鉸鏈四連桿在積木式開源硬件平臺(tái)下的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

譚梓煒

摘要：針對(duì)鉸鏈四連桿機(jī)構(gòu)在大型雷達(dá)天線折疊過程中的廣泛應(yīng)用，通過兩種鉸鏈連桿機(jī)構(gòu)的剛體動(dòng)力學(xué)計(jì)算分析、精度定性分析的比較，獲取鉸鏈四連桿機(jī)構(gòu)在工程實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該注意和考慮的幾點(diǎn)事項(xiàng)。針對(duì)鉸鏈四連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)解析法的復(fù)雜性，在建立機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)幾何方程的基礎(chǔ)上，利用牛頓迭加法進(jìn)行數(shù)值求解。通過對(duì)不同步長以及差分格式的選取比較，確定了計(jì)算桿件速度和加速度的合適的差分公式。運(yùn)用Mad語言強(qiáng)大的計(jì)算及圖形可視化功能，獲得了精確的數(shù)值結(jié)果和提高了設(shè)計(jì)的效率。

關(guān)鍵詞：鉸鏈四連桿；模塊化；Makeblock

一 緒論

1.1 研究現(xiàn)狀

鉸鏈四連桿（RSSR）機(jī)構(gòu)能夠用來獲得運(yùn)動(dòng)的空間定向軸之間的機(jī)械輸入輸出關(guān)系[1]。一個(gè)空間四桿機(jī)構(gòu)具有把連接固定連桿任意取向的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)接頭或兩個(gè)球形接頭曲柄連接到耦合器連結(jié)的功能[2]。其曲柄機(jī)構(gòu)具有的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)相對(duì)于錐齒輪的非線性關(guān)系，由輸入和輸出之間的聯(lián)系獲得。與齒輪聯(lián)軸器相比，它們軸之間具有相對(duì)大的距離修長。分析一個(gè)空間四連桿機(jī)構(gòu)的合成是一個(gè)有吸引力和挑戰(zhàn)性的問題。一些作者已在剛性連接機(jī)制方面做出顯著的貢獻(xiàn)[3]。

獲得部分或全部通過靈活的偏轉(zhuǎn)機(jī)制被列為柔順機(jī)構(gòu)，柔性機(jī)構(gòu)已經(jīng)經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)其具有顯著優(yōu)點(diǎn)。鉸鏈四連桿機(jī)構(gòu)是其中一種，鉸鏈四連桿機(jī)構(gòu)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以存儲(chǔ)為變形彈性能，所以沒有必要對(duì)彈簧機(jī)構(gòu)返回到的原始位置進(jìn)行計(jì)算[5]。合規(guī)機(jī)制可以劃分為完全兼容和部分兼容兩種機(jī)制。近年來，一些研究人員已經(jīng)完成了分析設(shè)計(jì)鉸鏈四連桿機(jī)構(gòu)的工作。但是，也有基于鉸鏈四連桿機(jī)構(gòu)一些缺點(diǎn)的研究，其中之一是因?yàn)閼?yīng)力局限導(dǎo)致相對(duì)小的位移。因此，鉸鏈四連桿的設(shè)計(jì)是柔順機(jī)構(gòu)研究的一個(gè)重要部分。文獻(xiàn)中已經(jīng)存在用于分析和柔性機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的幾種方法，Matlab技術(shù)可以連接關(guān)節(jié)和扭轉(zhuǎn)彈簧[6]。由此看來可以用于當(dāng)柔性機(jī)構(gòu)符合一定規(guī)律的設(shè)計(jì)計(jì)算，這樣，鏈接可以假定由剛性和彎曲樞軸兩部分組成，機(jī)制可以假定為扭轉(zhuǎn)彈簧。該技術(shù)適用于剛體開發(fā)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)。

