空間分析方面，孫立寧等[9]通過對(duì)虎克鉸工作空間詳細(xì)地仿真和研究，建立了分析此類問題的模型擬合法和更加精確的模型解析法。張立杰等[10]研究了球面二自由度5R并聯(lián)機(jī)器人的理論工作空間形成原理，根據(jù)理論工作空間的形成條件建立該并聯(lián)機(jī)器人的設(shè)計(jì)空間。曹永剛等[11]利用全局搜索法得到6-RSS機(jī)構(gòu)的一組最優(yōu)機(jī)構(gòu)參數(shù)，在機(jī)構(gòu)整體尺寸基本不變情況下使工作空間增大60%。

現(xiàn)有對(duì)被動(dòng)球面鉸鏈的研究，多針對(duì)具體的目標(biāo)要求，設(shè)計(jì)具有特殊結(jié)構(gòu)的被動(dòng)球面鉸鏈，而被動(dòng)球面鉸鏈工作空間小的問題，一直沒有很好的解決方法，這非常不利于其實(shí)際工程應(yīng)用。如含有被動(dòng)球面鉸鏈的并聯(lián)機(jī)床，因受球面鉸鏈工作空間小的制約，無法實(shí)現(xiàn)較大的工作空間要求；人形機(jī)器人中的球面(關(guān)節(jié))鉸鏈工作空間小而不能滿足肢體運(yùn)動(dòng)要求等，因此，設(shè)計(jì)一種具有大工作空間的被動(dòng)球面鉸鏈具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

本文針對(duì)普通被動(dòng)球面鉸鏈工作空間較小的問題，首先提出具有較大工作空間的新型被動(dòng)球面鉸鏈構(gòu)型；然后依據(jù)仿生設(shè)計(jì)思想，提出偏置輸出的設(shè)計(jì)思想，進(jìn)一步設(shè)計(jì)完成具有大工作空間的新型被動(dòng)球面鉸鏈，并對(duì)其工作空間進(jìn)行了分析。研究工作對(duì)新型球面鉸鏈的設(shè)計(jì)具有理論指導(dǎo)意義。

1　普通被動(dòng)球面鉸鏈結(jié)構(gòu)及工作空間

一般被動(dòng)球面鉸鏈的結(jié)構(gòu)有兩種形式，如圖1所示。其中圖1a所示為橫向剖分球窩型，即被過球心且與支撐桿軸線垂直的橫向剖面分割成兩部分，與支撐桿固連的半球窩稱為支撐球窩，另一部分套裝于輸出桿上的環(huán)形結(jié)構(gòu)稱為約束球窩，并與支撐球窩固連，從而限制球頭及輸出桿的線位移；圖1b所示為縱向剖分球窩型，即過支撐桿軸線的縱向剖面將鉸鏈分割成對(duì)稱的兩半，兩個(gè)半球窩扣在一起含住球頭，然后再彼此固連[12]。

(a)橫向剖分球窩型(b)縱向剖分球窩型圖1　典型被動(dòng)球面鉸鏈結(jié)構(gòu)

取球心點(diǎn)O為原點(diǎn)，建立固定坐標(biāo)系Oxyz，其中，z軸穿過球心與下支撐桿軸線重合，正向向上；y軸穿過球心與z軸垂直，正向向右；x軸由右手螺旋法則確定。

輸出桿繞x軸、y軸的擺角為

φ=90°-arcsin(r/r0)-arcsin(h/r0)

(1)

式中，r為輸出桿的半徑；h為約束球窩的高度；r0為球頭半徑。

動(dòng)力傳動(dòng)中，為保證機(jī)構(gòu)強(qiáng)度，一般情況下鉸鏈輸出桿半徑、約束球窩的高度不能太小，取r/r0=0.25，h/r0=0.3，則φ=58.07°。

因此，一般被動(dòng)球面輸出桿繞x軸、y軸的擺動(dòng)范圍不會(huì)超過(-58°,58°)。若要獲得更大空間，必須改變構(gòu)件之間的相對(duì)關(guān)系，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)等效轉(zhuǎn)換。

