液壓驅(qū)動(dòng)滾動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)可行性與仿真分析

沈海闊，黃齊來(lái)，丁萬(wàn)，仝龍飛，姚燕安

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液壓驅(qū)動(dòng)滾動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)可行性與仿真分析

沈海闊，黃齊來(lái)，丁萬(wàn)，仝龍飛，姚燕安

(北京交通大學(xué)機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，北京，100044)

提出一種新型三自由度液壓驅(qū)動(dòng)滾動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)。各條支鏈采用液壓缸驅(qū)動(dòng)的反平行四邊形機(jī)構(gòu)，通過(guò)支鏈的伸縮比放大作用實(shí)現(xiàn)并聯(lián)機(jī)構(gòu)整體的大變形，并利用液壓系統(tǒng)響應(yīng)快速、輸出力強(qiáng)的特點(diǎn)，保證并聯(lián)機(jī)構(gòu)的移動(dòng)靈活性與大負(fù)載能力。描述該并聯(lián)機(jī)構(gòu)的組成、特定條件下的奇異位型以及1個(gè)翻滾步態(tài)周期的5種地面支撐狀態(tài)與給定機(jī)構(gòu)參數(shù)下液壓桿伸縮的可行域。對(duì)并聯(lián)機(jī)構(gòu)在5種地面支撐狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)可行性與可行域以及基于A(yíng)DAMSTM對(duì)翻滾過(guò)程的動(dòng)力學(xué)仿真進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明：該機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了翻滾運(yùn)動(dòng)，同時(shí)得到了運(yùn)動(dòng)過(guò)程中液壓缸的位移、伸縮速度與受力數(shù)據(jù)，可為實(shí)驗(yàn)樣機(jī)設(shè)計(jì)與構(gòu)型優(yōu)化提供參考。

液壓驅(qū)動(dòng)；反平行四邊形機(jī)構(gòu)；滾動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)；運(yùn)動(dòng)可行性分析；動(dòng)力學(xué)仿真

