自动调平平台机构设计及分析.docx
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自动调平平台机构设计及分析
自动调平平台机构设计及分析
何世凤;郝静如;孙江宏
【摘要】针对医用护理床行走过程中随地面坡度而发生倾斜的情况,设计了3自由度机电式自动调平平台.调平平台采用3支撑腿结构,调平时3支腿可自动伸缩调整平台至水平,另有1虚固定杆对平台起到稳定作用,保证了调平后载体的水平和稳定.通过支腿间的运动关系分析,结果表明调平时前后左右方向2组支腿均可以1∶1的速度比同时进行伸缩运动,并提高了调平速度.
【期刊名称】《北京信息科技大学学报(自然科学版)》
【年(卷),期】2012(027)005
【总页数】4页(P73-76)
【关键词】自动调平平台;机电式;自由度;调平速度
【作者】何世凤;郝静如;孙江宏
【作者单位】北京信息科技大学机电工程学院北京100192;北京信息科技大学机电工程学院北京100192;北京信息科技大学机电工程学院北京100192
【正文语种】中文
【中图分类】工业技术
第27卷第5期2012年10月北京信息科技大学学报JoumalofBeijingInformationScienceandTechnologyUniversityVol.27No.5Oct.2012文章编号:
1674-6864(2012)05-0073-04自动调平平台机构设计及分析何世凤,郝静如,孙江宏(北京信息科技大学机电工程学院北京100192)摘要:
针对医用护理床行走过程中随地面坡度而发生倾斜的情况,设计了3自由度机电式自动调平平台。
调平平台采用3支撑腿结构,调平时3支腿可自动伸缩调整平台至水平,另有l虚固定杆对平台起到稳定作用,保证了调平后载体的水平和稳定。
通过支腿间的运动关系分析,结果表明调平时前后左右方向2组支腿均可以1:
1的速度比同时进行伸缩运动,并提高了调平速度。
关键词:
自动调平平台;机电式;自由度;调平速度中图分类号:
TH11文献标志码:
AMechanismdesignandanalysisofauto-levelingplatformHEShi-feng,HAOJing-ru,SUNJiang-hong(SchoolofF.lectrOJnechanicalF:
ngineering,BeijingInforniatinnScienceandTechnologyUniversity,Beijing100192,China)Abstract:
Anelectromechanicalauto-levelingplatformwiththreedegreesoffreedomisdesignedaimingatthesituationthatmedicalcarebedinclineswiththegroundslopewhenwalking.Levelingplatformusesthestructureofthreesupportinglegs,whichcanbeautomaticallyexpandedtoadjusttheplatformtolevel.Anotherfalsefixedpoleplaysapartinthestabilityoflevelingplatform,toensurethelevelandstahilityof'theloads.Byanalyzingthekinematicrelationofsupportinglegs,itisconcludedthattwogroupsofsupportinglegsofthefrontandbacksides,theleftandrightsides,canmoveatthespeedratioofaboutl:
1atthesametimetoimprovetheIevelingspeed.Keywords:
aL_to-levelingplacform;electromechanical;degreeoffreedom;levelingspeed0引言调平系统经历了手动调平到自动调平的发展过程。
手动调平系统结构简单,原理单一,需经反复调整才能达到水平,受人为因素影响大,且费时费力,对操作人员的要求较高,存在工作性能方面的严重不足。
南于对调平时问、调平精度的要求越来越高,过去的调平方法已远远不能满足实际需要,因此,臼动调平系统受到广泛关注。
国内外平台的自动调平系统按支撑结构方式分有三点支撑调平、四点支撑调平和六点支撑调平;按执行机构分有机电式和液』爱式等。
H动调平系统已应用于众多领域,诸如道路施T的沥青混凝土摊铺机I1、车载雷达[2-3、大型光电设备-4】、火炮‘5]、静力压桩机‘6]等设备,这些领域的调平平台承载都较大,有的可达几吨,其支撑方式大多采用四支撑机构。
本文研究的是三支撑机电式自动调平平台,其承载相对较小,大约100kg左右,该平台是调平技术在医疗护理床方面的重要应用,目前对该方面的调平研究还处于初步阶段。
总体机构组成及工作原理本文设计的自动调平平台机构示意图如图1所示,3支腿分别为电杆I、Ⅱ、Ⅲ,调平平台的上平板即平台的稳定面,用4个球铰支撑;对于该稳定平台,虚固定支撑杆(为移动副形式)与下平板固定连接;电杆Ⅱ、电杆Ⅲ关于虚固定支撑杆对称并与下平板通过铰链连接;i者在一条直线上(作为x轴);电杆I与虚固定支撑杆在一条中线上(作为y轴),收稿日期:
2012-07-06基金项目:
北京市人才强教深化计划一创新Ⅲ队(项目号PXM2011_014224_113533)资助作者简介:
何世风(1986-),女,山东菏泽人,硕L研究生,主要从事机电一体化系统设计与应用。
第27卷第5期2012年10月北京信息科技大学报JoumalofBeijingInformationScienceandTechnologyUniversityVol.27No.5Oct.2012文章编号:
1674-6864(2012)05-0073-04要:
针对医用护理床行走过程中随地面坡度而发生倾斜的情况,设计了3自由度机有l虚固定杆对平台起到稳定作用,保证了调平后载体的水平和稳定。
通过支腿间的运动关系分速度。
关键词自动调平平台;机电式;自由度;调平速度中图分类号:
TH11Mechanismdesignandanalysisofauto-levelingplatformHEShi-feng,HAOJing-ru,SUNJiang-hongSchoolofF.lectrOJnechanicalF:
ngineering,BeijingInforniatinnScienceandTechnologyUniversity,Beijing100192,China)electromechanicalauto-levelingplatformwiththreedegreesoffreedomisdesignedaimingatthesituationthatmedicalcarebedinclineswiththegroundslopewhenwalking.Levelingplatformusesthestructureofthreesupportinglegs,whichcanbeautomaticallyexpandedtoadjusttheplatformtolevel.Anotherfalsefixedpoleplaysapartinthestabilityoflevelingplatform,toensurethelevelandstahilityof'theloads.analyzingthekinematicrelationofsupportinglegs,itisconcludedthattwogroupsofsupportinglegsofthefrontandbacksides,theleftandrightsides,canmoveatthespeedratioofaboutl:
1atthesametimetoimprovetheIevelingspeed.Keywords:
aL_to-levelingplacform;electromechanical;degreeoffreedom;levelingspeed0引言整才能达到水平,受人为因素影响大,且费时费力,对操作人员的要求较高,存在工作性能方面的严重不足。
南于对调平时问、调平精度的要求越来越高,过去的调平方法已远远不能满足实际需要,因此,臼动调平系统受到广泛关注。
国内外平台的自动调平系统按支撑结构方式分有三点支撑调平、四点支撑调平和六点支撑调平;按执行机构分有机电式和液』爱式等。
H动调平系统已应用于众多领域,诸如道路施I1、车载雷达[2-3大型光电设备-4】火炮‘5]静力压桩机‘6]等设备,这些领域的调平平台承载都较大,有的可达几吨,其支撑方式大多采用四支撑机构。
本文研究的是三支撑机电式自动调平平台,其承载相对较小,大约100kg左右,该平台是调平技术在医疗护理床方面的重要应用,目前对该方面的调平研究还处于初步阶段。
总体机构组成及工作原理示,3支腿分别为电杆I、Ⅱ、Ⅲ,调平平台的上平板即平台的稳定面,用4个球铰支撑;对于该稳定平台,虚固定支撑杆(为移动副形式)与下平板固定连接;电杆Ⅱ、电杆Ⅲ关于虚固定支撑杆对称并与下平板通过铰链连接;i者在一条直线上(作为x轴);电杆I与虚固定支撑杆在一条中线上(作为y轴),收稿日期:
2012-07-06基金项目:
北京市人才强教深化计划一创新Ⅲ队(项目号PXM2011_014224_113533)资助作者简介:
何世风(1986-),女,山东菏泽人,硕L研究生,主要从事机电一体化系统设计与应用。
74北京信息科技大学学报第27卷与下平板用铰链连接,平台在电杆I与电杆Ⅱ、Ⅲ的驱动下作前后(y轴)方向调平运动(电杆Ⅱ、Ⅲ速度方向相同,电杆I与电杆Ⅱ、Ⅲ的速度方向相反),在电杆Ⅱ、Ⅲ的驱动下作左右(戈轴)方向调平运动(电杆Ⅱ、Ⅲ速度方向相反),以保障下平板摇晃时,上平板能保持水平,在电杆I、Ⅱ、Ⅲ的驱动下平台可上下移动(电杆I、Ⅱ、Ⅲ的速度方向相同),以调节平台调平高度,方便3电杆能够进行一杆伸长的同时另一杆进行缩短的运动,图2为调平平台机构实物图。
1-上平板;2——电杆I;3下半板;4-电杆Ⅱ;5-虚同定杆;6-电杆Ⅲ图1调平平台机构示意『硐图2调平平台机构实物阁该平台自动调平原理是通过双轴倾角传感器安装在图1坐标原点处,其轴向与坐标系相对应)检测平台角度信号并反馈给单片机进行数据处理与分析并作出决策驱动电杆伸缩运动以调整平台水平。
2机构自由度分析2.1平面自由度分析平面自由度为F=3N-2PL-PH-P1+P
(1)式中,F为机构总自由度数;Ⅳ为机构活动构件数;P,为低副数;PH为高副数;P,为局部自由度数;P为虚约束数。
2.1.1前后平面机构自由度分析前后平面机构简图如图3所示,1、2为电杆I的2个构件;3为上平板;4为虚固定杆(由于虚固定杆的滑动受到电杆Ⅱ、Ⅲ的控制,在分析该平面自由度时电杆Ⅱ、Ⅲ是相对静止的,所以虚固定杆可看作固定的)。
共同构成前后平面。
罔3前后平面机构简HD南图3可看IH,Ⅳ=3,P,=4,其余自由度数为0,代入式
(1),则该平面内机构自由度数为F=3N-2PL-PH-PI+P=3x3-2x4=12.1.2左右平面机构自由度分析左右平面机构简图如图4所示,1、2为电动杆Ⅱ的2个构件;3为上平板;4、5为虚固定杆的2个构件;6、7为电杆Ⅲ的2个构件。
共同构成左右平面。
┏━━━━━━┳━━┳━━━━━┓┃┃'D┃、7产┃┣━━━━━━╋━━╋━━━━━┫┃┃┃6┃┃4┃┃┣━━━━━━╋━━╋━━━━━┫┃BIJllP叫┃┣━━━━━━╋━━╋━━━━━┫┃1┃┃┃┃泰j欲┃┗━━━━━━┻━━┻━━━━━┛网4左右平而机构简图如图4所示,Ⅳ=6,P.=8,其余自由度数为0,代人式