2　具有較大工作空間的被動(dòng)球面鉸鏈

將橫向剖分球窩型被動(dòng)球面鉸鏈作為設(shè)計(jì)原型機(jī)構(gòu)。由式(1)可以看出，增大鉸鏈的球半徑，可使輸出桿繞x軸、y軸的擺角φ增大，但是鉸鏈的體積亦會(huì)隨之增大。

將約束球窩的半徑增大，變成一個(gè)新的大尺寸約束球窩，并且與支撐球窩分開，同時(shí)，在兩者之間增設(shè)滾動(dòng)支撐件、形成一個(gè)等效球頭，使其一端滿足支撐球窩的接觸受力與運(yùn)動(dòng)要求，另一端滿足約束球窩的運(yùn)動(dòng)要求，則可以在增大鉸鏈輸出桿擺動(dòng)范圍的同時(shí)，將鉸鏈體積控制在較小范圍內(nèi)。

根據(jù)上述設(shè)想，提出具有較大工作空間的被動(dòng)球面鉸鏈的設(shè)計(jì)規(guī)則如下：

(1)保持傳統(tǒng)被動(dòng)球面鉸鏈的運(yùn)動(dòng)特征不變，將繞任意軸的三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)等效為繞三個(gè)正交軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。

(2)保持支撐球窩半徑不變，增大約束球窩半徑，采用支撐球窩與約束球窩分離的結(jié)構(gòu)。

(3)彼此分離的兩球窩之間，設(shè)計(jì)特殊的可動(dòng)支撐、形成等效球頭或等效球頭-球窩結(jié)構(gòu)。

2.1雙耳支架固定型被動(dòng)球面鉸鏈

圖2所示為設(shè)計(jì)的新型大空間的雙耳支架固定型被動(dòng)球面鉸鏈。雙耳支架與下支撐桿固連。U形撥叉為半圓弧形柱面組合體，在其軸向?qū)挾戎虚g平面內(nèi)，沿圓周方向有徑向內(nèi)外通透的封閉長(zhǎng)槽；兩端設(shè)有銷孔，裝在雙耳支架的外側(cè)，可繞裝在雙耳支架兩側(cè)的銷軸往復(fù)擺動(dòng)。

1.支撐球窩　2.銷軸　3.U形撥叉　4.球頭　5.輸出桿 6.旋轉(zhuǎn)支架　7.支撐銷軸　8.支撐輥　9.銷軸 10.雙耳支架　11.下支撐桿圖2　雙耳支架固定型被動(dòng)球面鉸鏈

旋轉(zhuǎn)支架(可動(dòng)支撐件)為回轉(zhuǎn)體，中間為圓柱形孔，前后各安裝有支撐銷軸，一對(duì)支撐輥對(duì)稱裝于相應(yīng)的兩個(gè)銷軸上，可相對(duì)輸出桿轉(zhuǎn)動(dòng)。

輸出桿為階梯形軸，中間設(shè)有軸向定位臺(tái)階，旋轉(zhuǎn)支架連同裝在其上的支撐銷軸、支撐輥一起套裝在輸出桿上。位于旋轉(zhuǎn)支架上的支撐輥與U形撥叉圓弧內(nèi)表面接觸，支撐輥的軸線與U形撥叉圓柱面的軸線平行，以實(shí)現(xiàn)支撐。輸出桿下端與球頭對(duì)心固定并置于支撐球窩中構(gòu)成球面運(yùn)動(dòng)副。

輸出桿具有正交的三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)：沿槽側(cè)壁往復(fù)擺動(dòng)；與U形撥叉一起，繞裝在雙耳支架兩側(cè)的銷軸往復(fù)擺動(dòng)；繞輸出桿軸線不受限制地獨(dú)立旋轉(zhuǎn)。

等效球頭由旋轉(zhuǎn)支架、支承銷軸、支撐輥、輸出桿階梯部分下端球頭構(gòu)成。

取球心點(diǎn)O為原點(diǎn)，建立固定坐標(biāo)系Oxyz，其中，y軸穿過球心與雙耳支架兩側(cè)銷軸的軸線重合，正向向右；z軸穿過球心與下支撐桿軸線重合，正向向上；x軸由右手螺旋法則確定。

