并聯(lián)四桿機(jī)構(gòu)多維度電控調(diào)節(jié)系統(tǒng)研究

方揚(yáng)濤，宋嶺林，黃捷，叢凱淇

燕山大學(xué)，河北秦皇島，066004

0 引言

目前四桿機(jī)構(gòu)主要應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，如大型汽車制造、碼垛、搬運(yùn)[1]或作為大型生產(chǎn)設(shè)備的執(zhí)行機(jī)構(gòu)[2]；在民用領(lǐng)域的應(yīng)用較少，目前四桿機(jī)構(gòu)已實(shí)現(xiàn)小型化、輕量化，未來(lái)在民用領(lǐng)域的應(yīng)用也將會(huì)越來(lái)越多。小型四桿機(jī)構(gòu)能夠?yàn)楦ｌ碓O(shè)備提供功能框架，能幫助乘坐者在狹小空間里自由移動(dòng)。市面上提高座椅自由度的機(jī)構(gòu)主要有實(shí)現(xiàn)升降功能的剪叉式機(jī)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)坐臥狀態(tài)切換的多連桿機(jī)構(gòu)[3]、并聯(lián)四連桿行駛輪升降機(jī)構(gòu)等[4]，但都存在明顯的短板。本文提供一種性能均衡、成本合理的設(shè)計(jì)方案。

近年來(lái)，輪椅的功能趨向多樣化，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)有輔助站立和平躺功能的輪椅機(jī)構(gòu)，但是輪椅乘坐者的運(yùn)動(dòng)空間仍然存在較大限制，其中高度制約對(duì)運(yùn)動(dòng)空間影響最大。本文設(shè)計(jì)的并聯(lián)四桿機(jī)構(gòu)多維度電控調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以成為輪椅的運(yùn)動(dòng)空間拓展機(jī)構(gòu)，不僅能實(shí)現(xiàn)座椅的上升下降，還能實(shí)現(xiàn)座椅的周向平移，使輪椅實(shí)現(xiàn)多維度運(yùn)動(dòng)。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

機(jī)械系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用并聯(lián)四桿機(jī)構(gòu)，通過(guò)鉸鏈與平臺(tái)連接，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓桿。嵌入式系統(tǒng)主控硬件為單片機(jī)，利用姿態(tài)調(diào)整模塊實(shí)現(xiàn)水平調(diào)節(jié)和重心自調(diào)，超聲波模塊實(shí)現(xiàn)安全限位，編碼器實(shí)現(xiàn)電機(jī)測(cè)速，激光測(cè)距模塊實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)避障，并可利用開(kāi)發(fā)板擴(kuò)展接口實(shí)現(xiàn)其他功能。

2 機(jī)械設(shè)計(jì)

鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)是一種典型的平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、承載能力強(qiáng)、運(yùn)動(dòng)曲線多樣性等特點(diǎn)，使其在機(jī)械領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用[5]。本平臺(tái)由四根電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)，考慮到電動(dòng)推桿與底板的體積干涉，采用鉸鏈連接件搭建模型（圖1）。

圖1 鉸鏈連接件搭建模型

鉸鏈呈四邊形放置，即鉸鏈①、②、③、④活動(dòng)面平行于鉸鏈⑤、⑥、⑦、⑧活動(dòng)面（圖2）。模型在上述條件下能實(shí)現(xiàn)平臺(tái)舉升、下降、左傾、右傾。

圖2 鉸鏈布置方式

本文設(shè)計(jì)的四桿機(jī)構(gòu)機(jī)械平臺(tái)是一種用于精密位置和運(yùn)動(dòng)控制的特殊機(jī)電一體化系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)方式有線性驅(qū)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，每對(duì)推桿（下肢和上肢）由單片機(jī)控制，以改變推桿的總長(zhǎng)度。通過(guò)獨(dú)立控制每根推桿的長(zhǎng)度并使用稱為正向和反向運(yùn)動(dòng)學(xué)的數(shù)學(xué)計(jì)算，可以精確地改變平臺(tái)頂部中心的位置，平臺(tái)使用液壓或電動(dòng)線性執(zhí)行器，具有強(qiáng)度高、負(fù)重能力強(qiáng)、位置精度高等特點(diǎn)。

3 電控設(shè)計(jì)

3.1 主控硬件

采用STM32F103開(kāi)發(fā)板作為四桿機(jī)構(gòu)的主控硬件。該開(kāi)發(fā)板能夠滿足對(duì)陀螺儀、電推桿等部件的控制要求，相比于F407開(kāi)發(fā)板，還具有小巧輕便、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠等優(yōu)點(diǎn)。