液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有負(fù)載能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快、輸出功率大等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、剪叉式升降平臺(tái)等領(lǐng)域。近年來(lái)，將液壓技術(shù)應(yīng)用于移動(dòng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，以獲得大驅(qū)動(dòng)力和快速響應(yīng)逐漸成為機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。RAIBERT等[1]研制了能實(shí)現(xiàn)三維跳躍與跑動(dòng)的單腿跳躍機(jī)器。SEMINI等[2]研制了具有兩自由度并采用液壓驅(qū)動(dòng)的四足機(jī)器人單條腿，用于研究如奔跑、跳躍等高機(jī)動(dòng)性任務(wù)。CUBERO等[3]設(shè)計(jì)了輪式移動(dòng)液壓機(jī)器人“Hydrobug”，具有步行與輪式2種移動(dòng)方式，且能夠?qū)崿F(xiàn)載人爬坡及越障。美國(guó)波斯頓動(dòng)力公司研制的一款稱(chēng)為“BigDog”的四足機(jī)器人巧妙地融合了液壓執(zhí)行器與四足機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，使其運(yùn)動(dòng)能力出眾，在具備強(qiáng)勁動(dòng)力輸出與承載的同時(shí)又不失靈巧柔韌[4?5]。榮學(xué)文等[6]研制的“SCalf”液壓驅(qū)動(dòng)四足仿生機(jī)器人，具有12個(gè)主動(dòng)自由度，可前后對(duì)稱(chēng)運(yùn)動(dòng)和全向運(yùn)動(dòng)，適于快速步行。陳先寶等[7]研制的“智慧小象”機(jī)器人每條腿分別采用3個(gè)液壓缸驅(qū)動(dòng)，其中腿的結(jié)構(gòu)采用了平行四邊形剪叉式機(jī)構(gòu)，同時(shí)在平行四邊形剪叉結(jié)構(gòu)內(nèi)增加彈簧降低了液壓系統(tǒng)壓力以此降低運(yùn)行過(guò)程中能量消 耗[7]。從機(jī)構(gòu)學(xué)角度看上述液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，均采用串聯(lián)開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)，而并聯(lián)機(jī)構(gòu)相較于串聯(lián)機(jī)構(gòu)具有更高的剛度和大承載能力。HIROSE等[8]研制了一款基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的電動(dòng)步行機(jī)器人ParaWalker。DUNLOP 等[9]設(shè)計(jì)出了一款能實(shí)現(xiàn)步行的兩足Delta機(jī)構(gòu)。BEKHIT等[10]基于傳統(tǒng)的Gough-Stewart平臺(tái)研制了一款12自由度管道攀爬機(jī)器人。田耀斌等[11]研制了一款電機(jī)驅(qū)動(dòng)的基于3RSR并聯(lián)機(jī)構(gòu)的滾動(dòng)雙三角錐機(jī)器人，通過(guò)合理規(guī)劃與控制機(jī)構(gòu)外觀(guān)變形實(shí)現(xiàn)了平面全方位動(dòng)態(tài)翻滾運(yùn)動(dòng)。李曄卓等[12]融入縮放折疊思想設(shè)計(jì)了一款可折疊雙三角錐滾動(dòng)機(jī)構(gòu)，在兼具全方位翻滾運(yùn)動(dòng)條件下可折疊成球狀實(shí)現(xiàn)快速翻滾。本文作者提出一種液壓驅(qū)動(dòng)滾動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其優(yōu)勢(shì)在于融合液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與并聯(lián)機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，具有響應(yīng)快速、機(jī)構(gòu)大變形、高剛度、大負(fù)載的特點(diǎn)。該機(jī)構(gòu)的核心是3條液壓缸驅(qū)動(dòng)反平行四邊形結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)支鏈，通過(guò)反平行四邊形結(jié)構(gòu)以液壓缸小伸縮運(yùn)動(dòng)獲得驅(qū)動(dòng)支鏈兩末端端點(diǎn)間大的距離變化，使整個(gè)機(jī)構(gòu)獲得大的外觀(guān)變形。因具有大負(fù)載和強(qiáng)勁輸出能力，機(jī)構(gòu)可應(yīng)用于軍事領(lǐng)域完成勘探和清障工作。在固定該機(jī)構(gòu)某一平面時(shí)，還可用作具有大工作空間的操作并聯(lián)平臺(tái)。

1 機(jī)構(gòu)描述

1.1 機(jī)構(gòu)組成

滾動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)三維模型如圖1(a)所示。滾動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)是由上下2個(gè)等邊三角形平臺(tái)(Ⅳ和Ⅴ)以及3個(gè)完全相同的反平行四邊形驅(qū)動(dòng)支鏈(Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ)組成。圖1(b)所示為機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，支鏈兩端分別與上、下平臺(tái)采用球副和轉(zhuǎn)動(dòng)副鉸接，上、下平臺(tái)分別簡(jiǎn)稱(chēng)為球鉸三角形平臺(tái)與轉(zhuǎn)鉸三角形平臺(tái)。驅(qū)動(dòng)支鏈為伸縮桿驅(qū)動(dòng)單自由度平面反平行四邊形機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)整體可看作經(jīng)典3RS或3SR并聯(lián)機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)整體自由度為3[13]，以液壓缸作為3個(gè)自由度輸入，通過(guò)改變各驅(qū)動(dòng)支鏈的兩端點(diǎn)間距離||AH||(=1, 2, 3)可實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)外觀(guān)變形而完成翻滾運(yùn)動(dòng)。如圖1(a)中支鏈桿ii上設(shè)置有一段過(guò)渡圓弧，結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1，以減小機(jī)構(gòu)翻滾過(guò)程的沖擊，并確保機(jī)構(gòu)靜態(tài)運(yùn)動(dòng)可行性，結(jié)合運(yùn)動(dòng)步態(tài)規(guī)劃將給出設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

(a) 三維模型；(b) 機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)力

表1 滾動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)各桿長(zhǎng)度與質(zhì)量參數(shù)