輸出桿繞x軸擺角為

φx=90°-arcsin(rm/R0m)-arcsin(hm/R0m)

其中，hm為雙耳支架的銷軸軸線到上邊界的高度，R0m為U形撥叉的半徑。取rm/R0m=0.25，hm/R0m=0.2，則φx=63.99°。

輸出桿繞y軸擺角為

φy=90°-arcsin(rm/r0m)

其中，rm為輸出桿的半徑，r0m為球半徑。取rm/r0m=0.25，則φy=75.52°。

因此，雙耳支架固定型被動(dòng)球面鉸鏈輸出桿繞x軸擺動(dòng)范圍約為(-64°,64°)；繞y軸擺動(dòng)范圍約為(-76°,76°)；繞自身軸線的旋轉(zhuǎn)不受限制。與傳統(tǒng)被動(dòng)球面鉸鏈比較，輸出桿繞x軸、y軸擺動(dòng)范圍分別增大16°(13%)、36°(31%)。

2.2球/窩換位型被動(dòng)球面鉸鏈

觀察圖2發(fā)現(xiàn)，上述被動(dòng)球面鉸鏈在結(jié)構(gòu)上存在一個(gè)缺點(diǎn)：當(dāng)輸出桿繞y軸擺角較大，且輸出桿所受軸線方向壓力較大時(shí)，球頭容易從球窩中脫出。這一點(diǎn)已被人體的肩、髖關(guān)節(jié)的脫臼所證實(shí)。所以，對(duì)其結(jié)構(gòu)做進(jìn)一步改進(jìn)，提出新的球/窩換位型被動(dòng)球面鉸鏈結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

1.銷軸　2.U形撥叉　3.球頭　4.輸出桿　5.旋轉(zhuǎn)支架 6.支撐銷軸　7.支撐輥　8.銷軸　9.雙耳支架 10.下支撐桿　11.活動(dòng)球窩圖3　球/窩換位型被動(dòng)球面鉸鏈

與雙耳支架固定型被動(dòng)球面鉸鏈相比，球/窩換位型被動(dòng)球面鉸鏈結(jié)構(gòu)的不同之處為：球頭與支撐球窩的位置對(duì)調(diào)，即球頭與下支撐桿在球心點(diǎn)對(duì)心固定，而支撐球窩的尺寸由原來的半球減小為球缺，成為活動(dòng)球窩，與輸出桿在下端(以輸出桿軸線與活動(dòng)球窩回轉(zhuǎn)軸線重合為條件)固定，活動(dòng)球窩與固定球頭接觸構(gòu)成球面副；U形撥叉置于雙耳支架內(nèi)側(cè)，消除了旋轉(zhuǎn)支撐架隨輸出桿運(yùn)動(dòng)到兩側(cè)時(shí)與雙耳支架的硬干涉。

活動(dòng)球窩變小，一定程度上避免了構(gòu)件間的硬干涉，輸出桿的擺動(dòng)范圍變大；另外，活動(dòng)球窩與球頭之間的作用力始終位于兩者的法線上，即作用線過輸出桿軸線與球心。這樣受力更加合理，解決了輸出桿處于極限位置時(shí)，球窩與球頭容易脫臼的問題。

類似地，取球心點(diǎn)O為原點(diǎn)，建立固定坐標(biāo)系Oxyz。球/窩換位型被動(dòng)球面鉸鏈輸出桿繞x軸、y軸擺動(dòng)范圍分別約為(-68°,68°)、(-110°,110°)；繞自身軸線的旋轉(zhuǎn)不受限制。與傳統(tǒng)被動(dòng)球面鉸鏈比較，輸出桿繞x軸、y軸擺動(dòng)范圍分別增大20°(17%)、104°(90%)。

3　偏置輸出的設(shè)計(jì)思想

經(jīng)過改造所設(shè)計(jì)的新型雙耳支架固定型被動(dòng)球面鉸鏈和球/窩換位型被動(dòng)球面鉸鏈，工作空間雖然較傳統(tǒng)球面副有一定程度的增大，但仍難以滿足工程上對(duì)被動(dòng)球面鉸鏈工作空間的應(yīng)用需求。