(1),则该平面内机构白rf1度数为F=3N-2PL-Pu-P1+P=3x6-2x8=2所以机构的总白Ff1度数为2个平面自由度之和,其值为3。
2.2空间自由度分析空间机构白Ff1度为一1W=P7.-A-3N
(2)式
(2)中,Pz为空间机构各级别运动副白由度总和;A为多余自由度,即空间机构自由度总数PZ.K与平面机构白由度总数PZ.P之差;Ⅳ为空间机构的封闭环数目,绝大多数是连接机架的封闭环,也有的是杆件。
空间机构简图如图5所示,1、2为电动杆I的2个构件;3为上平板;4、5为电动杆Ⅱ的2个构件;6、7为虚固定杆的2个构件;8、9为电动杆Ⅲ的2个27与下平板用铰链连接,平台在电杆I与电杆Ⅱ、Ⅲ的驱动下作前后(y轴)方向调平运动(电杆Ⅱ、Ⅲ速度方向相同,电杆I与电杆Ⅱ、Ⅲ的速度方向相反),在电杆Ⅱ、Ⅲ的驱动下作左右(戈轴)方向调平运动电杆Ⅱ、Ⅲ速度方向相反),以保障下平板摇晃时,上平板能保持水平,在电杆I、Ⅱ、Ⅲ的驱动下平台可上下移动(电杆I、Ⅱ、Ⅲ的速度方向相同),以调节平台调平高度,方便3电杆能够进行一杆伸长的同时另一杆进行缩短的运动,图2为调平平台机构实物图。
图1调平平台机构示意『硐2调平平台机构实物阁安装在图1坐标原点处,其轴向与坐标系相对应)检测平台角度信号并反馈给单片机进行数据处理与分析并作出决策驱动电杆伸缩运动以调整平台水平。
平面自由度分析平面自由度为F=3N-2PLPH-P1+P
(1)为虚约束数。
2.1.1前后平面机构自由度分析的个构件;3为上平板;4为虚固定杆(由于虚固定杆的滑动受到电杆Ⅱ、Ⅲ的控制,在分析该平面自由度时电杆Ⅱ、Ⅲ是相对静止的,所以虚固定杆可看罔前后平面机构简H左右平面机构简图如图4所示,1、2为电动杆Ⅱ的2个构件;3为上平板;4、5为虚固定杆的2个构件;6、7为电杆Ⅲ的2个构件。
共同构成左右平面。
┏━┳┓、7产┣╋┫┗┻┛网左右平而机构简图如图4所示,Ⅳ=6,P.=8,其余自由度数为0,代人式
(1),则该平面内机构白rf1度数为F=3N-2PLPuP1+P=3x6-2x8=2所以机构的总白Ff1度数为2个平面自由度之和其值为3。
2.2空间自由度分析一W=P7.-A-3N
(2)式
(2)中,Pz为空间机构各级别运动副白由度总为多余自由度,即空间机构自由度总数PZ.K与平面机构白由度总数PZ.P之差;Ⅳ为空间机构的封闭环数目,绝大多数是连接机架的封闭环,也有的是杆件。
空间机构简图如图5所示,1、2为电动杆I的2个构件;3为上平板;4、5为电动杆Ⅱ的2个构件;6、7为虚固定杆的2个构件;8、9为电动杆Ⅲ的2个Il第5期何世凤等:
自动调平平台机构设计及分析75构件;共同构成自动调平平台的空间机构。
『期5空间机构简斟与平面机构的对称结构一样,空间对称结构也可取半分析计算,所以只取电杆I、上下平板、电杆Ⅱ、虚固定杆所组成的平台的左半部分进行空间自由度分析。
由图5可看出,Pz=3+2+3x3=14(3个移动副,2个转动副,3个球副),A=5(3个球副在1个平面内有2个多余自由度,由于电杆Ⅱ处的球副在2个面内,所以只有1个多余自南度),Ⅳ=2(I、Ⅱ两个闭环),代入式
(2)得空间自南度数为形=Pz-A-3N=14-5-3x2=3即空间自由度数为3。
通过平面自由度和空间白由度的计算分析验证,该自动调平平台的自由度数为3。
3左右调平时电杆之间的运动关系由于调平平台的空间自由度为3,所以选择3支电动推杆作为该调平平台的原动件。
当3支电动推杆同时相同方向运动时,可调节调平平台的高度,以方便平台进行前后、左右方向的快速调节。
当进行前后方向调平时,电杆I进行伸长或缩短的同时,电杆Ⅱ、Ⅲ进行缩短或伸长的调节,虚固定杆则随从电杆Ⅱ、Ⅲ进行缩短或伸长的运动,直到平台前后调平T作完成。