Table 1 Length and quality of each linkage of rolling parallel mechanism

經(jīng)分析，機(jī)構(gòu)存在2個(gè)奇異位型[14?15]，當(dāng)支鏈AH與球鉸三角形平臺(tái)△123共面時(shí)，機(jī)構(gòu)達(dá)到奇異位置，如圖2所示。

(a) 奇異位型1；(b) 奇異位型2

1.2 基本步態(tài)規(guī)劃

滾動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)利用液壓缸伸縮變化使自身質(zhì)心位置發(fā)生變化，通過(guò)控制其質(zhì)心在地面投影點(diǎn)超出地面支撐區(qū)域而實(shí)現(xiàn)翻滾[16?17]。機(jī)構(gòu)的翻滾運(yùn)動(dòng)步態(tài)如圖3所示，其單個(gè)翻滾周期分為5種地面支撐狀態(tài)。機(jī)構(gòu)質(zhì)心投影點(diǎn)始終沿翻滾方向支撐區(qū)域中心對(duì)稱(chēng)線(xiàn)移動(dòng)為機(jī)構(gòu)基本翻滾步態(tài)，即保證兩驅(qū)動(dòng)支鏈22與33始終伸縮同步。規(guī)定該機(jī)構(gòu)從一個(gè)三角形平臺(tái)著地狀態(tài)翻滾到另一個(gè)三角形平臺(tái)著地的過(guò)程稱(chēng)之為1個(gè)周期，簡(jiǎn)稱(chēng)為3RS狀態(tài)至3SR狀態(tài)(或反之)，其中，代表伸縮放大機(jī)構(gòu)帶來(lái)的球鉸與轉(zhuǎn)鉸距離變化，3RS狀態(tài)為轉(zhuǎn)鉸三角形平臺(tái)著地狀態(tài)。

圖3 步態(tài)規(guī)劃與基本路徑

1.3 液壓缸伸縮運(yùn)動(dòng)可行域

以基本運(yùn)動(dòng)步態(tài)規(guī)劃?rùn)C(jī)構(gòu)翻滾運(yùn)動(dòng)，液壓缸桿長(zhǎng)與機(jī)構(gòu)奇異位型決定液壓缸伸縮運(yùn)動(dòng)可行域。設(shè)置如表1所示的機(jī)構(gòu)各桿長(zhǎng)和質(zhì)量參數(shù)，其中為液壓缸桿長(zhǎng)，規(guī)定其變化范圍為280~380 mm，過(guò)渡圓弧的長(zhǎng)度，安裝面高度和圓弧半徑分別為152，30和100 mm。且第2和第3液壓缸伸縮變化同步，即||22||=||33||。機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型如圖4所示。采用數(shù)學(xué)分析工具M(jìn)atlabTM分析得到各液壓缸桿長(zhǎng)的運(yùn)動(dòng)可行域如圖5所示。

圖4 并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

圖5 液壓缸伸縮運(yùn)動(dòng)可行域

2 運(yùn)動(dòng)可行性與可行域分析

當(dāng)液壓缸桿長(zhǎng)在280~380 mm變化范圍內(nèi)時(shí)，各桿長(zhǎng)組合下的機(jī)構(gòu)質(zhì)心投影點(diǎn)將于坐標(biāo)軸上波動(dòng)。在液壓桿伸縮可行域內(nèi)，通過(guò)由機(jī)構(gòu)質(zhì)心投影點(diǎn)坐標(biāo)值變化而構(gòu)成的曲面(以下簡(jiǎn)稱(chēng)質(zhì)心曲面)與支撐區(qū)域臨界邊的關(guān)系分析可獲得機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的可行性與可行域。

1) 第1支撐狀態(tài)。圖6(a)所示為第1支撐狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)鉸三角形平臺(tái)著地狀態(tài)，支撐區(qū)域?yàn)椤?23，機(jī)構(gòu)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，將繞著邊12旋轉(zhuǎn)。圖6(b)所示為桿長(zhǎng)變化與質(zhì)心投影點(diǎn)坐標(biāo)值關(guān)系圖。在兩液壓桿伸縮可行域內(nèi)，機(jī)構(gòu)存在運(yùn)動(dòng)可行域，此時(shí)質(zhì)心超過(guò)翻滾臨界邊12，機(jī)構(gòu)處于不穩(wěn)定區(qū)域，將繞著邊12旋轉(zhuǎn)。

