铰链四连杆在积木式开源硬件平台下的设计要点

谭梓炜

摘要：针对铰链四连杆机构在大型雷达天线折叠过程中的广泛应用，通过两种铰链连杆机构的刚体动力学计算分析、精度定性分析的比较，获取铰链四连杆机构在工程实际应用中应该注意和考虑的几点事项。针对铰链四连杆机构运动设计解析法的复杂性，在建立机构运动几何方程的基础上，利用牛顿迭加法进行数值求解。通过对不同步长以及差分格式的选取比较，确定了计算杆件速度和加速度的合适的差分公式。运用Mad语言强大的计算及图形可视化功能，获得了精确的数值结果和提高了设计的效率。

关键词：铰链四连杆；模块化；Makeblock

一 绪论

1.1 研究现状

铰链四连杆（RSSR）机构能够用来获得运动的空间定向轴之间的机械输入输出关系[1]。一个空间四杆机构具有把连接固定连杆任意取向的两个旋转接头或两个球形接头曲柄连接到耦合器连结的功能[2]。其曲柄机构具有的摆动运动相对于锥齿轮的非线性关系，由输入和输出之间的联系获得。与齿轮联轴器相比，它们轴之间具有相对大的距离修长。分析一个空间四连杆机构的合成是一个有吸引力和挑战性的问题。一些作者已在刚性连接机制方面做出显著的贡献[3]。

获得部分或全部通过灵活的偏转机制被列为柔顺机构，柔性机构已经经过调查发现其具有显著优点。铰链四连杆机构是其中一种，铰链四连杆机构的另一个优点是可以存储为变形弹性能，所以没有必要对弹簧机构返回到的原始位置进行计算[5]。合规机制可以划分为完全兼容和部分兼容两种机制。近年来，一些研究人员已经完成了分析设计铰链四连杆机构的工作。但是，也有基于铰链四连杆机构一些缺点的研究，其中之一是因为应力局限导致相对小的位移。因此，铰链四连杆的设计是柔顺机构研究的一个重要部分。文献中已经存在用于分析和柔性机构设计的几种方法，Matlab技术可以连接关节和扭转弹簧[6]。由此看来可以用于当柔性机构符合一定规律的设计计算，这样，链接可以假定由刚性和弯曲枢轴两部分组成，机制可以假定为扭转弹簧。该技术适用于刚体开发和技术标准的设计。

1.2 铰链四连杆（RSSR）运动学分析

在标准的RSSR分析之前，刚性RSSR运动学分析过程是必需的.图1显示了PRBM的应用。无论绕其轴线耦合器（其也被约束在柔顺RSSR）如何旋转，该机构都具有一度的自由度[7]。一个RSSR和一个约轴旋转转换成空间的二轴旋转。根据不同的比例，运动可以是双曲柄，曲柄摇杆或双摇杆式的。参照图1，A2 =驱动曲柄（联系2），A3 =的长度耦合链路（链路3），A4 =从动连杆的长度（联系4），p的长度=| OC|的垂直转动对的轴之间的共同长度，F =从共用的脚垂直于通过点A所描述的曲柄圆的中心的距离，G =| CG|（从x轴正方向），ξ=从共同的脚垂直于由点B中所述的曲柄圆的中心的距离，θ=曲柄角（逆时针方向测量）χ=从动连杆的位移的轴线之间的角度（x轴正方向）。

二 开源平台的设计

2.1 MAKEBLOCK软件系统

为了从机器人的模拟间断网络抽样，一个名为“MAKEBLOCK”的'软件系统被开发出来，使用的是Borland Delphi5.0软件开发工具。

MAKEBLOCK的主要功能有：

1.提供一个友好的用户界面；

2.通过蒙特卡罗模拟的方法模拟一个网络中断技术，在几何拟合分布讨论不连续套参数；

3.判断来自模拟间断网络机器人三维动作；

4.计算电子模块的顶点，体积，三维尺寸和三维形状指数的坐标；

5.分析电子模块的预测大小和形状分布；

6.用于输入，编辑和排序3D和2D图形块并提供了一个多功能的图形环境；

7.使用内置的数据库管理所有的数据。

MAKEBLOCK的典型界面示见图2。

2.2 开源硬件平台

气缸网用来设计树模型，在搅拌机和圆飞机被用于设计树中离开。材料和几何形状加入到树模型。在这之后，树模型导出2个文件，材料和.mesh。然后将这些2个文件保存在质地中，转化为.j3o文件。然后.j3o文件被保存在模型文件夹，以便可以起到内装机器人仿真作用。

