老人椅輔助站立機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì) 老人椅輔助站立機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì) 摘要 簡述了老人椅輔助站立機(jī)構(gòu)的工作原理，并對輔助站立機(jī)構(gòu)進(jìn)行傳力特性分析，得到機(jī)構(gòu)傳動角運(yùn)動規(guī)律。針對傳統(tǒng)輔助站立機(jī)構(gòu)傳力特性和機(jī)構(gòu)效率較差的問題，利用多體動力學(xué)仿真軟件 ADAMS 對該機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動仿真及參數(shù)化建模，然后以輔助站立四桿機(jī)構(gòu)傳動角取得最大值為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化分析，最終確定了影響傳動角主要設(shè)計(jì)變量的參數(shù)。研究結(jié)果表明，通過優(yōu)化后，輔助站立機(jī)構(gòu)的傳動角得到明顯增加，提高了機(jī)構(gòu)傳力特性和機(jī)械效率，同時(shí)也增大了機(jī)構(gòu)的前傾程度，有助于老人站立。關(guān)鍵詞 輔助站立機(jī)構(gòu) ADAMS 運(yùn)動仿真 參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì) Parameter Optimization Design of the Aged Chair Auxiliary Standing Mechanism Zhou Hui1 Qin Baorong1 Zhang Dongdong1 Xiang Bingle1 Bao Jiahua1 Wang Zhengxing2 ( 1 Key Laboratory of Special Equipment Manufacturing and Advanced Processing Technology of Ministry of Education and Zhejiang Province， Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310014，China) ( 2 Zhejiang Henglin Chair Industry Co． ，Ltd． ，Anji 313300，China) Abstract The working theory of the aged chair auxiliary standing mechanism is introduced，the force transmission characteristic analysis for auxiliary standing mechanism is carried out，and the motion regular of transmission angle for this mechanism is obtained． For the problem that the traditional auxiliary standing mechanism have the poor force transmission characteristic and mechanism efficiency，a motion simulation and parametric modeling is carried out by using the multi － body dynamics simulation software ADAMS． Then，the optimization analysis with the target that transmission angle of auxiliary standing four － bar mechanism obtain maximum value is carried out． Finally，the parameter effecting on the main design variables of transmission angle is defined． The results show that transmission angle is obviously improved after the optimization，the force transmission characteristics and mechanism efficiency of auxiliary standing mechanism are improved，as the same time front rake level of mechanism is increased to help the aged standing． Key words Auxiliary standing mechanism ADAMS Motion simulation Parameter optimization design 0 引言 輔助站立機(jī)構(gòu)是老人椅機(jī)構(gòu)的重要組成部分，其功能是通過電動推桿使輔助站立機(jī)構(gòu)抬升，使得老人不用費(fèi)力就能達(dá)到站立的目的，有助于提高老人的晚年生活質(zhì)量。