(a) 狀態(tài)位姿；(b) 質(zhì)心曲面圖

2) 第2支撐狀態(tài)。第2支撐狀態(tài)為驅(qū)動(dòng)支鏈22和33著地狀態(tài)，支撐區(qū)域?yàn)樗倪呅?332，機(jī)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)，如圖7(a)所示。在此支撐狀態(tài)下，機(jī)構(gòu)存在兩翻滾臨界邊23與23。如圖7(b)所示，在兩液壓桿伸縮可行域內(nèi)，機(jī)構(gòu)包括穩(wěn)定區(qū)域與兩翻滾運(yùn)動(dòng)可行域(Ⅰ和Ⅱ)，超過(guò)對(duì)應(yīng)臨界邊23或23時(shí)，機(jī)構(gòu)將實(shí)現(xiàn)繞對(duì)應(yīng)臨界邊發(fā)生的翻倒。

(a) 狀態(tài)位姿；(b) 質(zhì)心曲面圖

3) 第3支撐狀態(tài)。圖8(a)所示為第3支撐狀態(tài)時(shí)，支撐區(qū)域?yàn)樗倪呅?332。如圖8(b)所示，在兩液壓桿伸縮可行域內(nèi)，機(jī)構(gòu)質(zhì)心曲面無(wú)法超出兩翻滾臨界邊23或32，此狀態(tài)下，機(jī)構(gòu)無(wú)法實(shí)現(xiàn)靜態(tài)翻滾。因此，在機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)支鏈連桿ii上設(shè)置有一段過(guò)渡圓弧，確保此狀態(tài)下機(jī)構(gòu)處于線(xiàn)接觸狀態(tài)，使之具備在第3狀態(tài)時(shí)恢復(fù)至向第2和第4支撐狀態(tài)的翻滾可行性。

(a) 狀態(tài)位姿；(b) 質(zhì)心曲面圖

4) 第4支撐狀態(tài)。第4支撐狀態(tài)時(shí)支撐區(qū)域?yàn)樗倪呅?332，如圖9(a)所示。圖9(b)中在兩液壓桿伸縮可行域內(nèi)，機(jī)構(gòu)存在不可行域(Ⅰ和Ⅱ)與運(yùn)動(dòng)可行域(Ⅰ或Ⅱ)。超過(guò)翻滾臨界邊23或23時(shí)，機(jī)構(gòu)將分別繞臨界邊旋轉(zhuǎn)發(fā)生翻倒。

(a) 狀態(tài)位姿；(b) 質(zhì)心曲面圖

5) 第5支撐狀態(tài)。圖10(a)所示為第5支撐狀態(tài)，球鉸三角形平臺(tái)著地狀態(tài)，支撐區(qū)域?yàn)椤?23。在兩液壓桿伸縮可行域內(nèi)，機(jī)構(gòu)存在運(yùn)動(dòng)可行域，當(dāng)質(zhì)心投影超出臨界邊時(shí)，機(jī)構(gòu)將繞臨界邊23旋轉(zhuǎn)發(fā)生翻倒，如圖10(b)所示。

(a) 狀態(tài)位姿；(b) 質(zhì)心曲面圖

經(jīng)過(guò)對(duì)5種地面支撐狀態(tài)下的機(jī)構(gòu)可行性與可行域分析，可知，機(jī)構(gòu)從3RS狀態(tài)至3SR狀態(tài)或反之的運(yùn)動(dòng)是可行的。

3 仿真分析

將機(jī)構(gòu)三維模型導(dǎo)入動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMSTM中，對(duì)機(jī)構(gòu)翻滾運(yùn)動(dòng)的可行性、步態(tài)規(guī)劃的合理性以及穩(wěn)定性分析的正確性進(jìn)行驗(yàn)證。表2所示為ADAMSTM仿真環(huán)境下常規(guī)設(shè)置的機(jī)構(gòu)主要參數(shù)。