立方体平面缩放可细分为10个模块，然后选择相应的小方块运行，并将其挤压至0.5mm的设计高度内。室外环境不平整的地面是在机器人仿真内提交的，并一步表示出来。材料和几何形状加入到该环境模型中。在此之后，环境模型输出2个文件，材料和.mesh。然后将这2个文件保存在质地并转化为.j3o文件。然后.j3o文件被保存在模型文件夹，以便它可以在机器人仿真内被装载。

2.3移动应用控制器

该应用程序使用了Android设备，蓝牙模块控制无论是从触摸按键的输入或使用加速度计，都通过倾斜的Android device.In的两种模式，这是“按钮模式”，由麻省理工学院应用Inventor软件机构开发设计的，这在图5和图6分别指出[8]。在“加速度模式”下，需要在Android设备上予以倾斜，并按下“ON”按钮，输入并发送到移动夹持机器人。机器人的运动将与Android设备的倾斜同步，每次按下“ON”按钮，在“按钮模式”的Android设备将会从触摸屏读取输入发送特定的输入移动机器人。在这种模式下，夹持器的控制将被用来包括加速计模式在内的比较，并控制机器人的运动。升降机按钮放下后，抓手、抓地力和释放夹子是可用的。而在这种模式下，包括其它用于避免障碍的超声波传感器的检测。与超声波接通时，移动把持机器人将自动终止输入，顺序通过来自传感器的读数向前移动，并可以打开任一方式。

该机器人的控制系统采用Arduino和蓝牙模块超声波传感器技术，增强了机器人的移动夹持能力。添加的蓝牙模块具有特定MAC地址，在Android应用程序中起编程作用，因此应用程序将无需用户搜索或扫描，可用蓝牙自动连接到移动夹持机器人。同时，超声波传感器可以用于检测遇到的机器人，以便它可以避开障碍物。机器人控制流程示见图4。

2.4图像处理

首先，用户需要确定目标对象（垃圾）的颜色和形状。通过跟踪图像处理调整色彩RGB[9]。除此之外，光强度变化的直方图显示色调设置。 还有，精确的边缘检测器与超声波传感器一起工作的技术已经运用，并避免了障碍。接着，机器人运动将与图像处理同步运行。

此外，该机器人安装的手臂和夹持器能够夹住并拿起对象。因为，这项目只是一个原型的机器人，夹具不具有抓握物体的重量大于5公斤的能力。表明用户能够使用机器人将受害者从灾难中救出，采摘放射性物质，或改善战略环境中的测试技术并且在制造组件中一起使用。

第四章 结论

本文证明，用简单的Android和RSSR设备和另外一个Android应用程序，可以被用来控制移动机器人。已经有关于使用Android设备的记录，但该项目的主要目的是为了显示源五金（Android版，Arduino的）和软件如何打开（jMonkey，贾西姆平台），可以集成到教学和学习创建一个框架，控制移动机器人等研究项目。

机器人仿真成功在于JmonkeyEngine正确运行。不同的环境是编程模拟里面不同的场景。该机器人仿真能够访问外部网络摄像头的实时视频，并且能够用于导航和目标检测。

机器人能够成功地检测目标对象，并且可以识别真实机器人以及视觉机器人的位置。用户可以通过流媒体直播的机器来监控并使用机器人。

参考文献：

[1]梁永江.四连杆飞剪机的优化设计研究[D].湖南大学，2009.

[2]张珂.复摆颚式破碎机有限元优化研究[D].西华大学，2009.

[3]关维娟，陈清华.平面连杆机构的可视化运动分析及仿真[J].机械，2008，v.3512：21-23.

[4]王鹰宇.平面柔性机械设计方法[D].四川大学，2003.

[5]叶鹏.抽油机井系统效率的数值模拟分析与试验研究[D].东北石油大学，2011.

[6]李娜.基于数据库技术的连杆机构参数化设计与运动仿真[D].西安建筑科技大学，2008.

[7]顾新春.基于BP神经网络算法的四杆机构轨迹分析[D].合肥工业大学，2007.

[8]房景仕，张增太.铰链四连杆机构在雷达设计中的分析与应用[J].机械制造与自动化，2007，No.19306：55-56+63.

[9]路遵友.机液综合机构学中平面四杆机构的动态特性研究[D].兰州理工大学，2007.