基于SimMechanics的腳踏垃圾箱運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

孔艷艷

(閩西職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系，福建 龍巖 364021)

基于SimMechanics的腳踏垃圾箱運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

孔艷艷

(閩西職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系，福建 龍巖 364021)

為研究腳踏垃圾箱的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，解決箱蓋開合度不夠等問題，對(duì)垃圾箱機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。運(yùn)用Matlab中的SimMechanics功能模塊繪制結(jié)構(gòu)框圖并仿真，獲取關(guān)鍵處的位移、速度和角速度仿真曲線。仿真結(jié)果表明：該方法無需數(shù)學(xué)建模和編程，具有快捷、準(zhǔn)確直觀、功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)。

腳踏垃圾箱；運(yùn)動(dòng)學(xué)；SimMechanics

我國是世界上垃圾包袱最重的國家之一，如何科學(xué)合理的收集、處理垃圾，設(shè)計(jì)合理的垃圾箱，是必須要解決的問題。然而市場(chǎng)上現(xiàn)有的智能翻蓋垃圾箱多采用感應(yīng)式，對(duì)環(huán)境要求較高，無法在戶外推廣使用。目前常見的室外翻蓋垃圾箱也存在手動(dòng)開啟翻蓋太臟過重，開合度不夠等問題[1]。本文采用連桿機(jī)構(gòu)和杠桿機(jī)構(gòu)的組合機(jī)構(gòu)，以腳踏代替手動(dòng)開啟，解決手動(dòng)開啟翻蓋的問題；使用杠桿機(jī)構(gòu)，節(jié)省腳踏處的動(dòng)力，解決開啟翻蓋過重問題；采用基于SimMechanics模塊對(duì)腳踏垃圾箱進(jìn)行建模和運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，借助Matlab軟件分析機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，優(yōu)化箱蓋的開合過程，并在合理的腳踏高度上，設(shè)置合理的開合度。

1 腳踏垃圾箱機(jī)構(gòu)的簡化及運(yùn)動(dòng)分析

腳踏垃圾箱可以簡化為多個(gè)四桿機(jī)構(gòu)、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和杠桿組合而成的機(jī)構(gòu)(如圖1所示)。圖1中腳踏處滑塊只能上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，開啟時(shí)腳踏處滑塊為原動(dòng)件，動(dòng)力經(jīng)連桿、滑塊、杠桿等構(gòu)件，最后頂起箱蓋，實(shí)現(xiàn)箱蓋的開啟。閉合過程靠箱蓋的重力自動(dòng)完成。根據(jù)使用要求，箱蓋繞A處的最大開合度應(yīng)在50°～70°之間。

該簡化機(jī)構(gòu)的自由度為：

F=3n-2PL=3×7-2×10=1

(1)

機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件是機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件數(shù)目等于機(jī)構(gòu)自由度的數(shù)目F。此垃圾箱機(jī)構(gòu)原動(dòng)件個(gè)數(shù)為1，式(1)計(jì)算得出機(jī)構(gòu)自由度為1，所以此機(jī)構(gòu)具有確定的運(yùn)動(dòng)方式。

圖1 腳踏垃圾箱機(jī)構(gòu)簡圖

2 機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型的建立

在該機(jī)構(gòu)的支鏈上引入閉環(huán)結(jié)構(gòu)，其位移矢量圖[2-3]，如圖2所示。該機(jī)構(gòu)的閉環(huán)矢量約束方程為：

(2)

(3)

(4)

將上述3個(gè)方程投影到正交坐標(biāo)系中可得到6個(gè)位置約束方程，再分別對(duì)6個(gè)位置約束方程關(guān)于時(shí)間t求一階導(dǎo)數(shù)、二階導(dǎo)數(shù)，分別得到6個(gè)速度約束方程、6個(gè)加速度約束方程。

6個(gè)速度約束方程為：

(5)

(6)

(7)

3 機(jī)構(gòu)仿真

3.1 SimMechanics仿真步驟

SimMechanics是Matlab仿真中的一個(gè)工具箱，它結(jié)合Simulink和Matlab的功能，利用SimMechanics模塊框圖對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行建模和動(dòng)態(tài)仿真和分析，從而在形成實(shí)際系統(tǒng)之前進(jìn)行適時(shí)的修正，從而縮短研究人員反復(fù)修改的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)高效開發(fā)的目的。其建立模型操作步驟如下：1)確定構(gòu)件的固有屬性，自由度數(shù)，約束以及坐標(biāo)系統(tǒng)。2)裝配傳感器和作動(dòng)器，記錄和初始化剛體的運(yùn)動(dòng)，并保持約束不變。3)開始仿真。4)仿真輸出，在建模和仿真過程中，利用SimMechanics可視化窗口進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)可視化。

3.2 腳踏垃圾箱機(jī)構(gòu)仿真

根據(jù)圖1機(jī)構(gòu)的幾何拓?fù)潢P(guān)系，用SimMechanics中的模塊，先繪制機(jī)械環(huán)境(Mechanical Environment)和固定機(jī)架(Ground)，然后從運(yùn)動(dòng)副模塊(Joints)中選擇轉(zhuǎn)動(dòng)副和移動(dòng)副，以此類推，對(duì)于桿件與滑塊均選用body模塊，根據(jù)各構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，選擇轉(zhuǎn)動(dòng)Revolute模塊和移動(dòng)Prismatic模塊，然后將它們放置到合適的位置依次連接，最后添加驅(qū)動(dòng)器模塊、傳感器模塊[5]。建立如圖3所示的仿真模型。