3.2 平臺(tái)姿態(tài)自動(dòng)矯正

采用維特智能六軸加速度電子陀螺儀傳感器姿態(tài)角度測(cè)量模塊：JY61P。模塊包含三軸陀螺儀、三軸加速度計(jì)。JY61P通過(guò)板載的USART全雙工通用異步串行收發(fā)模塊與PC進(jìn)行通信，獲得平臺(tái)實(shí)時(shí)的各軸加速度、角速度、俯仰角等數(shù)據(jù)，系統(tǒng)采用PID反饋控制，通過(guò)前期實(shí)驗(yàn)對(duì)Kp、Ki、Kd三個(gè)參數(shù)進(jìn)行手動(dòng)選擇，選取最佳參數(shù)讓PID控制達(dá)到“穩(wěn)準(zhǔn)快”，可對(duì)各軸加速度、角速度等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)誤差修正，使其盡量接近理想值，以此實(shí)現(xiàn)在崎嶇地形前行或平臺(tái)自由移動(dòng)時(shí)依舊保持平臺(tái)水平的功能。

3.3 創(chuàng)新型安全限位

采用HC-SR04超聲波測(cè)距模塊，測(cè)距范圍最遠(yuǎn)可達(dá)6m。使用兩個(gè)超聲波測(cè)距模塊對(duì)平臺(tái)左右偏移的極限位置進(jìn)行限制，防止人為誤操作導(dǎo)致平臺(tái)偏移量過(guò)大，重心偏移導(dǎo)致側(cè)翻?？紤]到各種外部因素對(duì)測(cè)距精度的干擾，需要在測(cè)距公式中引入修正項(xiàng)進(jìn)行誤差修正。空氣溫度是直接引起聲波速度變化的修正項(xiàng)，若加進(jìn)溫度修正，可以得到較準(zhǔn)確的聲波速度，所引起的誤差是聲波傳播途徑中溫度梯度，導(dǎo)致溫度測(cè)量不準(zhǔn)，引起溫度修正不準(zhǔn)，溫度每變化1℃，引起聲波速度變化約千分之二（0.002m/s），若測(cè)量100米距離引起的誤差：溫度誤差1℃引起0.0006米，即使溫度誤差5℃也不影響工程測(cè)距精度（厘米級(jí)）[6]。

假設(shè)實(shí)際聲速為V，溫度為H，濕度為M，距離為D，Echo引腳脈沖持續(xù)時(shí)間為T，可以推導(dǎo)出實(shí)際距離公式如下：

在底盤上安裝兩個(gè)超聲波測(cè)距模塊，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到平臺(tái)左右偏移的極限位置，再由平臺(tái)的極限位置（此位置超聲波模塊恰好探測(cè)不到平臺(tái)）確定兩個(gè)超聲波模塊的安裝位置。預(yù)先設(shè)定好閾值（可以是平臺(tái)上升到最高處時(shí)與底盤之間的距離），當(dāng)超聲波模塊檢測(cè)到的距離小于閾值時(shí)，電機(jī)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)；反之，電機(jī)停轉(zhuǎn)進(jìn)行安全限位。當(dāng)平臺(tái)向左移時(shí)，右位的超聲波模塊進(jìn)行工作（圖3）；反之，左位的超聲波模塊進(jìn)行工作，兩個(gè)超聲波模塊都能獨(dú)立地控制電機(jī)的啟停。

圖3 傳感器與平臺(tái)的位置關(guān)系（平臺(tái)左移）

3.4 四桿驅(qū)動(dòng)電機(jī)測(cè)速

光電編碼器通過(guò)聯(lián)軸器與電機(jī)軸相連，由于光電碼盤與電動(dòng)機(jī)同軸，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤與電動(dòng)機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測(cè)裝置檢測(cè)輸出若干脈沖信號(hào)，編碼器的脈沖信號(hào)會(huì)通過(guò)對(duì)應(yīng)的信號(hào)線發(fā)出，可以利用單片機(jī)對(duì)編碼器信號(hào)引腳進(jìn)行監(jiān)控，通過(guò)計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)反映當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

假設(shè)編碼器單圈總脈沖數(shù)為C（常數(shù)），單個(gè)檢測(cè)周期為T，一共檢測(cè)到B個(gè)脈沖信號(hào)，編碼器減速比為P，可通過(guò)以下公式計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速：