輔助站立機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)無突變、機(jī)構(gòu)傳力特性好，由于電動推桿主動件具有速度小、平穩(wěn)等特點(diǎn)，運(yùn)行過程中一般速度很小不會有突變。而傳統(tǒng)的輔助站立機(jī)構(gòu)具有傳動性能差、前傾量不足等缺點(diǎn)。因此，本文中我們主要研究機(jī)構(gòu)的傳動特性，在輔助站立四桿機(jī)構(gòu)中傳動角越大對機(jī)構(gòu)的傳動越有利，效率也越高。因此，在桿件機(jī)構(gòu)中常用傳動角的大小來衡量機(jī)構(gòu)傳力特性的好壞。以輔助站立四桿機(jī)構(gòu)為研究對象，以傳動角取得最大值為優(yōu)化目標(biāo)，在分析其工作原理基礎(chǔ)上，利用 ADAMS 軟件對輔助站立機(jī)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化建模及優(yōu)化設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果表明，優(yōu)化后的輔助站立機(jī)構(gòu)具有良好的傳力特性和較大的前傾量。同時(shí)以 ADAMS 為設(shè)計(jì)平臺可以很好地解決桿件機(jī)構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，具有普遍的應(yīng)用意義。 機(jī)械傳動 2016 年 1 輔助站立機(jī)構(gòu) 輔助站立機(jī)構(gòu)作為老人椅的重要組成部分主要包括基板、上方管、下方管、連接板，如圖 1 所示。輔助站立機(jī)構(gòu)一般采用雙搖桿機(jī)構(gòu)，上方管和下方管均可繞基板轉(zhuǎn)動，連接板分別與上方管、下方管鉸接，并且與老人椅基架通過孔銷鎖定在一起，帶動老人椅站立。其工作原理為: 電動推桿作 為主動件通過一組桿件機(jī)構(gòu) 圖 1 輔助站立機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)模型帶動下方管繞基板轉(zhuǎn)動，進(jìn)而帶動連接板和上方管轉(zhuǎn)動，由于連接板與老人椅基架鎖定在一起，因此帶動老人椅基架抬升，實(shí)現(xiàn)輔助站立功能。 2 輔助站立機(jī)構(gòu)傳力特性分析 輔助站立雙搖桿四桿機(jī)構(gòu)不僅要考慮其運(yùn)動要求，以實(shí)現(xiàn)預(yù)定的運(yùn)動規(guī)律或者運(yùn)動軌跡，還必須希 望機(jī)構(gòu)的傳力性能良好，以使機(jī)構(gòu)的運(yùn)行輕便、高效。 如圖 2 所示為輔助站立機(jī)構(gòu)極限位置機(jī)構(gòu)簡圖，圖中顯示出了該輔助站立雙搖桿機(jī)構(gòu)的兩種極限位置［1］。第一種極限位置是 AD1 與 D1C1 重合，此時(shí)的傳動角為 γmin = ∠BC1D1，設(shè) AD1 = L1， D1C1 = L2，BC1 = L3，AB = 圖 2 輔助站立機(jī)構(gòu) L4，在△ABC1 中使用余弦定 極限位置圖理可 得: γmin1 = ∠BC1D1 = ［L32 + ( L1 + L2) 2］－ L 2 arccos ; 第二種極限位置為 3 1 2 BC2 與 C2D2 共線時(shí)，這時(shí)主動件 AD2 通過連桿 C2D2 作用在從動件 BC2 上的力恰好通過其轉(zhuǎn)動中心，所以不能使從動件 BC2 轉(zhuǎn)動而出現(xiàn)“頂死”現(xiàn)象，此時(shí)機(jī)構(gòu)處于死點(diǎn)位置。對于該輔助站立機(jī)構(gòu)而言，AD 桿不能向下轉(zhuǎn)動，該種極限狀態(tài)不存在。 一般規(guī)定，對于一般機(jī)械，要求 γmin≥40°，對于大功率機(jī)械，要求 γmin≥50°。另外，機(jī)構(gòu)在運(yùn)動過程中，傳動角 γ 的大小是時(shí)刻變化的，所以要求保證機(jī)構(gòu)具有良好的傳力性使機(jī)構(gòu)能夠正常工作［2］。 