表2 ADAMSTM仿真參數(shù)

Table 2 ADAMSTMsimulation parameter

3.1 運(yùn)動(dòng)可行性仿真分析

3.1.1 3RS狀態(tài)翻滾至3SR狀態(tài)

根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)可行性分析結(jié)果，在可行域內(nèi)選取適當(dāng)?shù)臈U長(zhǎng)組合，規(guī)劃了一種機(jī)構(gòu)的基本翻滾步態(tài)，以液壓缸位移為驅(qū)動(dòng)完成仿真。3RS至3SR翻滾運(yùn)動(dòng)如圖11所示。整個(gè)過(guò)程分為8步，液壓缸桿長(zhǎng)的伸縮變化見(jiàn)表3。仿真過(guò)程中，在圖11(d)所示的第4步時(shí)，滾動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)整體質(zhì)心超出支撐區(qū)域，機(jī)構(gòu)發(fā)生翻倒，在過(guò)渡圓弧的作用下機(jī)構(gòu)將翻滾至圖11(e)所示的第5步并保持穩(wěn)定。

(a)~(h)為運(yùn)動(dòng)步態(tài)1~8

表3 運(yùn)動(dòng)各步液壓缸桿長(zhǎng)

Table 3 Length of hydraulic cylinders on each step

結(jié)合機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型與表3的桿長(zhǎng)變化，采用MatlabTM繪制整個(gè)翻滾過(guò)程中質(zhì)心位置的變化圖如圖12所示。以機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方向?yàn)檎叫?，圖中各點(diǎn)代表每一步翻滾運(yùn)動(dòng)的臨界狀態(tài)，質(zhì)心位于支撐區(qū)域的邊界上。由圖12可知：滾動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)能夠通過(guò)改變液壓缸桿長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)靜態(tài)翻滾。

圖12 翻滾運(yùn)動(dòng)中質(zhì)心位置變化

3.1.2 3SR狀態(tài)翻滾至3RS狀態(tài)

圖13所示為滾動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)由3SR翻滾至3RS狀態(tài)的仿真圖。整個(gè)翻滾過(guò)程分為8步，每步液壓缸桿長(zhǎng)變化見(jiàn)表3。翻滾過(guò)程同3RS至3SR仿真過(guò)程類(lèi)似，在圖13(d)所示的第4步至第5步時(shí)利用過(guò)渡圓弧，在慣性力的作用下實(shí)現(xiàn)翻滾。

(a)~(h)為運(yùn)動(dòng)步態(tài)1~8

由于3RS機(jī)構(gòu)的非對(duì)稱(chēng)性，滾動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)3RS-3SR和3SR-3RS 2個(gè)翻滾過(guò)程截然不同，翻滾時(shí)機(jī)構(gòu)桿長(zhǎng)變化和運(yùn)動(dòng)形式互不相同，因此每個(gè)運(yùn)動(dòng)步數(shù)的時(shí)間歷程也不同。對(duì)各步數(shù)時(shí)間歷程設(shè)置的變化，不會(huì)影響機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)可行性和翻滾運(yùn)動(dòng)結(jié)果，只改變液壓缸的伸縮速度以及對(duì)地面產(chǎn)生的沖擊。

3.1.3 第3支撐狀態(tài)翻滾至3SR狀態(tài)與3RS狀態(tài)