1.2 鉸鏈四連桿（RSSR）運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

在標(biāo)準(zhǔn)的RSSR分析之前，剛性RSSR運(yùn)動(dòng)學(xué)分析過程是必需的.圖1顯示了PRBM的應(yīng)用。無論繞其軸線耦合器（其也被約束在柔順RSSR）如何旋轉(zhuǎn)，該機(jī)構(gòu)都具有一度的自由度[7]。一個(gè)RSSR和一個(gè)約軸旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成空間的二軸旋轉(zhuǎn)。根據(jù)不同的比例，運(yùn)動(dòng)可以是雙曲柄，曲柄搖桿或雙搖桿式的。參照?qǐng)D1，A2 =驅(qū)動(dòng)曲柄（聯(lián)系2），A3 =的長度耦合鏈路（鏈路3），A4 =從動(dòng)連桿的長度（聯(lián)系4），p的長度=| OC|的垂直轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)的軸之間的共同長度，F(xiàn) =從共用的腳垂直于通過點(diǎn)A所描述的曲柄圓的中心的距離，G =| CG|（從x軸正方向），ξ=從共同的腳垂直于由點(diǎn)B中所述的曲柄圓的中心的距離，θ=曲柄角（逆時(shí)針方向測量）χ=從動(dòng)連桿的位移的軸線之間的角度（x軸正方向）。

二 開源平臺(tái)的設(shè)計(jì)

2.1 MAKEBLOCK軟件系統(tǒng)

為了從機(jī)器人的模擬間斷網(wǎng)絡(luò)抽樣，一個(gè)名為“MAKEBLOCK”的'軟件系統(tǒng)被開發(fā)出來，使用的是Borland Delphi5.0軟件開發(fā)工具。

MAKEBLOCK的主要功能有：

1.提供一個(gè)友好的用戶界面；

2.通過蒙特卡羅模擬的方法模擬一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中斷技術(shù)，在幾何擬合分布討論不連續(xù)套參數(shù)；

3.判斷來自模擬間斷網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人三維動(dòng)作；

4.計(jì)算電子模塊的頂點(diǎn)，體積，三維尺寸和三維形狀指數(shù)的坐標(biāo)；

5.分析電子模塊的預(yù)測大小和形狀分布；

6.用于輸入，編輯和排序3D和2D圖形塊并提供了一個(gè)多功能的圖形環(huán)境；

7.使用內(nèi)置的數(shù)據(jù)庫管理所有的數(shù)據(jù)。

MAKEBLOCK的典型界面示見圖2。

2.2 開源硬件平臺(tái)

氣缸網(wǎng)用來設(shè)計(jì)樹模型，在攪拌機(jī)和圓飛機(jī)被用于設(shè)計(jì)樹中離開。材料和幾何形狀加入到樹模型。在這之后，樹模型導(dǎo)出2個(gè)文件，材料和.mesh。然后將這些2個(gè)文件保存在質(zhì)地中，轉(zhuǎn)化為.j3o文件。然后.j3o文件被保存在模型文件夾，以便可以起到內(nèi)裝機(jī)器人仿真作用。

立方體平面縮放可細(xì)分為10個(gè)模塊，然后選擇相應(yīng)的小方塊運(yùn)行，并將其擠壓至0.5mm的設(shè)計(jì)高度內(nèi)。室外環(huán)境不平整的地面是在機(jī)器人仿真內(nèi)提交的，并一步表示出來。材料和幾何形狀加入到該環(huán)境模型中。在此之后，環(huán)境模型輸出2個(gè)文件，材料和.mesh。然后將這2個(gè)文件保存在質(zhì)地并轉(zhuǎn)化為.j3o文件。然后.j3o文件被保存在模型文件夾，以便它可以在機(jī)器人仿真內(nèi)被裝載。

2.3移動(dòng)應(yīng)用控制器

該應(yīng)用程序使用了Android設(shè)備，藍(lán)牙模塊控制無論是從觸摸按鍵的輸入或使用加速度計(jì)，都通過傾斜的Android device.In的兩種模式，這是“按鈕模式”，由麻省理工學(xué)院應(yīng)用Inventor軟件機(jī)構(gòu)開發(fā)設(shè)計(jì)的，這在圖5和圖6分別指出[8]。在“加速度模式”下，需要在Android設(shè)備上予以傾斜，并按下“ON”按鈕，輸入并發(fā)送到移動(dòng)夾持機(jī)器人。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)將與Android設(shè)備的傾斜同步，每次按下“ON”按鈕，在“按鈕模式”的Android設(shè)備將會(huì)從觸摸屏讀取輸入發(fā)送特定的輸入移動(dòng)機(jī)器人。在這種模式下，夾持器的控制將被用來包括加速計(jì)模式在內(nèi)的比較，并控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。升降機(jī)按鈕放下后，抓手、抓地力和釋放夾子是可用的。而在這種模式下，包括其它用于避免障礙的超聲波傳感器的檢測。與超聲波接通時(shí)，移動(dòng)把持機(jī)器人將自動(dòng)終止輸入，順序通過來自傳感器的讀數(shù)向前移動(dòng)，并可以打開任一方式。