当进行左右调平时,若电杆Ⅱ为原动件,则电动杆Ⅲ随从运动,电杆Ⅱ进行伸长或缩短的同时,电杆Ⅲ进行缩短或伸长的调节,此时虚固定杆基本上保持不动,这样进行左右调平的过程中调平平稳,且始终保持调平的中轴线稳定不变。
在中轴线保持不变的情况下,电杆Ⅱ与电杆Ⅲ的运动关系如图6所示。
图6中,AB、CD为电杆Ⅱ、Ⅲ的原长;BG、CH为电杆Ⅱ、Ⅲ运动后长度;EF为虚固定杆的高度;臼为图6电杆Ⅱ电杆Ⅲ的运动关系平面的左右翻转角度,LAFB=LDFC=a。
根据余弦定理,在三角形BGF中BG2=GF2+BF2-2×GF×BFcos(仪-日)求得G20=“一,os一1(鱼F2x+GBFF2xBBC2同理,在三角形CFH中CH2=FH2+FC2-2×FH×FCcos(d+0)求得一、FH2+FC2一CH2p2cos—rFHFC-a所以2-BC2理一cos一1(F2x+GBFF2xB7'一=一、FH2+FC2—CH2cos一1p2xFHxFC一-a=即一.GF2+BF2一BG2cos-l2×GFiBF一+一tFH2+FC2一CHcOs—1-=2a(3)2×FHiFC设电杆Ⅱ的伸缩量为△di、电杆Ⅲ的伸缩量Ad2,DiUAdi=BG-AB,Ad2=CH-CD即BG=AB+Ad1,CH=Ad2+CD将BG、CH代入式(3)得到电杆Ⅱ与电杆Ⅲ变化量的关系为一-GF2+BF2一(AB+△d.)二.cOs—l——1XCFBF—一一-FH2+FC2一(Adz+CD)2:
2acOs—I——2FHFC—一方程两边对电杆Ⅱ的伸缩量为△di,电杆Ⅲ的伸缩量△d:
,关于时间£求导,得到电杆Ⅱ与电杆Ⅲ的速度关系式为I第5何世凤等:
自动调平平台机构设计及分析『期5空间机构简斟与平面机构的对称结构一样,空间对称结构也可取半分析计算,所以只取电杆I、上下平板、电杆Ⅱ、虚固定杆所组成的平台的左半部分进行空间自由度分析。
由图5可看出,Pz=3+2+3x3=14(3个移动个转动副,3个球副),A=5(3个球副在1个平面内有2个多余自由度,由于电杆Ⅱ处的球副在2个面内,所以只有1个多余自南度),Ⅳ=2(I、Ⅱ两个闭环),代入式
(2)得空间自南度数为形=Pz-A=14-5-3x2=3即空间自由度数为3。
证该自动调平平台的自由度数为3。
左右调平时电杆之间的运动关系由于调平平台的空间自由度为3,所以选择3支电动推杆作为该调平平台的原动件。
当3支电动推杆同时相同方向运动时,可调节调平平台的高度,以方便平台进行前后、左右方向的快速调节。
当进行前后方向调平时,电杆I进行伸长或缩短的同时,电杆Ⅱ、Ⅲ进行缩短或伸长的调节,虚固定杆则随从电杆Ⅱ、Ⅲ进行缩短或伸长的运动,直到平台前后调平T作完成。
当进行左右调平时,若电杆Ⅱ为原动件,则电动杆Ⅲ随从运动,电杆Ⅱ进行伸长或缩短的同时,电杆Ⅲ进行缩短或伸长的调节,此时虚固定杆基本上保持不动,这样进行左右调平的过程中调平平稳,且始终保持调平的中轴线稳定不变。
在中轴线保持不变的情况下,电杆Ⅱ与电杆Ⅲ的运动关系如图6所示。
图6中,ABCD为电杆Ⅱ、Ⅲ的原长;BG、CH为6电杆Ⅱ电杆Ⅲ的运动关系=a。
根据余弦定理,在三角形BGF中BG2=GF2+BF2×GFBFcos仪-日)求得0=“,os鱼F2x+GBFF2xBBC2同理,在三角形CFH中CH2=FH2+FC2FHFCcos(d+0)FH2+CH2p2cos—rFH-aBC2理cosx+GBFF2xB7'=cosp2xFHx-a=.GF2+BF2BG2-l2×GFiBF+tCHcOsDiUAdi=BG-AB,Ad2=CHBG=AB+Ad1,CH=Ad2+CD将BG代入式(3)得到电杆Ⅱ与电杆Ⅲ变化量(AB+△d.)二.——1XCF—一FH2+FC2(Adz+CD)2方程两边对电杆Ⅱ的伸缩量为△di,电杆Ⅲ的伸缩量△d:
,关于时间£求导,得
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