分析發(fā)現(xiàn)，上述被動(dòng)球面鉸鏈的工作空間完全由輸出桿的兩方向擺角決定，雖然輸出桿繞自身軸線的旋轉(zhuǎn)不受限制，但是沒有反映到鉸鏈的輸出運(yùn)動(dòng)中，即繞自身軸線的旋轉(zhuǎn)對(duì)鉸鏈輸出的作用被掩蓋了。

人體髖關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)屬于傳統(tǒng)的被動(dòng)球面鉸鏈結(jié)構(gòu)[13]，但是其運(yùn)動(dòng)空間明顯遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)被動(dòng)球面鉸鏈的工作空間。觀察發(fā)現(xiàn)，人體股骨與傳統(tǒng)被動(dòng)球面鉸鏈的輸出桿有明顯的不同：股骨整體呈彎拐狀，股骨頸與股骨體夾角[14]為55°～62°,如圖4所示。

圖4　人體股骨結(jié)構(gòu)

對(duì)比人體股骨結(jié)構(gòu)可知，上述被動(dòng)球面鉸鏈輸出桿繞自身軸線的旋轉(zhuǎn)對(duì)輸出的作用被掩蓋的根本原因是：輸出桿的軸線始終與其旋轉(zhuǎn)軸線重合。

依據(jù)仿生設(shè)計(jì)原則，提出鉸鏈輸出桿偏置的設(shè)計(jì)思想，即輸出桿軸線向任意方向偏折而離開其旋轉(zhuǎn)軸線，釋放輸出桿繞原自身軸線的旋轉(zhuǎn)對(duì)鉸鏈輸出范圍的影響，從而進(jìn)一步擴(kuò)大鉸鏈的工作空間。

4　偏置輸出的橫向剖分球窩型被動(dòng)球面鉸鏈及其工作空間分析

4.1偏置輸出的橫向剖分球窩型被動(dòng)球面鉸鏈

以橫向剖分球窩型傳統(tǒng)被動(dòng)球面鉸鏈為原型，將原輸出桿在中心附近的一部分保留，稱為直輸出桿，余下的部分向任意方向偏折某一角度使其軸線偏離直輸出桿軸線，稱為偏置輸出桿，形成新型偏置輸出的橫向剖分球窩型被動(dòng)球面鉸鏈，如圖5所示。

圖5　偏置輸出的橫向剖分球窩型被動(dòng)球面鉸鏈

偏置輸出桿軸線與直輸出桿軸線的夾角稱為偏擺角αh，偏擺方向?yàn)槿我獾?。偏置輸出桿軸線末端點(diǎn)P與球心點(diǎn)的連線OP是實(shí)際的輸出桿軸線，它與直輸出桿軸線的夾角稱為偏置角t。

4.2新型鉸鏈與原型鉸鏈工作空間的映射函數(shù)

取鉸鏈的球心點(diǎn)O為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立固定坐標(biāo)系Ox0y0z0、動(dòng)坐標(biāo)系Oxyz和偏置坐標(biāo)系Ox1y1z1。

其中，固定坐標(biāo)系與下支撐桿固連,z0軸與下支撐桿軸線重合，正向向上,y0軸穿過球心與z軸垂直，正向向右,x0軸由右手螺旋法則確定；動(dòng)坐標(biāo)系與直輸出桿固連，初始位置與固定坐標(biāo)系正向重合，即x軸、y軸、z軸分別與x0軸、y0軸、z0軸正向重合；偏置坐標(biāo)系與輸出桿整體固連，假定直輸出桿和偏置輸出桿所構(gòu)成的平面與Ozy面重合，取OP為z1軸，正向向外，x1軸與x軸正向重合，y1軸由右手螺旋法則確定。

動(dòng)坐標(biāo)系Oxyz的運(yùn)動(dòng)空間表達(dá)了橫向剖分球窩型傳統(tǒng)被動(dòng)球面鉸鏈的工作空間；偏置坐標(biāo)系Ox1y1z1的運(yùn)動(dòng)空間表達(dá)了偏置輸出的橫向剖分球窩型被動(dòng)球面鉸鏈的工作空間。根據(jù)空間映射原理，這兩個(gè)工作空間存在一定的映射關(guān)系。

