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基于半转机构的类两足步行机构相对运动空间分析

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基于半转机构的类两足步行机构相对运动空间分析陈富强,邱 晗。刘京亮,王孝义,邱支振(安徽工业大学机械工程学院,安徽 马鞍山243032)摘要:基于半转机构的类两足步行机构是-种新型单自由度行走机构,适用于步行车的移动系统。针对类两足步行机构运行过程中有着不同于传统腿式步行机构的扫略规律,在给出类两足步行机构基本构型和行走原理的基础上,以机架为参考系,解析-级转臂、二级转臂、腿杆和弯头定位杆等重要组件在运动过程中外轮廓形成规律,综合获得类两足步行机构相对运动空间。研究结果为防止步行车行走机构与机身发生干涉、以及实现步行车相关结构精准化设计奠定理论基矗关键词:类两足步行机构;半转机构;相对运动空间;步行车辆中图分类号:TH112 文献标志码:A doi:10.3969.issn.1671-7872.2013.02.012Relative M ovement Volume of Biped-imitating Walking MechanismBased on Half-rotating M echanismCHEN Fuqiang,QIU Han,LIU JingHang,WANG Xiaoyi,QIU Zhizhen(School of Mechanical Engineering,Anhui University of Technology,Ma'anshan 243032,China)Abstract:The Biped-Imitating Walking Mechanism(BIWM)based on Half-Rotating Mechanism fIRM)is a newwalking mechanism with only one degree,which is particularly applicable to mobile system of walking vehicle.Inorder to precisely design the structure ofwalking vehicle body,it is necessary to get the sweeping role ofBIWM duringrtning that is diferent from traditional walking mechanism.The basic structure and walking principle ofBIWM werefirstly introduced in detail.Taking vehicle body as reference system,the external contours of main components,includingfirst-level rotatingarm,second-level rotatingarm,leg andbendingposition rodwerefu erproposed.Th erelative movement volume of BIWM was finally presented by synthesizing the above external contours and theirdistribution along shaft axes.The research results are helpful to precisely design the body of walking vehicle usingBIW M and avoid the interference between BIW M an d vehicle body。

Key words:biped-imitating walking mechanism;half-rotating mechanism;relative movement volume;walking vehicle半转机构是-种模拟动物器官的不对称运动而产生的新型机构,当输入运动为转动时,它能够产生不对称的运动输出u 。动物步行过程中的腿部前后摆动实质上是-种不对称运动(如着地腿向后伸直蹬地实现前行推动,离地腿则向前弯曲抬起完成交替迈步) ,利用半转机构不对称运动特点,将它扩展设计成1种类两足行走的步行机构,可以实现两足交替步行移动 。因该类两足步行机构结构简单、自由度少,特别适用于步行车辆平台的移动机构,如要求具有良好越障l生能的月球车腿式移动系统等 。然而,这些步行式移动系统-般有结构紧凑、质量轻、可靠性高等的要求,其车身体积因此受到严格制约;另-方面,类两足步行机构在运行过程中有着不同于传统腿式步行机构的扫略规律。因此精确分析和利用类两足步行机构相对运动空间,对实现机身结构(尤其是与步行机构相关联部位的结构)精准设计、防止步行式移动系统运动时行走机构与机身构件发生干涉具有重要意义。

收稿 日期 :2013-01-31基金项目:国家自然科学基金项 目(50975001)作者简介:陈富(1960-),男,安徽巢湖人,副教授,研究方向为仿生机械、冶金设备设计与制造等。

第2期 陈富强等:基于半转机构的类两足步行机构相对运动空间分析 155笔者在分析类两足步行机构构型及其行走原理的基础上,采用包络法,以行走平台机身为参照系,探讨步行机构主要构件在运动过程中空间扫略规律,以便将这些规律应用到步行平台机身的精准设计上。

1类两足步行机构基本结构及其步行原理如图1所示,类两足机构在机架l两侧对称安装2个-级转臂,并于-级转臂的外侧在动轮上各自固连二级转臂6和10,二级转臂6和10的末端点分别与腿杆7和9的对称中心以转动副相连,腿杆7和9也随二级转臂分布在机架的两侧。定位曲柄l7、弯头定位杆2,16、-级转臂4,12和机架1共同构成双曲柄四杆机构,定位曲柄17和-级转臂传动系中心距等长并与-级转臂平行安装,从而保证定位杆始终处于铅垂状态。

弯头定位杆上设计安装有铰式滑块,该滑块在腿杆的滑槽内滑动。需要指出的是,与-级转臂相同,定位曲柄和弯头定位杆也成对地对称安装在机架的两侧。类两足步行机构2个二级转臂的转动分别由对应的-级转臂动轮直接驱动,腿杆的转动则由其对称中心点移动、弯头定位杆平移和滑块滑动等运动综合作用形成。

当主轴15带动-级转臂4,12以转速碟 动时,二级转臂6和10以转速co/2转动,腿杆7和9则分别以转速 转动。随着主轴的转动 ,腿杆将依次进行抬腿、迈腿和落腿等步行动作,实现两足行走的效果。主轴旋转l周,二级转臂旋转180。,两腿杆分别转动90。,完成单步行走。综上所述,类两足步行机构是1个单自由度行走机构,仅需在主轴处输人1个转动动力即可实现机构的步行功能。