該機(jī)器人的控制系統(tǒng)采用Arduino和藍(lán)牙模塊超聲波傳感器技術(shù)，增強(qiáng)了機(jī)器人的移動(dòng)夾持能力。添加的藍(lán)牙模塊具有特定MAC地址，在Android應(yīng)用程序中起編程作用，因此應(yīng)用程序?qū)o需用戶搜索或掃描，可用藍(lán)牙自動(dòng)連接到移動(dòng)夾持機(jī)器人。同時(shí)，超聲波傳感器可以用于檢測遇到的機(jī)器人，以便它可以避開障礙物。機(jī)器人控制流程示見圖4。

2.4圖像處理

首先，用戶需要確定目標(biāo)對(duì)象（垃圾）的顏色和形狀。通過跟蹤圖像處理調(diào)整色彩RGB[9]。除此之外，光強(qiáng)度變化的直方圖顯示色調(diào)設(shè)置。 還有，精確的邊緣檢測器與超聲波傳感器一起工作的技術(shù)已經(jīng)運(yùn)用，并避免了障礙。接著，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)將與圖像處理同步運(yùn)行。

此外，該機(jī)器人安裝的手臂和夾持器能夠夾住并拿起對(duì)象。因?yàn)?，這項(xiàng)目只是一個(gè)原型的機(jī)器人，夾具不具有抓握物體的重量大于5公斤的能力。表明用戶能夠使用機(jī)器人將受害者從災(zāi)難中救出，采摘放射性物質(zhì)，或改善戰(zhàn)略環(huán)境中的測試技術(shù)并且在制造組件中一起使用。

第四章 結(jié)論

本文證明，用簡單的Android和RSSR設(shè)備和另外一個(gè)Android應(yīng)用程序，可以被用來控制移動(dòng)機(jī)器人。已經(jīng)有關(guān)于使用Android設(shè)備的記錄，但該項(xiàng)目的主要目的是為了顯示源五金（Android版，Arduino的）和軟件如何打開（jMonkey，賈西姆平臺(tái)），可以集成到教學(xué)和學(xué)習(xí)創(chuàng)建一個(gè)框架，控制移動(dòng)機(jī)器人等研究項(xiàng)目。

機(jī)器人仿真成功在于JmonkeyEngine正確運(yùn)行。不同的環(huán)境是編程模擬里面不同的場景。該機(jī)器人仿真能夠訪問外部網(wǎng)絡(luò)攝像頭的實(shí)時(shí)視頻，并且能夠用于導(dǎo)航和目標(biāo)檢測。

機(jī)器人能夠成功地檢測目標(biāo)對(duì)象，并且可以識(shí)別真實(shí)機(jī)器人以及視覺機(jī)器人的位置。用戶可以通過流媒體直播的機(jī)器來監(jiān)控并使用機(jī)器人。

參考文獻(xiàn)：

[1]梁永江.四連桿飛剪機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D].湖南大學(xué)，2009.

[2]張珂.復(fù)擺顎式破碎機(jī)有限元優(yōu)化研究[D].西華大學(xué)，2009.

[3]關(guān)維娟，陳清華.平面連桿機(jī)構(gòu)的可視化運(yùn)動(dòng)分析及仿真[J].機(jī)械，2008，v.3512：21-23.

[4]王鷹宇.平面柔性機(jī)械設(shè)計(jì)方法[D].四川大學(xué)，2003.

[5]葉鵬.抽油機(jī)井系統(tǒng)效率的數(shù)值模擬分析與試驗(yàn)研究[D].東北石油大學(xué)，2011.

[6]李娜.基于數(shù)據(jù)庫技術(shù)的連桿機(jī)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真[D].西安建筑科技大學(xué)，2008.

[7]顧新春.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的四桿機(jī)構(gòu)軌跡分析[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2007.

[8]房景仕，張?jiān)鎏?鉸鏈四連桿機(jī)構(gòu)在雷達(dá)設(shè)計(jì)中的分析與應(yīng)用[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化，2007，No.19306：55-56+63.

[9]路遵友.機(jī)液綜合機(jī)構(gòu)學(xué)中平面四桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性研究[D].蘭州理工大學(xué)，2007.