连杆式差动平衡机构构型综合与优化设计

摘要

平衡摇臂悬架主要应用于移动机器人中用以提高其地形适应能力和运动稳定性,差动平衡机构是平衡摇臂悬架的重要组成部分,齿轮式和连杆式是其中应用较为广泛的两类,其中连杆式由于不占用机身内部空间、便于拆卸的特点,独具优势.现有连杆式差动平衡机构多源于空间RSSR机构,存在构型单一、布置不合理、机构运动特征描述模糊的问题.针对上述问题,总结了连杆式差动平衡机构的运动特征,概括了其实现运动功能的基本条件,将机构的构型综合简化为对单侧单自由度单环机构的综合.利用螺旋理论,分析了机构运动螺旋与约束螺旋间满足的几何关系,并根据机构公共约束数量及类型的不同对仅含有R副的机构进行构型综合.面向实际应用场景,从结构复杂度、布置方式对机器人运动的影响程度以及制造和装配难度等方面比较分析,进行构型优选.对典型的RxRxURzRz机构进行运动学建模,分析得到机构的位置正逆解并讨论了机构的奇异位型.以机构的运动/力传递性能为评价指标,利用螺旋理论建立机构的运动学性能评价模型,对机构的尺度参数进行优化设计.建立基于连杆式差动平衡机构的移动机器人虚拟样机模型,利用ADAMS对其在复杂非对称地形的运动进行仿真分析,结果显示移动机器人具有良好的地形适应能力和运动稳定性,验证了机构功能的有效性.