为了实现稳定移动,采用 4个类两足步行机构的行走平台,其原型示意如图2。

2 步行机构主要组件的相对运动空间相对运动空间指以行走系统机身(机架)为参考系,步行机构运行过程中所扫略的外轮廓空间,即步行机构相对于机身的运动空间。

由于步行机构运动过程中各组件均作平面运动且运动平面相互平行,为便于获得各组件运动形成的外轮廓,文中在分析过程中将主要组件(包括主轴、-级转臂、二级转臂和腿杆等)向机架对称面进行投影,从而将空间解析模型简化成平面解析模型。令-级转臂长度为a,厚度为 ;二级转臂长度为26,厚度为 ,腿杆长度为2c,厚度为 。

2.1 -级转臂的相对运动空间当-级转臂以主轴为中心转动时,所形成的相对运动空间如图3所示。

机架弯头定位杆传动链- 级转臂动轮二级转臂腿杆图1 类两足步行机构结构示意图Fig.1 Structure 0fBI、)l,M 图2 基于类两足步行机构的行走平台原型Fig.2 WalkingvehiclebasedonBIWM 主图3 -级转臂相对运动空间Fig.3 Relative movement volume of first-levelrotating rod2.2二级转臂的相对运动空间以主轴中心0为原点,建立惯性坐标系Oxy,如图4。当-级转臂转动角度 时,二级转臂同向转动/2。令-级转臂和二级转臂的连接关节点为G,-级转臂OG以0点为旋转中心,其速度瞬心为D;当-级转臂转动任意角度 时,由于G也是二级转臂EF上的点,二级转臂转速为-级转臂1/2,因而二级转臂速度156 安 徽 工 业 大 学 学 报(自然科学版) 2013经瞬心P在线段 GO的延长线上 ,且 OPOG。过点P作二级转臂垂线且交点为 ,根据包络线的相关原理嗍,点M即为该时刻二级转臂的包络点。

- 级转臂 OG转动角度 时,点G和P的位置为:a a sinI G-OGcos -口cosJ P-OGsinb-口sine ,1、LyPOGcos 口cos 、依据上述几何关系,得到 的位置为:XM0- 口可见,步行机构运动时,若以机架为参考系,二级转臂的包络线缩至成定点。另外,当-级转臂转动角度 时,二级转臂端点E和F的位置分别为:l E cos( 吾兀)6cos 兀)1 :口sin 寻 b sin( 口c0s 寻尢)6 cos等1 ,:口 in 寻7c)6sin善由式(2),(3)可知:二级转臂两端点运动轨迹是重合的,并且当b<2a时,包络点 (0,- 在二级转臂端点轨迹上;当b>2a时,包络点 在端点轨迹的封闭曲线内。综上所述,二级转臂相对运动空间即为其某个端点运动轨迹的外轮廓,如图5所示。

2.3 腿杆的相对运动空间2.3.1 腿杆的速度瞬心及其包络线 将步行机构-级转臂处于竖直、二级转臂处于水平以及两腿杆与二级转臂分别成45。时的姿态作为初始相位。与2.2节类似,以主轴中心为原点,建立惯性坐标系Oxy(n图6示),),轴与-级转臂初始位置重合。-级转臂与二级转臂连接关节点为G,二级转臂与腿杆AB,CD的连接关节点分别为E,F。

I 、、 -、 ,、 ,- P 、 o :粕 、墨 ./;/2 、, M /图4 二级转臂转动示意Fig.4 Rotating motion of second-level rotating rod图5 二级转臂运动空间示意图Fig.5 Relative movement volume of second-levelrotating rod- ~ CA~ 7 厂尸。 / M 、 d/4Q图6腿杆速度瞬心及其包络点示意Fig.6 Instantaneous centre of velocityand envelope line of leg rodJxacos(# 7c)6c。s( cc。s( 7c)a s( 7)6 sin( 兀)c sin( 丢 (4)二 二 二籀 ㈣ 口siIl(兰兀)6sin( 尢)c sin(- 导兀)158 安 徽 工 业 大 学 学 报(自然科学版) 2013正的相对运动空间,如图l1所示。图11中:a为-级转臂长度;6为二级转臂-半长度;c为腿杆-半长度; 为-级转臂厚度; 为二级转臂厚度; 为腿杆厚度;cI为弯头定位杆左视方向总宽度;盔为弯头定位杆壁厚;厶为定位销钉与定位杆横梁内壁之间距离;厶为定位销钉与定位孔之间距离由图l1可见,步行机构机架两侧组件的相对运动空间是关于机架1对称的。

(a)主视图 (b)左视图图l0 弯头定位杆运动空间示意图Fig.10 Relative movement volume ofbending rodforposition1.机架;2.弯头定位杆运动空间轮廓;3.腿杆运动空间轮廓;4.二级转臂运动空间轮廓;5.主轴;6.-级转臂运动空间轮廓;7.定位曲柄轴;8.定位曲柄运动空间轮廓图1l步行机构相对运动空间Fig.11 Relative movement volume of BIW M4 结 论类两足步行机构是采用半转机构设计出的1种新型单自由度步行机构,适合于用作步行车辆平台的移动系统。为防止行走过程中步行机构与步行平台车身发生碰撞干涉,对步行机构各组件相对于车身的运动空间进行理论推导分析,最终获得类两足步行机构的相对运动空间规律。该规律的揭示可为车体上与步行移动系统关联的部位实现精准结构设计提供依据,对减小步行车辆车身尺寸、实现精量设计有理论指导意义。

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