基于SimMechanics的脚踏垃圾箱运动学仿真

孔艳艳

(闽西职业技术学院 机械工程系，福建 龙岩 364021)

基于SimMechanics的脚踏垃圾箱运动学仿真

孔艳艳

(闽西职业技术学院 机械工程系，福建 龙岩 364021)

为研究脚踏垃圾箱的运动学特性，解决箱盖开合度不够等问题，对垃圾箱机构进行运动学仿真。运用Matlab中的SimMechanics功能模块绘制结构框图并仿真，获取关键处的位移、速度和角速度仿真曲线。仿真结果表明：该方法无需数学建模和编程，具有快捷、准确直观、功能强大等优点。

脚踏垃圾箱；运动学；SimMechanics

我国是世界上垃圾包袱最重的国家之一，如何科学合理的收集、处理垃圾，设计合理的垃圾箱，是必须要解决的问题。然而市场上现有的智能翻盖垃圾箱多采用感应式，对环境要求较高，无法在户外推广使用。目前常见的室外翻盖垃圾箱也存在手动开启翻盖太脏过重，开合度不够等问题[1]。本文采用连杆机构和杠杆机构的组合机构，以脚踏代替手动开启，解决手动开启翻盖的问题；使用杠杆机构，节省脚踏处的动力，解决开启翻盖过重问题；采用基于SimMechanics模块对脚踏垃圾箱进行建模和运动学仿真，借助Matlab软件分析机构的运动参数，优化箱盖的开合过程，并在合理的脚踏高度上，设置合理的开合度。

1 脚踏垃圾箱机构的简化及运动分析

脚踏垃圾箱可以简化为多个四杆机构、曲柄滑块机构和杠杆组合而成的机构(如图1所示)。图1中脚踏处滑块只能上下往复运动，开启时脚踏处滑块为原动件，动力经连杆、滑块、杠杆等构件，最后顶起箱盖，实现箱盖的开启。闭合过程靠箱盖的重力自动完成。根据使用要求，箱盖绕A处的最大开合度应在50°～70°之间。

该简化机构的自由度为：

F=3n-2PL=3×7-2×10=1

(1)

机构具有确定运动的条件是机构的原动件数目等于机构自由度的数目F。此垃圾箱机构原动件个数为1，式(1)计算得出机构自由度为1，所以此机构具有确定的运动方式。

图1 脚踏垃圾箱机构简图

2 机构数学模型的建立

在该机构的支链上引入闭环结构，其位移矢量图[2-3]，如图2所示。该机构的闭环矢量约束方程为：

(2)

(3)

(4)

将上述3个方程投影到正交坐标系中可得到6个位置约束方程，再分别对6个位置约束方程关于时间t求一阶导数、二阶导数，分别得到6个速度约束方程、6个加速度约束方程。

6个速度约束方程为：

(5)

(6)

(7)

3 机构仿真

3.1 SimMechanics仿真步骤

SimMechanics是Matlab仿真中的一个工具箱，它结合Simulink和Matlab的功能，利用SimMechanics模块框图对机构运动进行建模和动态仿真和分析，从而在形成实际系统之前进行适时的修正，从而缩短研究人员反复修改的时间，实现高效开发的目的。其建立模型操作步骤如下：1)确定构件的固有属性，自由度数，约束以及坐标系统。2)装配传感器和作动器，记录和初始化刚体的运动，并保持约束不变。3)开始仿真。4)仿真输出，在建模和仿真过程中，利用SimMechanics可视化窗口进行机械系统可视化。

3.2 脚踏垃圾箱机构仿真

根据图1机构的几何拓扑关系，用SimMechanics中的模块，先绘制机械环境(Mechanical Environment)和固定机架(Ground)，然后从运动副模块(Joints)中选择转动副和移动副，以此类推，对于杆件与滑块均选用body模块，根据各构件的运动关系，选择转动Revolute模块和移动Prismatic模块，然后将它们放置到合适的位置依次连接，最后添加驱动器模块、传感器模块[5]。建立如图3所示的仿真模型。

