鉸鏈四連桿在積木式開源硬件平臺下的設計要點

譚梓煒

摘要：針對鉸鏈四連桿機構在大型雷達天線折疊過程中的廣泛應用，通過兩種鉸鏈連桿機構的剛體動力學計算分析、精度定性分析的比較，獲取鉸鏈四連桿機構在工程實際應用中應該注意和考慮的幾點事項。針對鉸鏈四連桿機構運動設計解析法的復雜性，在建立機構運動幾何方程的基礎上，利用牛頓迭加法進行數值求解。通過對不同步長以及差分格式的選取比較，確定了計算桿件速度和加速度的合適的差分公式。運用Mad語言強大的計算及圖形可視化功能，獲得了精確的數值結果和提高了設計的效率。

關鍵詞：鉸鏈四連桿；模塊化；Makeblock

一 緒論

1.1 研究現狀

鉸鏈四連桿（RSSR）機構能夠用來獲得運動的空間定向軸之間的機械輸入輸出關系[1]。一個空間四桿機構具有把連接固定連桿任意取向的兩個旋轉接頭或兩個球形接頭曲柄連接到耦合器連結的功能[2]。其曲柄機構具有的擺動運動相對于錐齒輪的非線性關系，由輸入和輸出之間的聯系獲得。與齒輪聯軸器相比，它們軸之間具有相對大的距離修長。分析一個空間四連桿機構的合成是一個有吸引力和挑戰性的問題。一些作者已在剛性連接機制方面做出顯著的貢獻[3]。

獲得部分或全部通過靈活的偏轉機制被列為柔順機構，柔性機構已經經過調查發現其具有顯著優點。鉸鏈四連桿機構是其中一種，鉸鏈四連桿機構的另一個優點是可以存儲為變形彈性能，所以沒有必要對彈簧機構返回到的原始位置進行計算[5]。合規機制可以劃分為完全兼容和部分兼容兩種機制。近年來，一些研究人員已經完成了分析設計鉸鏈四連桿機構的工作。但是，也有基于鉸鏈四連桿機構一些缺點的研究，其中之一是因為應力局限導致相對小的位移。因此，鉸鏈四連桿的設計是柔順機構研究的一個重要部分。文獻中已經存在用于分析和柔性機構設計的幾種方法，Matlab技術可以連接關節和扭轉彈簧[6]。由此看來可以用于當柔性機構符合一定規律的設計計算，這樣，鏈接可以假定由剛性和彎曲樞軸兩部分組成，機制可以假定為扭轉彈簧。該技術適用于剛體開發和技術標準的設計。

1.2 鉸鏈四連桿（RSSR）運動學分析

在標準的RSSR分析之前，剛性RSSR運動學分析過程是必需的.圖1顯示了PRBM的應用。無論繞其軸線耦合器（其也被約束在柔順RSSR）如何旋轉，該機構都具有一度的自由度[7]。一個RSSR和一個約軸旋轉轉換成空間的二軸旋轉。根據不同的比例，運動可以是雙曲柄，曲柄搖桿或雙搖桿式的。參照圖1，A2 =驅動曲柄（聯系2），A3 =的長度耦合鏈路（鏈路3），A4 =從動連桿的長度（聯系4），p的長度=| OC|的垂直轉動對的軸之間的共同長度，F =從共用的腳垂直于通過點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B中所述的曲柄圓的中心的距離，θ=曲柄角（逆時針方向測量）χ=從動連桿的位移的軸線之間的角度（x軸正方向）。

二 開源平臺的設計

2.1 MAKEBLOCK軟件系統

為了從機器人的模擬間斷網絡抽樣，一個名為“MAKEBLOCK”的'軟件系統被開發出來，使用的是Borland Delphi5.0軟件開發工具。

MAKEBLOCK的主要功能有：

1.提供一個友好的用戶界面；

2.通過蒙特卡羅模擬的方法模擬一個網絡中斷技術，在幾何擬合分布討論不連續套參數；

3.判斷來自模擬間斷網絡機器人三維動作；

4.計算電子模塊的頂點，體積，三維尺寸和三維形狀指數的坐標；

5.分析電子模塊的預測大小和形狀分布；

6.用于輸入，編輯和排序3D和2D圖形塊并提供了一個多功能的圖形環境；

7.使用內置的數據庫管理所有的數據。

MAKEBLOCK的典型界面示見圖2。

2.2 開源硬件平臺

氣缸網用來設計樹模型，在攪拌機和圓飛機被用于設計樹中離開。材料和幾何形狀加入到樹模型。在這之后，樹模型導出2個文件，材料和.mesh。然后將這些2個文件保存在質地中，轉化為.j3o文件。然后.j3o文件被保存在模型文件夾，以便可以起到內裝機器人仿真作用。