綜上所述，該輔助站立機(jī)構(gòu)傳動角為: 當(dāng)∠BCD ＜90° 時(shí)，γ = ∠BCD，γmin = ∠BC1D1 = arccos{ ［L32 + ( L1 + L2) 2］－ L42} /［2 L3( L1 + L2 ) ］;當(dāng)∠BCD = 90°，γ = 90°; 當(dāng)∠BCD ＞90°時(shí)，γ =180° － ∠BCD。 3 輔助站立機(jī)構(gòu)的仿真分析 運(yùn)用 ADAMS/view 進(jìn)行仿真分析，一般包括簡化模型、創(chuàng)建幾何點(diǎn)、創(chuàng)建幾何體、添加約束、添加驅(qū)動和進(jìn)行仿真分析等步驟［3］。表 1 為初始位置幾何點(diǎn)的坐標(biāo)。另外，在添加驅(qū)動時(shí)由于整體機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜，ADAMS 中的建模能力相對較弱，而通過其他三維軟件導(dǎo)入的模型無法進(jìn)行后續(xù)的參數(shù)化設(shè)計(jì)。因此，采用調(diào)用后處理曲線數(shù)據(jù)的方法來添加驅(qū)動，即通過給電動推桿添加正常驅(qū)動，測得下方管繞 A 點(diǎn)的角速度，導(dǎo)出其數(shù)據(jù)，然后通過調(diào)用函 CUBSPL( time ，0 ， q1) * PI/180 來建立導(dǎo)出數(shù)據(jù)所代表的驅(qū)動，其中 q1 代表導(dǎo)出數(shù)據(jù)創(chuàng)建的樣條曲線。建立好的虛擬樣機(jī)模型如圖 3 所示。 表 1 幾何點(diǎn)的坐標(biāo) POINTA/mm POINTB/mm POINTC/mm POINTD/mm X 0 －84 230 286 Y 0 115 46 0 圖 3 輔助站立機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型 為了便于后面參數(shù)化的研究，建立傳動角測量曲線，如圖 4 所示。 圖 4 傳動角測量曲線由圖 4 的仿真結(jié)果，可得出以下結(jié)論: ( 1) 傳動角開始一段時(shí)間和結(jié)束前一段時(shí)間傳動角比較小，大概在 25° ～30°，傳力性能差，機(jī)械效率低。 第 40 卷 第 2 期 老人椅輔助站立機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì) 93 ( 2) 傳動角的最大值沒有達(dá)到 90°，說明輔助站立機(jī)構(gòu)上方管和連接板在整個(gè)運(yùn)動周期中始終沒有垂直，不能使輔助站立機(jī)構(gòu)在抬升的同時(shí)也能夠向前傾倒，不能很好的滿足輔助站立機(jī)構(gòu)的功能要求。圖 4 中曲線出現(xiàn)平行段是因?yàn)轵?qū)動函數(shù)中設(shè)置了靜止時(shí)間段的原因。綜合以上兩點(diǎn)，有必要對機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。 4 輔助站立機(jī)構(gòu)參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計(jì) 4． 1 模型的參數(shù)化 各鉸接點(diǎn)的位置為輔助站立機(jī)構(gòu)的主要參數(shù)，當(dāng)各點(diǎn)位置發(fā)生變化時(shí)，桿件尺寸也會發(fā)生變化。本次分析以 A 點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)不變，AD 桿處于水平位置，所以選取 B 點(diǎn)、C 點(diǎn)橫縱坐標(biāo)，D 點(diǎn)橫坐標(biāo)作為設(shè)計(jì)變量，依次為 DV_1、DV_2、DV_3、DV_4、DV_5，即 A( 0， 0) 、B( DV_1，DV_2) 、C( DV_3，DV_4) 、D( DV_5，0) 。 4． 2 優(yōu)化分析 在已經(jīng)建立的參數(shù)化模型的基礎(chǔ)上，通過改變設(shè)計(jì)變量的值，系統(tǒng)自動的運(yùn)行一系列的仿真分析，然后返回分析結(jié)果，通過對參數(shù)化結(jié)果的分析，求得最優(yōu)樣機(jī)。ADAMS/view 提供了三種類型的參數(shù)化分析方法: 設(shè)計(jì)研究、試驗(yàn)設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)。 4． 2． 