為驗(yàn)證當(dāng)滾動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)支鏈處于4點(diǎn)(如1，2，1，2)著地狀態(tài)時(shí)(簡(jiǎn)稱(chēng)為4PS)機(jī)構(gòu)不利用慣性力的作用，仍然具備運(yùn)動(dòng)能力且能夠選擇翻倒方向，本文對(duì)4點(diǎn)著地狀態(tài)時(shí)分別向3RS狀態(tài)與3SR狀態(tài)的翻滾運(yùn)動(dòng)可行性進(jìn)行步態(tài)規(guī)劃和仿真，翻滾過(guò)程如圖14和圖15所示。機(jī)構(gòu)均通過(guò)桿長(zhǎng)變化，使機(jī)構(gòu)質(zhì)心投影偏移至預(yù)翻滾一側(cè)，此時(shí)由于過(guò)渡圓弧的存在使機(jī)構(gòu)與地面的接觸點(diǎn)可視為圓滑滾動(dòng)配合，機(jī)構(gòu)將在不受慣性力作用下自由翻倒，并分別經(jīng)過(guò)6步運(yùn)動(dòng)后翻滾至轉(zhuǎn)鉸三角形平臺(tái)著地狀態(tài)和球鉸三角形平臺(tái)著地狀態(tài)。仿真結(jié)果表明滾動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)處于4點(diǎn)著地狀態(tài)時(shí)可實(shí)現(xiàn)向2個(gè)方向的翻滾運(yùn)動(dòng)。

(a)~(f)分別對(duì)應(yīng)運(yùn)動(dòng)步態(tài)1~6

(a)~(f)分別對(duì)應(yīng)運(yùn)動(dòng)步態(tài)1~6

基于機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)步態(tài)的特點(diǎn)，過(guò)渡圓弧的設(shè)計(jì)應(yīng)該具備以下2個(gè)特點(diǎn)：

1) 在4點(diǎn)著地狀態(tài)(4PS)時(shí)，如圖14(a)所示，過(guò)渡圓弧輪廓不超出DF的連線(xiàn)，即不會(huì)與地面干涉。

2) 在圖14(b)所示翻滾過(guò)程中，過(guò)渡圓弧應(yīng)盡量位于機(jī)構(gòu)DF連線(xiàn)的垂直平分線(xiàn)上，使機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)向兩側(cè)方向順利地翻滾。

經(jīng)過(guò)對(duì)機(jī)構(gòu)5種地面支撐狀態(tài)的仿真分析表明，機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)在任何姿態(tài)下的翻滾運(yùn)動(dòng)。并且，前述的理論分析均采用不考慮慣性力對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的作用，因此，理論上，過(guò)渡圓弧對(duì)實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)起著關(guān)鍵性作用。而對(duì)于實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程，機(jī)構(gòu)的速度、加速度均可調(diào)整時(shí)，過(guò)渡圓弧將起著平滑的翻滾運(yùn)動(dòng)過(guò)渡與避免強(qiáng)烈沖擊的作用。圖16所示為機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)路徑，在每個(gè)翻滾周期的初始狀態(tài)，機(jī)構(gòu)具有3種不同運(yùn)動(dòng)路徑，能夠?qū)崿F(xiàn)3個(gè)方向的翻滾運(yùn)動(dòng)。

圖16 機(jī)構(gòu)滾動(dòng)路徑

3.2 液壓缸行程、速度與推力分析

圖17所示為3RS-3SR狀態(tài)仿真過(guò)程中液壓缸行程、速度和推力變化曲線(xiàn)。由圖17可知：液壓缸在翻滾周期內(nèi)受力和速度曲線(xiàn)同時(shí)出現(xiàn)3次顯著波峰，分別對(duì)應(yīng)的液壓缸行程曲線(xiàn)上3段水平直線(xiàn)的時(shí)間段，即液壓桿長(zhǎng)度保持不變。3次波峰分別對(duì)應(yīng)圖11(c)，(e)與(g)所示的三步運(yùn)動(dòng)過(guò)程，此期間機(jī)構(gòu)由于翻倒，速度變化且與地面發(fā)生碰撞產(chǎn)生沖擊力。忽略沖擊影響時(shí)，液壓缸工作的平均速度約為10 mm/s，最大速度為24 mm/s，受力平均約為400 N。可以視為低速運(yùn)行仿真過(guò)程。

(a) 液壓缸行程曲線(xiàn)；(b) 液壓缸速度曲線(xiàn)；(c) 液壓缸推力曲線(xiàn) 1—B1E1；2—B2E2或B3E3。

圖18所示為3SR-3RS狀態(tài)仿真過(guò)程中液壓缸行程、速度和推力變化曲線(xiàn)，忽略沖擊影響時(shí)，液壓缸工作的平均速度約為15 mm/s，最大速度為37 mm/s，受力平均為500 N。