3.3 控制參數(shù)設(shè)置

腳踏垃圾箱機(jī)構(gòu)中剛體模塊的參數(shù)主要有：剛體的幾何和物理屬性參數(shù)、運(yùn)動(dòng)副控制參數(shù)，即：剛體的質(zhì)量、中心位置、重心坐標(biāo)的慣性張量、各運(yùn)動(dòng)副的相對(duì)位置。

利用Creo3.0軟件建立裝配實(shí)體模型，在三維實(shí)體模型中設(shè)置材料、密度等物理屬性，在重心位置建立坐標(biāo)系，利用Creo3.0軟件中的幾何模型分析工具，獲取各模塊參數(shù)[6]。然后將獲得的參數(shù)輸入到相應(yīng)剛體模塊中，完成各剛體物理屬性參數(shù)的設(shè)置。各模塊設(shè)置的相關(guān)參數(shù)，如表1所示。腳踏垃圾箱各移動(dòng)副的方向設(shè)置為[0，1，0]，各轉(zhuǎn)動(dòng)副軸線設(shè)置為[0，0，1]。

表1 各桿件屬性數(shù)據(jù)

表1 (續(xù))

腳踏垃圾箱機(jī)構(gòu)建立模型的關(guān)鍵是CD處滑塊和HF處杠桿的參數(shù)設(shè)置，CD滑塊連接處有3個(gè)低副，其中2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副：鉸鏈C和鉸鏈D；1個(gè)移動(dòng)副：移動(dòng)副E。局部坐標(biāo)系CS1、CS2、CS3的設(shè)置如圖4所示。HF杠桿連接處有3個(gè)低副，均為轉(zhuǎn)動(dòng)副：鉸鏈F、鉸鏈G和鉸鏈H。局部坐標(biāo)系CS1、CS2、CS3的設(shè)置如圖5所示。

圖3 腳踏垃圾箱的SimMechanics仿真模型

圖4 CD滑塊坐標(biāo)系設(shè)置

圖5 HF杠桿坐標(biāo)系設(shè)置

4 仿真結(jié)果顯示與分析

仿真系統(tǒng)求解器采用變步長(Variable-step)的ode45(Dormand-Prince)；步長選擇為Auto(依賴計(jì)算機(jī)自動(dòng)選擇步長)；相對(duì)誤差為10-3，絕對(duì)誤差為10-6。運(yùn)行建立的腳踏垃圾箱SimMechanics仿真模型，借助虛擬現(xiàn)實(shí)工具箱對(duì)腳踏垃圾箱機(jī)構(gòu)的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，仿真動(dòng)畫如圖6所示。

圖6 腳踏垃圾箱機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真

優(yōu)化后的垃圾箱機(jī)構(gòu)的構(gòu)件都在同一平面內(nèi)，安裝時(shí)可以做成一個(gè)整體，封裝在箱體內(nèi)側(cè)面。封裝后的內(nèi)表面平整、無死角，為日后的垃圾清理和維護(hù)提供便利。

腳踏處滑塊高度運(yùn)動(dòng)過程和箱蓋開合度數(shù)和角速度仿真過程，可以通過示波器輸出，也可以通過繪圖命令調(diào)用繪圖，后者的處理靈活、顯示結(jié)果多樣化，方便調(diào)用各數(shù)據(jù)。本文結(jié)合兩種方法，用示波器對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察，同時(shí)繪制運(yùn)動(dòng)響應(yīng)規(guī)律，仿真結(jié)果如圖7所示。

從圖7可以看出，在合理的腳踏高度范圍內(nèi)，箱蓋繞A處的最大開合度在50°～70°之間，符合實(shí)際使用要求。

a.箱蓋開合度分析曲線

b.箱蓋開合處角速度分析曲線

c. 腳踏處高度曲線圖7 仿真結(jié)果

[1]康信勇，趙翼翔，陳新.基于SimMechanics的六自由度機(jī)械臂仿真研究[J].機(jī)床與液壓，2016，44(23)：23-29.

[2]蘇全衛(wèi)，王曉侃.基于Simulink的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)建模與仿真[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2014，36(1)：72-73.

[3]陳功，顧寄南，鄭立斌等.基于六桿機(jī)構(gòu)的機(jī)械手運(yùn)動(dòng)分析與優(yōu)化[J].機(jī)床與液壓，2015，43(9)：56-58.

[4]彭學(xué)鋒，魯興舉，呂鵬.基于SimMechanics的兩輪機(jī)器人建模與仿真[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2010，22(11)：2643-2645.

[5]楊綠云，郭飛.基于simmechanics的六桿機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真[J]. 華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，31(4)：86-88.

[6]泮健，劉劍，施光林.基于Pro/Mechanism虛擬仿真的六自由度平臺(tái)實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，43(6)：940-943.

KinematicsSimulationofPedalDustbinbasedonSimMechanics

KONG Yanyan

(Department of Mechanical Engineering, Min Xi Vocation & Technical College, Longyan 364021, China)

In order to solve the problems on open degree is not enough of dustbin lid, kinematics characteristic of pedal dustbin and kinematics simulation of the dustbin mechanism were carried out. Firstly, the structure diagram of dustbin mechanism was drawn by using the SimMechanics function module of Matlab. Then, the motion simulation curves of key points were obtained, including the displacement curve, velocity curve and angular velocity curve. The simulation results show that this method is rapid, accurate, visualized and powerful, as well as it needn’t mathematical model and program.

pedal dustbin; kinematics; SimMechanics

10.13542/j.cnki.51-1747/tn.2017.03.004

2017-06-15

福建省中青年教師科研資助項(xiàng)目(JAT160886)

孔艷艷(1983—)，女，講師，碩士，研究方向：數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造，電子郵箱：1376815847@qq.com。

TH112

：A

：2095-5383(2017)03-0014-04