式中，cφx=cosφx、sφx=sinφx，其余類似；左上下標(biāo)C、D分別表示動(dòng)坐標(biāo)系、固定坐標(biāo)系。

偏置坐標(biāo)系在動(dòng)坐標(biāo)系下的描述矩陣為

式中，左下標(biāo)P表示偏置坐標(biāo)系。

所以，偏置坐標(biāo)系經(jīng)動(dòng)坐標(biāo)系，在固定坐標(biāo)系下的描述矩陣為

由此，得到偏置輸出的橫向剖分球窩型被動(dòng)球面鉸鏈工作空間與橫向剖分球窩型傳統(tǒng)被動(dòng)球面鉸鏈工作空間的映射：

4.3偏置輸出的橫向剖分球窩型被動(dòng)球面鉸鏈的工作空間

為避免輸出桿和約束球窩之間的干涉，偏置角t的最大值可取為90°。隨著偏置角t的增大，鉸鏈的工作空間逐漸變大，并且形狀發(fā)生相應(yīng)變化。

(1)當(dāng)0≤t<φ0(φ0為傳統(tǒng)被動(dòng)球面鉸鏈的極限擺角)時(shí)，鉸鏈的工作空間逐漸由原來的小球缺變?yōu)榇笄蛉薄⑿∏蚬?，如圖6所示。

圖6　當(dāng)0≤t<φ0時(shí)，偏置輸出的橫向剖分球窩型被動(dòng)球面鉸鏈的工作空間

(2)當(dāng)t=φ0時(shí)，鉸鏈的工作空間變?yōu)榍蚬?，如圖7所示。此時(shí)工作空間最大，且無空洞。

圖7　當(dāng)t=φ0時(shí)，偏置輸出的橫向剖分球窩型被動(dòng)球面鉸鏈的工作空間

(3)當(dāng)φ0

圖8　當(dāng)φ0

(4)當(dāng)t=90°時(shí)，鉸鏈的工作空間變?yōu)閷?duì)稱球面環(huán)帶，如圖9所示。此時(shí)工作空間出現(xiàn)對(duì)稱空洞。

圖9　當(dāng)t=90°時(shí)，偏置輸出的橫向剖分球窩型被動(dòng)球面鉸鏈的工作空間

當(dāng)偏置角t=90°時(shí)，輸出桿繞x0軸、y0軸的最大擺動(dòng)范圍分別約為(-116°,116°)。

與傳統(tǒng)球面鉸鏈比較，工作空間進(jìn)一步增大，且形狀發(fā)生改變。

5　偏置輸出的球/窩換位型被動(dòng)球面鉸鏈及其工作空間分析

以球/窩換位型被動(dòng)球面鉸鏈為原型，對(duì)其輸出桿做偏置改進(jìn)，得到偏置輸出的球/窩換位型被動(dòng)球面鉸鏈，如圖10所示。

圖10　偏置輸出的球/窩轉(zhuǎn)換型被動(dòng)球面鉸鏈

類似地，取鉸鏈的球心點(diǎn)O為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立固定坐標(biāo)系Ox0y0z0、動(dòng)坐標(biāo)系Oxyz和偏置坐標(biāo)系Ox1y1z1。

圖10中，固定坐標(biāo)系與下支撐桿固連，z0軸穿過球心與下支撐桿軸線重合，正向向上，y0軸穿過球心與雙耳支架兩側(cè)銷軸的軸線重合，正向向右，x0軸由右手螺旋法則確定；動(dòng)坐標(biāo)系與直輸出桿固連，初始位置與固定坐標(biāo)系正向重合，即x軸、y軸、z軸分別與x0軸、y0軸、z0軸正向重合；偏置坐標(biāo)系與輸出桿整體固連，假定直輸出桿和偏置輸出桿所構(gòu)成的平面與Ozy面重合，取OP為z1軸，正向向外，x1軸與x軸重合，y1軸由右手螺旋法則確定。

同理，得到偏置輸出的球/窩換位型被動(dòng)球面鉸鏈工作空間和球/窩換位型被動(dòng)球面鉸鏈工作空間的映射關(guān)系：

隨著偏置角t的增大，鉸鏈的工作空間由對(duì)稱球缺逐漸變?yōu)榇笄蚬?，?dāng)t達(dá)到最大值時(shí)，其工作空間幾乎覆蓋了整個(gè)球面，如圖11所示。