(a) 液壓缸行程曲線(xiàn)；(b) 液壓缸速度曲線(xiàn)；(c) 液壓缸推力曲線(xiàn) 1—B1E1；2—B2E2或B3E3。

對(duì)比2個(gè)翻滾過(guò)程可知：圖17中液壓缸工作的平均推力和速度均不超過(guò)3SR-3RS狀態(tài)仿真過(guò)程，且運(yùn)動(dòng)速度、推力均滿(mǎn)足實(shí)際的液壓缸運(yùn)動(dòng)需求。

實(shí)際應(yīng)用中，由于運(yùn)動(dòng)過(guò)程中機(jī)構(gòu)與地面的沖擊會(huì)對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，因此對(duì)于仿真分析過(guò)程中的沖擊在實(shí)際中不能被忽略。故在考慮實(shí)際樣機(jī)實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以通過(guò)優(yōu)化運(yùn)動(dòng)步態(tài)和在某些強(qiáng)烈沖擊部件下適當(dāng)增加減震材料以預(yù)防振蕩沖擊對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)造成的損害。

4 結(jié)論

1) 設(shè)計(jì)了一種采用液壓驅(qū)動(dòng)的滾動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)采用液壓缸驅(qū)動(dòng)反平行四邊形支鏈而獲得大的外觀(guān)變形。融合液壓系統(tǒng)與并聯(lián)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，使?jié)L動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有快速響應(yīng)、大變形、高剛度、大負(fù)載能力。

2) 規(guī)劃了滾動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的基本翻滾運(yùn)動(dòng)步態(tài)，并對(duì)滾動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)翻滾過(guò)程中5種地面支撐狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)可行性與可行域進(jìn)行了分析。

3) 利用動(dòng)力學(xué)仿真軟件進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，對(duì)滾動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的翻滾步態(tài)仿真，驗(yàn)證了機(jī)構(gòu)翻滾的可行性、理論分析的正確性，同時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為樣機(jī)研制提供了數(shù)據(jù)參考。

4) 鑒于本并聯(lián)機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性，本文進(jìn)行了基本滾動(dòng)步態(tài)和靜力學(xué)分析，后續(xù)可對(duì)機(jī)構(gòu)步態(tài)優(yōu)化和動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行研究，將進(jìn)一步提高其運(yùn)動(dòng)能力。

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(編輯 趙俊)

Locomotion feasibility and simulation analysis for a rolling parallel mechanism with hydraulic driven

SHEN Haikuo, HUANG Qilai, DING Wan, TONG Longfei, YAO Yan’an

(School of Mechanical Electronic and Control Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China)

A novel three-degree of freedom rolling parallel mechanism was proposed. Its each branch chain was driven by a hydraulic cylinder based on the anti-parallelogram mechanism. Large deformation of the overall appearance was obtained by taking advantage of the branches with their telescopic ratio amplification abilities. Flexible locomotion and large load capacity were guaranteed through the rapid response and powerful strength output of the hydraulic system. The mechanical configuration and the singular types under certain conditions of the mechanism were described. Five supporting states in one rolling period and the feasible region of the hydraulic rod on specified parameters were given. The locomotion feasibility and feasible region of the mechanism on these five states were focused on. The dynamics simulation for rolling locomotion was taken based on ADAMSTM. The results show that the rolling locomotion is feasible. Meanwhile, the stroke, velocity and force of the hydraulic cylinders are obtained to provide

for designing experimental prototype and configuration optimization.

hydraulic driven; anti-parallelogram mechanism; rolling parallel mechanism; locomotion feasibility analysis; dynamics simulation

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.06.012

TG156

A

1672?7207(2016)06?1906?10

2015?06?07；

2015?09?10

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2014JBZ016)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51405013)(Project(2014JBZ016) supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities; Project(51405013) supported by the National Natural Science Foundation of China)

沈海闊，副教授，從事機(jī)電控制和智能測(cè)試研究；E-mail：Shenhk@bjtu.edu.cn