將測(cè)量到的電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)等數(shù)據(jù)通過(guò)PID控制系統(tǒng)與理想輸出結(jié)果作比較，得到誤差結(jié)果，再通過(guò)反饋環(huán)實(shí)時(shí)調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，逐漸逼近最優(yōu)解。測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和圈數(shù)后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以得到電機(jī)圈數(shù)與電推桿伸長(zhǎng)長(zhǎng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，計(jì)算即可得到對(duì)應(yīng)電推桿的伸長(zhǎng)距離，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)電推桿伸長(zhǎng)量的無(wú)極調(diào)節(jié)。

3.5 激光測(cè)距自動(dòng)避障

該四桿機(jī)構(gòu)多維度電控調(diào)節(jié)系統(tǒng)將會(huì)運(yùn)用在多自由度矢量調(diào)節(jié)輪椅上，通過(guò)四桿機(jī)構(gòu)的配合運(yùn)行，拓展輪椅座椅的活動(dòng)空間，使輪椅乘坐者的運(yùn)動(dòng)空間達(dá)到正常人的水準(zhǔn)。采用VL53L0X激光測(cè)距傳感器，精確測(cè)量距離最遠(yuǎn)可達(dá)2米，測(cè)量速度快，可使用中斷輸出。由編碼器進(jìn)行電機(jī)測(cè)速，當(dāng)輪椅速度高于5km/h時(shí)，激光測(cè)距傳感器啟動(dòng)并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)前方障礙物的距離，當(dāng)檢測(cè)到障礙物的距離小于設(shè)定的上限閾值時(shí)，四輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)立刻停轉(zhuǎn)。另設(shè)一個(gè)下限閾值用以防止手或其他物體擋住傳感器導(dǎo)致電機(jī)意外停轉(zhuǎn)，只有當(dāng)測(cè)定的距離高于下限閾值、低于上限閾值時(shí)，電機(jī)才會(huì)收到停轉(zhuǎn)信號(hào)。記錄并處理從光脈沖發(fā)出到返回被接收所經(jīng)歷的時(shí)間，通過(guò)以下公式簡(jiǎn)單計(jì)算即可測(cè)定目標(biāo)距離。D為輪椅與前方障礙物之間的距離，C為光速，T為單個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間。

4 應(yīng)用案例

小型四桿機(jī)構(gòu)可以作為輪椅的自由度拓展機(jī)構(gòu)，進(jìn)而大幅提升輪椅的易用性，圖4為多自由度自動(dòng)平衡新型輪椅。

圖4 多自由度自動(dòng)平衡新型輪椅

正常輪椅乘坐者受到高度限制，在運(yùn)動(dòng)空間上無(wú)法達(dá)到正常人的水平。本設(shè)計(jì)相較于傳統(tǒng)輪椅機(jī)構(gòu)提升了自由度，通過(guò)輪椅扶手上的搖桿和按鈕，使用者可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輪椅進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)的矢量位置調(diào)整，一定程度上擴(kuò)展了使用者的活動(dòng)空間（圖5）。輪椅在崎嶇路面、坡道行進(jìn)時(shí)，椅面的傾斜會(huì)帶給乘坐者不適感，本設(shè)計(jì)加入平臺(tái)姿態(tài)自動(dòng)矯正系統(tǒng)來(lái)檢測(cè)和自動(dòng)調(diào)節(jié)座椅傾角，并結(jié)合電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)推桿的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)輪椅重心的自動(dòng)調(diào)整。

圖5 三種狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)空間范圍

5 系統(tǒng)運(yùn)行邏輯

系統(tǒng)運(yùn)行整體邏輯如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)運(yùn)行整體邏輯

6 結(jié)論

通過(guò)論述并聯(lián)四桿機(jī)構(gòu)的新型機(jī)械設(shè)計(jì)、電控設(shè)計(jì)兩個(gè)方面，提出一種小型化的四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。該機(jī)構(gòu)突破空間限制，提升功能性、智能性、安全性。本設(shè)計(jì)的主要功能是在保證應(yīng)力正常的前提下，通過(guò)四桿機(jī)構(gòu)提高設(shè)備運(yùn)動(dòng)空間自由度。智能化是今后機(jī)械設(shè)備發(fā)展的主要方向之一。本機(jī)構(gòu)除實(shí)現(xiàn)多維度運(yùn)動(dòng)控制外，后期可聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行功能升級(jí)，利用定位模塊、藍(lán)牙模塊對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并且可以通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信息實(shí)時(shí)傳輸。