圖11　偏置輸出的球/窩換位型被動(dòng)球面鉸鏈的工作空間

當(dāng)偏置角t達(dá)到最大值時(shí)，輸出桿繞x0軸、y0軸的最大擺動(dòng)范圍分別約為(-158°,158°)、(-180°,180°)，此時(shí)空間無空洞。

與球/窩換位型被動(dòng)球面鉸鏈相比，輸出桿繞x軸、y軸的擺動(dòng)范圍分別增大180°(132%)、140°(64%)。與傳統(tǒng)被動(dòng)球面鉸鏈相比，輸出桿繞x軸、y軸的擺動(dòng)范圍分別增大200°(176%)、244°(210%)。

6　結(jié)束語

本文基于普通球面鉸鏈，提出并設(shè)計(jì)完成具有較大工作空間的新型被動(dòng)球面鉸鏈；根據(jù)仿生設(shè)計(jì)理論，提出偏置輸出的設(shè)計(jì)思想，激活了繞z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)空間，進(jìn)而設(shè)計(jì)出具有大工作空間的被動(dòng)球面鉸鏈；依據(jù)空間映射原理，建立了新型鉸鏈與原型鉸鏈工作空間之間的映射函數(shù)，分析了新型鉸鏈工作空間特征。所提出的新型大工作空間仿生被動(dòng)球面鉸鏈解決了普通被動(dòng)球面鉸鏈工作空間小的根本問題，對(duì)工程中現(xiàn)有裝備的改進(jìn)和新型機(jī)械的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要意義。

[1]高金蓮，韓英強(qiáng)，李波,等. 并聯(lián)機(jī)器人球鉸鏈的仿真設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì), 2007, 24(2): 53-55.

GaoJinlian,HanYingqiang,LiBo,etal.SimulativeDesignontheGlobeHingeofParallelRobot[J].JournalofMachineDesign, 2007, 24(2): 53-55.

[2]HeiselU,StrutinskiyS,SidorkoV,etal.DevelopmentofControllableSphericalFluidFrictionHingesforExactSpatialMechanisms[J].ProductionEngineering, 2011, 5(3): 241-250.

[3]DoruT.TheAngularCapacityofSphericalJointsUsedinMechanismswithClosedLoopsandMultipleDegreesofFreedom[J].RoboticsandComputer-IntegratedManufacturing, 2012, 28(5): 637-647.

[4]鄧志誠，王巍，宗光華. 用于可重構(gòu)地面移動(dòng)機(jī)器人的主動(dòng)球鉸[J]. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 32(12):1455-1458.

DengZhicheng,WangWei,ZongGuanghua.ActiveSphericalJointforModularReconfigurableMobileRobot[J].JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics, 2006, 32(12):1455-1458.

[5]崔學(xué)良，韓先國，陳五一. 特殊復(fù)合鉸鏈3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)及其連續(xù)剛度模型[J]. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào), 2010, 36(11):1275-1280.

CuiXueliang,HanXianguo,ChenWuyi.ContinuousStiffnessModelingof3-RPSParallelKinematicMachinewithSpecialCompositeSphericalJoints[J].JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics, 2010, 36(11):1275-1280.

[6]張林初，蔣君俠. 一種新型球鉸裝置的設(shè)計(jì)與分析[J]. 機(jī)床與液壓, 2012, 40(22):1-4.

ZhangLinchu,JiangJunxia.DesignandAnalysisforaLate-modelBallSocketDevice[J].MachineTool&Hydraulics, 2012, 40(22):1-4.

[7]王巍,張厚祥,鄧志誠,等. 基于串并聯(lián)機(jī)構(gòu)的自重構(gòu)移動(dòng)機(jī)器人[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2008, 44(5): 92-101.

WangWei,ZhangHouxiang,DenZhicheng,etal.ReconfigurableMobileRobotBasedonSerialandParallelMechanism[J].ChineseJournalofMechanicalEngineering, 2008, 44(5): 92-101.