立方體平面縮放可細分為10個模塊，然后選擇相應的小方塊運行，并將其擠壓至0.5mm的設計高度內。室外環境不平整的地面是在機器人仿真內提交的，并一步表示出來。材料和幾何形狀加入到該環境模型中。在此之后，環境模型輸出2個文件，材料和.mesh。然后將這2個文件保存在質地并轉化為.j3o文件。然后.j3o文件被保存在模型文件夾，以便它可以在機器人仿真內被裝載。

2.3移動應用控制器

該應用程序使用了Android設備，藍牙模塊控制無論是從觸摸按鍵的輸入或使用加速度計，都通過傾斜的Android device.In的兩種模式，這是“按鈕模式”，由麻省理工學院應用Inventor軟件機構開發設計的，這在圖5和圖6分別指出[8]。在“加速度模式”下，需要在Android設備上予以傾斜，并按下“ON”按鈕，輸入并發送到移動夾持機器人。機器人的運動將與Android設備的傾斜同步，每次按下“ON”按鈕，在“按鈕模式”的Android設備將會從觸摸屏讀取輸入發送特定的輸入移動機器人。在這種模式下，夾持器的控制將被用來包括加速計模式在內的比較，并控制機器人的運動。升降機按鈕放下后，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，移動把持機器人將自動終止輸入，順序通過來自傳感器的讀數向前移動，并可以打開任一方式。

該機器人的控制系統采用Arduino和藍牙模塊超聲波傳感器技術，增強了機器人的移動夾持能力。添加的藍牙模塊具有特定MAC地址，在Android應用程序中起編程作用，因此應用程序將無需用戶搜索或掃描，可用藍牙自動連接到移動夾持機器人。同時，超聲波傳感器可以用于檢測遇到的機器人，以便它可以避開障礙物。機器人控制流程示見圖4。

2.4圖像處理

首先，用戶需要確定目標對象（垃圾）的顏色和形狀。通過跟蹤圖像處理調整色彩RGB[9]。除此之外，光強度變化的直方圖顯示色調設置。 還有，精確的邊緣檢測器與超聲波傳感器一起工作的技術已經運用，并避免了障礙。接著，機器人運動將與圖像處理同步運行。

此外，該機器人安裝的手臂和夾持器能夠夾住并拿起對象。因為，這項目只是一個原型的機器人，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器人將受害者從災難中救出，采摘放射性物質，或改善戰略環境中的測試技術并且在制造組件中一起使用。

第四章 結論

本文證明，用簡單的Android和RSSR設備和另外一個Android應用程序，可以被用來控制移動機器人。已經有關于使用Android設備的記錄，但該項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），可以集成到教學和學習創建一個框架，控制移動機器人等研究項目。

機器人仿真成功在于JmonkeyEngine正確運行。不同的環境是編程模擬里面不同的場景。該機器人仿真能夠訪問外部網絡攝像頭的實時視頻，并且能夠用于導航和目標檢測。

機器人能夠成功地檢測目標對象，并且可以識別真實機器人以及視覺機器人的位置。用戶可以通過流媒體直播的機器來監控并使用機器人。

參考文獻：

[1]梁永江.四連桿飛剪機的優化設計研究[D].湖南大學，2009.

[2]張珂.復擺顎式破碎機有限元優化研究[D].西華大學，2009.

[3]關維娟，陳清華.平面連桿機構的可視化運動分析及仿真[J].機械，2008，v.3512：21-23.

[4]王鷹宇.平面柔性機械設計方法[D].四川大學，2003.

[5]葉鵬.抽油機井系統效率的數值模擬分析與試驗研究[D].東北石油大學，2011.

[6]李娜.基于數據庫技術的連桿機構參數化設計與運動仿真[D].西安建筑科技大學，2008.

[7]顧新春.基于BP神經網絡算法的四桿機構軌跡分析[D].合肥工業大學，2007.

[8]房景仕，張增太.鉸鏈四連桿機構在雷達設計中的分析與應用[J].機械制造與自動化，2007，No.19306：55-56+63.

[9]路遵友.機液綜合機構學中平面四桿機構的動態特性研究[D].蘭州理工大學，2007.