1 設(shè)計(jì)研究 設(shè)計(jì)研究主要研究單個(gè)設(shè)計(jì)變量的變化或者取不同值時(shí)，對樣機(jī)目標(biāo)函數(shù)的影響程度。通過比較設(shè)計(jì)變量的敏感度，找到影響目標(biāo)函數(shù)的主要設(shè)計(jì)變量。設(shè)置設(shè)計(jì)變量的取值范圍，DV_1 的最小值為 － 100，最大值為 0，初始值為 － 84; DV_2 的最小值為 110，最大值為 150，初始值為 115; DV_3 的最小值為 180，最大值為 270，初始值為 230; DV_4 的最小值為 35，最大值為 90，初始值為 46; DV_5 的最小值為 260，最大值為 330，初始值為 286。 分別對 DV_1 ～ DV_5 進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，得到各個(gè)設(shè)計(jì) 變量在初始值對目標(biāo)函數(shù)的敏感度值［4］，如表 2 所示。表 2 設(shè)計(jì)變量的敏感度 設(shè)計(jì)變量 設(shè)計(jì)點(diǎn)位置 初始值/mm 初始值處敏感度/( N/mm) DV_1 POINTB_X －84 －0． 037 68 DV_2 POINTB_Y 115 －0． 173 88 DV_3 POINTC_X 230 0． 544 52 DV_4 POINTC_Y 46 0． 796 08 DV_5 POINTD_X 286 －0． 452 38 從表 2 中可以看出，設(shè)計(jì)變量“DV_3”和“DV_4” 的敏感度值最大，即 POINTC_X 和 POINTC_Y 的位置變化對目標(biāo)函數(shù)影響最大，為了減少計(jì)算量，下面的試驗(yàn)設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)只考慮 DV_3、DV_4 對樣機(jī)性能的影響。圖 5 所示為 DV_3 和 DV_4 對目標(biāo)函數(shù)的影響曲線圖。 4． 2． 2 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)設(shè)計(jì)主要研究多個(gè)設(shè)計(jì)變量組合發(fā)生變化時(shí)，對目標(biāo)函數(shù)的影響，選取設(shè)計(jì)變量 DV_3 和 DV_4 組合作為設(shè)計(jì)變量進(jìn)行試驗(yàn)分析。圖 6 所示為DV_3、 DV_4 組合時(shí)對目標(biāo)函數(shù)的影響曲線［5］。 把設(shè)計(jì)變量 DV_3 和 DV_4 組合時(shí)，對目標(biāo)函數(shù)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)分析數(shù)據(jù)結(jié)果用表 3 來表示，豎列表示DV_3 取值，橫列表示 DV_4 取值。 圖 5 DV_3、DV_4 對目標(biāo)函數(shù)影響曲線 圖 6 DV_3、DV_4 組合時(shí)對目標(biāo)函數(shù)的影響曲線表 3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)分析結(jié)果 使用 MATLAB 軟件對表 3 數(shù)據(jù)進(jìn)行編程處理，可生成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的三維圖形，如圖 7 所示［6］。 仿真完成后，生成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)三維圖形，如圖 7 所示。由圖可知，當(dāng)設(shè)計(jì)變量 DV_3 取值在 230 ～ 270， DV_4 取值在 45 ～90 時(shí)，CDJ_r 值處于最大區(qū)域，目標(biāo)函數(shù)傳動角取得最大值區(qū)域。為后面優(yōu)化設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)變量取值范圍提供重要依據(jù)。 4． 2． 3 優(yōu)化設(shè)計(jì) 94 機(jī)械傳動 2016 年 在優(yōu)化分析中可以重新設(shè)置設(shè)計(jì)變量的取值范圍，并且施加一定的約束來保證最優(yōu)設(shè)計(jì)滿足機(jī)構(gòu)的功能要求。由圖 7 可知，修改 DV_3、DV_4 的取值范圍，DV_3 最小值 230，最大值 270; DV_4 最小值 45，最大值 90。此外，還需要創(chuàng)建一定的約束條件，用來滿足樣機(jī)性能及要求。