[8]周玉林，高峰. 具有大工作空間球面鉸鏈:中國,101334063A[P].2008-12-31.

[9]孫立寧,于凌濤,杜志江,等. 并聯(lián)機(jī)器人胡克鉸工作空間的研究與應(yīng)用[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2006, 42(8): 120-124.

SunLining,YuLingtao,DuZhijiang,etal.StudyandApplicationofWorkspaceonHookeJointinParallelRobot[J].ChineseJournalofMechanicalEngineering, 2006, 42(8): 120-124.

[10]張立杰,牛躍偉,李永泉,等. 基于工作空間的球面5R并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2007, 43(2): 55-59.

ZhangLijie,NiuYuewei,LiYongquan,etal.MechanismDesignofSpherical5RParallelManipulatorBasedonWorkspace[J].ChineseJournalofMechanicalEngineering, 2007, 43(2): 55-59.

[11]曹永剛,張玉茹,馬運(yùn)忠. 6-RSS型并聯(lián)機(jī)構(gòu)的工作空間分析與參數(shù)優(yōu)化[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2008, 44(1): 19-24.

CaoYonggang,ZhangYuru,MaYunzhong.WorkspaceAnalysisandParameterOptimizationof6-RSSParallelMechanism[J].ChineseJournalofMechanicalEngineering, 2008, 44(1): 19-24.

[12]侯雨雷, 胡鑫喆, 周玉林. 新型過約束球面并聯(lián)式關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)[J]. 中國機(jī)械工程, 2014, 25(6): 723-726,730.

HouYulei,HuXinzhe,ZhouYulin.BionicJointDesignBasedonaNovelOver-constrainedSphericalParallelMechanism[J].ChinaMechanicalEngineering, 2014, 25(6): 723-726,730.

[13]周玉林,高峰. 仿人機(jī)器人構(gòu)型[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2006, 42(11): 66-74.

ZhouYulin,GaoFeng.MechanismArchitectureofHumanoidRobot[J].ChineseJournalofMechanicalEngineering, 2006, 42(11): 66-74.

[14]FrankelH,NordinM, 黃慶森.股骨系統(tǒng)基本生物力學(xué)[M].天津：天津科學(xué)技術(shù)出版社，1986.

(編輯郭偉)

Configuration and Workspace Analysis of a Novel Bionic Passive Spherical Hinge with Large Workspace

Qiu XuesongYang LongHou YuleiZhou Yulin

Yanshan University,Qinhuangdao,Hebei,066004

The passive spherical hinge is one of the basic units of mechanisms, but the small workspace limits its applications in the design of general mechanical structure. The traditional passive spherical hinge was chosen herein as the prototype and its structure, workspace were analyzed. And then, the binaural bracket fixed type passive spherical hinge and the ball and socket interchanged type passive spherical hinge were proposed by the method of decomposing motion and constraint separately and staggered matching, and the workspaces of the two passive spherical hinges were large. The design idea of offset output was proposed according to the theory of bionic design and the structure of human humerus. Based on this design idea, the ball socket laterally split type passive spherical hinge with offset output and the ball and socket interchanged type passive spherical hinge with offset output were proposed, and the workspaces of the two passive spherical hinges were super large. It is shown that the workspaces increase and their appearance changes correspondingly in pace with the increase of the offset angle of the output rod.The proposed passive spherical hinge expands its application range in the field of the mechanical structure and it has theoretical significance for the development of novel passive spherical hinge.

spherical hinge; large workspace; bionic; offset output

2014-06-23

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51305384，51275443)；河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(E2012203034)；教育部科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(212012)；河北省高等學(xué)校科學(xué)技術(shù)研究?jī)?yōu)秀青年基金資助項(xiàng)目(Y2011114)；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目(20111333120004)

TP24DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.03.012

邱雪松，女，1973年生。燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院講師、博士。主要研究方向?yàn)闄C(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)、重型裝備構(gòu)型理論及機(jī)電集成技術(shù)。發(fā)表論文10余篇。楊龍，男，1988年生。燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院博士研究生。侯雨雷，男，1980年生。燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院副教授、博士。周玉林(通信作者)，男，1961年生。燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。