基于ADAMS軟件的曲柄滑塊-四連桿機(jī)構(gòu)的尺寸參數(shù)優(yōu)化

張寶寧 王 瀟 郭耘廷

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 北京 100083)

基于Delta并聯(lián)機(jī)器人平臺，設(shè)計連桿傳動機(jī)構(gòu)，將氣泵驅(qū)動的氣動活塞產(chǎn)生直線驅(qū)動轉(zhuǎn)化為相對平穩(wěn)可靠的轉(zhuǎn)矩，用來驅(qū)動二關(guān)節(jié)欠驅(qū)動機(jī)械手指。我們首先要將氣動驅(qū)動器賦予活塞的直線驅(qū)動力轉(zhuǎn)化為二關(guān)節(jié)連桿欠驅(qū)動機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩，因此我們需要加入一個曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，來實(shí)現(xiàn)直線驅(qū)動力與欠驅(qū)動手指轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)換。通過考察得知，該氣泵吸氣式活塞具有啟程加速度較大，啟動較為突然的特點(diǎn)，這樣會使其輸出的速度在瞬間達(dá)到一個較高的值，此后速度逐漸降低，因此直接由活塞來控制欠驅(qū)動手指，會使手指的運(yùn)動同樣具有類似特性，在抓取物體時容易在啟程階段與煤矸石發(fā)生高速碰撞，不利于機(jī)械手指使用壽命的延長；另一方面，氣動活塞的有效行程并不能保證滿足我們預(yù)期的運(yùn)動范圍。因此我們需要增加一個傳動機(jī)構(gòu)，通過設(shè)置活塞與欠驅(qū)動手指的傳動比，來改善活塞的控制范圍，同時實(shí)現(xiàn)對輸出轉(zhuǎn)動角速度的優(yōu)化。因?yàn)榍瑝K本身就具有傳動的能力，因此首先考慮直接通過設(shè)計曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中的連桿長度來改變活塞平移速度與輸出轉(zhuǎn)矩之間的傳動關(guān)系。

通過對曲柄滑塊機(jī)構(gòu)在不同桿長比例下的速度分析，發(fā)現(xiàn)角度θ1和θ2的大小都是由桿件的長度以及滑塊位移之間的比例直接決定的，而VA與機(jī)構(gòu)輸出轉(zhuǎn)矩的關(guān)系由θ1和θ2決定。因此我們賦予連桿L1，連桿L2不同的長度比例，在ADAMS[1～3]軟件中進(jìn)行仿真，通過觀察隨著滑塊的推進(jìn)，連桿2的位移以及速度變化，來得到適合本文的設(shè)計方案。發(fā)現(xiàn)得出以下結(jié)論：

當(dāng)L1

當(dāng)L1=L2時，隨著滑塊的推進(jìn)，連桿2的速度逐漸變慢，結(jié)合本文使用的氣動驅(qū)動具有啟程速度快，后續(xù)急劇減慢的特點(diǎn)，此時L2顯現(xiàn)出來的速度特性，無疑會更加放大這一特點(diǎn)，使得速度減慢的幅度更大；同時這種桿長比例下啟程時的速度依然很高，因此同樣不符合我們的抓取要求；

當(dāng)L1>L2時，隨著滑塊的推進(jìn)，連桿2的位移也出現(xiàn)了一定程度的折返現(xiàn)象，但是我們發(fā)現(xiàn)這是連桿2的整體重心的位移產(chǎn)生了回程，在我們所需要的抓取方向上，連桿2并沒有出現(xiàn)折返；但是在滑塊位移接近終點(diǎn)的時候，連桿2的速度產(chǎn)生了直線式的增加，如果是正常程度的加速，恰恰可以與前文所說的“啟程較快逐漸減慢”的驅(qū)動相互抵消，但是連桿2的速度在行程末端上升過于急劇，即使驅(qū)動具有上述特性，還是難以避免在行程的末尾，輸出的轉(zhuǎn)速過大，導(dǎo)致手指與抓取對象產(chǎn)生碰撞。

因此我們得出的結(jié)論是，如果想要同時保證對欠驅(qū)動手指有一個穩(wěn)定安全的驅(qū)動速度，同時還要避免機(jī)構(gòu)陷入“死點(diǎn)”，僅使用曲柄滑塊的機(jī)構(gòu)進(jìn)行傳動是不足夠的。

我們知道，如圖所示的六連桿壓力機(jī)，可以將勻速的轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑝K的急回沖壓運(yùn)動，而我們恰恰是需要將快速啟動逐漸變慢的直線運(yùn)動，轉(zhuǎn)化為相對穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩，因此我們類比六連桿壓力機(jī)的設(shè)計，在曲柄滑塊機(jī)構(gòu)與欠驅(qū)動手指中間，添加一個平面四連桿機(jī)構(gòu)，借此來達(dá)到我們的設(shè)計需求。

利用ADAMS軟件對上述機(jī)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化：

在Adams中創(chuàng)建機(jī)構(gòu)中各個鉸接點(diǎn)的位置，然后再在各個點(diǎn)之間創(chuàng)建連桿，其中兩個球體之間的運(yùn)動就相當(dāng)于活塞之間的運(yùn)動，上方的球體為主動件，向下方球體做直線運(yùn)動，類比我們使用的氣動活塞，我們將其驅(qū)動的位移方程設(shè)置成與本文使用的氣動活塞相似的減速運(yùn)動。改變其中幾個鉸接點(diǎn)的位置，就可以改變機(jī)構(gòu)中的桿長以及位姿，因此我們可以選擇將A，B，C三個點(diǎn)的某一軸的坐標(biāo)設(shè)置為變量，如圖所示，我們根據(jù)實(shí)際情況，分別將A點(diǎn)的Y軸坐標(biāo)，B點(diǎn)的Y軸坐標(biāo)，C點(diǎn)的X軸坐標(biāo)設(shè)置為變量。

根據(jù)設(shè)計需求，我們選擇對轉(zhuǎn)動副相對角速度的標(biāo)準(zhǔn)差求取最小值，并對此時各個變量的值作為優(yōu)化結(jié)果。

優(yōu)化結(jié)果各個點(diǎn)的坐標(biāo)為：

A(0.05,0.076)，B(0.5，0.001)，C(0.146，-0.2)，D(0,0)，E(0，0.4)

此時將單一的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)作為傳動機(jī)構(gòu)時輸出的角速度，以及添加了平面四連桿機(jī)構(gòu)之后的傳動機(jī)構(gòu)所輸出的角速度曲線進(jìn)行對比，如圖所示，添加平面四連桿機(jī)構(gòu)，能夠使得傳動機(jī)構(gòu)在速度呈現(xiàn)遞減規(guī)律的氣動活塞的驅(qū)動下，輸出的轉(zhuǎn)速更為穩(wěn)定變化范圍更小。