在 ADAMS 中約束通過建立測量函數(shù)來表示［7］，本文中我們創(chuàng)建了 6 個(gè)約束條件來控制四桿機(jī)構(gòu)的約束和機(jī)構(gòu)需要滿足的功能要求。進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到優(yōu)化前、優(yōu)化后傳動角對比曲線，如圖 8 所示。 圖 7 試驗(yàn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)三維圖形 圖 8 優(yōu)化前、后傳動角對比 從圖 8 的對比曲線可以看出: 一方面，優(yōu)化前機(jī)構(gòu)整個(gè)運(yùn)動周期的傳動角最小值為 27． 007 2°，優(yōu)化后變?yōu)?68． 679°，增加了 154% ，傳動角得到明顯提高，機(jī)械效率增加［8］; 另一方面，從優(yōu)化后的曲線可以看出傳動角在 10 s 左右就達(dá)到最大值 90°，說明機(jī)構(gòu)在 10 s 以后，在抬升的同時(shí)也會向前傾倒，有助于老年人站立。從分析結(jié)果可以看出，最終設(shè)計(jì)變量 DV_3 由原來的230mm變?yōu)楝F(xiàn)在的266． 078mm，增加了 15． 7% ，DV _ 4 由 原 來 的 46 mm 變 為 現(xiàn) 在 的 75． 334 7 mm，增加了 63． 82% ，與圖 7 中的結(jié)果吻合，進(jìn)一步驗(yàn)證了其準(zhǔn)確性。 5 結(jié)束語 輔助站立四桿機(jī)構(gòu)的傳動特性參數(shù)是評價(jià)其工作性能好壞的標(biāo)準(zhǔn)，也是對機(jī)構(gòu)傳動角進(jìn)行優(yōu)化的基本依據(jù)，在通過作圖法分析該機(jī)構(gòu)兩個(gè)極限位置傳動特性的基礎(chǔ)上，運(yùn)用多體動力學(xué)仿真軟件 ADAMS 對輔助站立機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終確定了最佳的機(jī)構(gòu)參數(shù)。結(jié)果表明，優(yōu)化后的機(jī)構(gòu)在運(yùn)行過程各個(gè)時(shí)刻的傳動角都較大，大大提高了機(jī)構(gòu)的傳動特性和機(jī)械效率，同時(shí)也增加了機(jī)構(gòu)前傾程度，能夠更好的幫助老年人站立。本研究也表明使用虛擬樣機(jī)技術(shù)相比傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法更加簡單快捷，能夠大大縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期和制造成本，也為同類機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了實(shí)用性的方法和參考。 參 考 文 獻(xiàn) ［1］ 李鈞． 平面雙搖桿機(jī)構(gòu)最佳傳動角分析［J］． 安徽工學(xué)院學(xué)報(bào)， 1986( 1) : 142 －143． ［2］ 郭衛(wèi)東． 機(jī)械原理［M］． 北京: 科學(xué)出版社，2010: 38 －39． ［3］ 李軍，邢俊文，譚文潔． ADAMS 實(shí)例教程 ［D］． 北京: 北京理工大學(xué)出版社，2002: 55 －60． ［4］ 朱會玲，段志善，史麗晨，等． 基于 ADAMS 的軋管機(jī)工作機(jī)構(gòu)仿真與優(yōu)化［J］． 煤礦機(jī)械，2009，30( 11) : 30 －32． ［5］ 李體振． 基于多桿系統(tǒng)的高速輥床研究與優(yōu)化設(shè)計(jì) ［D］ ． 合肥: 合肥工業(yè)大學(xué)，2013: 33 －35． ［6］ 魏寶東． 基于 ADAMS 軟件的封閉式組合機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特性分析及參數(shù)優(yōu)化［D］． 北京: 北京化工大學(xué)，2005: 29 －32． ［7］ 楊益． 單自由度八連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)分析與優(yōu)化研究［D］． 揚(yáng)州: 揚(yáng) 州大學(xué)，2013: 49 －50． ［8］ 謝慧萍，季英瑜． 基于 ADAMS 軟件的六連桿沖壓機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］． 輕工機(jī)械，2009，27( 2) : 47 －50． 收稿日期: 2015 －05 －25 作者簡介: 周輝( 1990— ) ，男，安徽蚌埠人，碩士研究生。