3.3 控制参数设置

脚踏垃圾箱机构中刚体模块的参数主要有：刚体的几何和物理属性参数、运动副控制参数，即：刚体的质量、中心位置、重心坐标的惯性张量、各运动副的相对位置。

利用Creo3.0软件建立装配实体模型，在三维实体模型中设置材料、密度等物理属性，在重心位置建立坐标系，利用Creo3.0软件中的几何模型分析工具，获取各模块参数[6]。然后将获得的参数输入到相应刚体模块中，完成各刚体物理属性参数的设置。各模块设置的相关参数，如表1所示。脚踏垃圾箱各移动副的方向设置为[0，1，0]，各转动副轴线设置为[0，0，1]。

表1 各杆件属性数据

表1 (续)

脚踏垃圾箱机构建立模型的关键是CD处滑块和HF处杠杆的参数设置，CD滑块连接处有3个低副，其中2个转动副：铰链C和铰链D；1个移动副：移动副E。局部坐标系CS1、CS2、CS3的设置如图4所示。HF杠杆连接处有3个低副，均为转动副：铰链F、铰链G和铰链H。局部坐标系CS1、CS2、CS3的设置如图5所示。

图3 脚踏垃圾箱的SimMechanics仿真模型

图4 CD滑块坐标系设置

图5 HF杠杆坐标系设置

4 仿真结果显示与分析

仿真系统求解器采用变步长(Variable-step)的ode45(Dormand-Prince)；步长选择为Auto(依赖计算机自动选择步长)；相对误差为10-3，绝对误差为10-6。运行建立的脚踏垃圾箱SimMechanics仿真模型，借助虚拟现实工具箱对脚踏垃圾箱机构的整个运动过程进行运动仿真，仿真动画如图6所示。

图6 脚踏垃圾箱机构运动仿真

优化后的垃圾箱机构的构件都在同一平面内，安装时可以做成一个整体，封装在箱体内侧面。封装后的内表面平整、无死角，为日后的垃圾清理和维护提供便利。

脚踏处滑块高度运动过程和箱盖开合度数和角速度仿真过程，可以通过示波器输出，也可以通过绘图命令调用绘图，后者的处理灵活、显示结果多样化，方便调用各数据。本文结合两种方法，用示波器对仿真结果进行实时观察，同时绘制运动响应规律，仿真结果如图7所示。

从图7可以看出，在合理的脚踏高度范围内，箱盖绕A处的最大开合度在50°～70°之间，符合实际使用要求。

a.箱盖开合度分析曲线

b.箱盖开合处角速度分析曲线

c. 脚踏处高度曲线图7 仿真结果

[1]康信勇，赵翼翔，陈新.基于SimMechanics的六自由度机械臂仿真研究[J].机床与液压，2016，44(23)：23-29.

[2]苏全卫，王晓侃.基于Simulink的曲柄滑块机构运动学建模与仿真[J].制造业自动化，2014，36(1)：72-73.

[3]陈功，顾寄南，郑立斌等.基于六杆机构的机械手运动分析与优化[J].机床与液压，2015，43(9)：56-58.

[4]彭学锋，鲁兴举，吕鹏.基于SimMechanics的两轮机器人建模与仿真[J].系统仿真学报，2010，22(11)：2643-2645.

[5]杨绿云，郭飞.基于simmechanics的六杆机构动力学仿真[J]. 华北水利水电学院学报，2010，31(4)：86-88.

[6]泮健，刘剑，施光林.基于Pro/Mechanism虚拟仿真的六自由度平台实时运动控制[J].上海交通大学学报，2009，43(6)：940-943.

KinematicsSimulationofPedalDustbinbasedonSimMechanics

KONG Yanyan

(Department of Mechanical Engineering, Min Xi Vocation & Technical College, Longyan 364021, China)

In order to solve the problems on open degree is not enough of dustbin lid, kinematics characteristic of pedal dustbin and kinematics simulation of the dustbin mechanism were carried out. Firstly, the structure diagram of dustbin mechanism was drawn by using the SimMechanics function module of Matlab. Then, the motion simulation curves of key points were obtained, including the displacement curve, velocity curve and angular velocity curve. The simulation results show that this method is rapid, accurate, visualized and powerful, as well as it needn’t mathematical model and program.

pedal dustbin; kinematics; SimMechanics

10.13542/j.cnki.51-1747/tn.2017.03.004

2017-06-15

福建省中青年教师科研资助项目(JAT160886)

孔艳艳(1983—)，女，讲师，硕士，研究方向：数字化设计与制造，电子邮箱：1376815847@qq.com。

TH112

：A

：2095-5383(2017)03-0014-04