一种轨迹误差补偿式四杆机构及其轨迹误差补偿方法与流程

本发明涉及一种四杆机构，尤其涉及一种轨迹误差补偿式四杆机构及其轨 迹误差补偿方法。

背景技术：

已有四杆机构各杆件为刚性杆件，多种轨迹综合是无法通过设置杆的长度 来实现，其轨迹曲线只能通过理想轨迹上有限个点，与理想轨迹曲线存在误差， 未必能得到使用者所期望的精确的连杆曲线。轨迹误差严重影响着工作精度， 需要对轨迹误差进行准确性补偿。

技术实现要素：

针对上述技术缺陷，本发明提供一种轨迹误差补偿式四杆机构及其轨迹误 差补偿方法，其能对四杆机构的输出杆实现准确性的轨迹误差补偿。

本发明的解决方案是：一种轨迹误差补偿式四杆机构，其包括曲柄、摇杆、 活动连接在该曲柄和该摇杆之间的连杆、固定在该连杆上输出杆、用于在该曲 柄工作时输出该输出杆的运动轨迹的控制器、施加在该输出杆上的电压源；该 输出杆采用电致动材料制成，使该输出杆能在该电压源的激励下旋转一定的角 度；该控制器首先根据刚性材料制成的输出杆，在该曲柄工作时输出刚性材料 制成的输出杆的运动轨迹，并作为原始轨迹，其次，比较该原始轨迹和期望轨 迹之间的轨迹误差得到补偿轨迹，之后，根据该补偿轨迹得到该电压源的电压 激励时序，最后，根据该电压激励时序控制该电压源输出电压至电致动材料制 成的输出杆，使电致动材料制成的输出杆在该曲柄工作时能在该电压源的电压 激励下旋转并产生与该电压激励时序相对应的补偿轨迹，以补偿在任意时刻原 始轨迹与期望轨迹之间的轨迹误差。

作为上述方案的进一步改进，该轨迹误差补偿式四杆机构还包括数据库， 该数据库存储有表征该曲柄在不同工作要求下的多个电压激励时序；当该曲柄 运行某一工作要求时，该控制器根据该工作要求从该数据库中调取相应的电压 激励时序，以控制该电压源输出相应电压至电致动材料制成的输出杆。

作为上述方案的进一步改进，该轨迹误差补偿式四杆机构还包括安装该曲 柄和该摇杆的基座。

作为上述方案的进一步改进，该轨迹误差补偿式四杆机构还包括分别安装 该曲柄和该摇杆的两个基座。

本发明还提供一种轨迹误差补偿式四杆机构的轨迹误差补偿方法，该轨迹 误差补偿式四杆机构包括曲柄、摇杆、活动连接在该曲柄和该摇杆之间的连杆、 固定在该连杆上输出杆、用于在该曲柄工作时输出该输出杆的运动轨迹的控制 器、施加在该输出杆上的电压源；该输出杆采用电致动材料制成，使该输出杆 能在该电压源的激励下旋转一定的角度；该轨迹误差补偿方法包括以下步骤：

根据刚性材料制成的输出杆，在该曲柄工作时输出刚性材料制成的输出杆 的运动轨迹，并作为原始轨迹；

比较该原始轨迹和期望轨迹之间的轨迹误差得到补偿轨迹；

根据该补偿轨迹得到该电压源的电压激励时序；

根据该电压激励时序控制该电压源输出电压至电致动材料制成的输出杆， 使电致动材料制成的输出杆在该曲柄工作时能在该电压源的电压激励下旋转并 产生与该电压激励时序相对应的补偿轨迹，以补偿在任意时刻原始轨迹与期望 轨迹之间的轨迹误差。

作为上述方案的进一步改进，该轨迹误差补偿方法设置数据库，该数据库 存储有表征该曲柄在不同工作要求下的多个电压激励时序；当该曲柄运行某一 工作要求时，根据该工作要求从该数据库中调取相应的电压激励时序，以控制 该电压源输出相应电压至电致动材料制成的输出杆。

本发明还提供另一种轨迹误差补偿式四杆机构，其包括曲柄、摇杆、活动 连接在该曲柄和该摇杆之间的连杆、固定在该连杆上输出杆、用于在该曲柄工 作时输出该输出杆的运动轨迹的控制器、施加在该输出杆上的电压源；该输出 杆采用电致动材料制成，使该输出杆能在该电压源的激励下旋转一定的角度； 该控制器包括：

原始轨迹输出单元，其用于根据刚性材料制成的输出杆，在该曲柄工作时 输出刚性材料制成的输出杆的运动轨迹，并作为原始轨迹；

补偿轨迹获取单元，其用于比较该原始轨迹和期望轨迹之间的轨迹误差得 到补偿轨迹；

电压激励时序获取单元，其用于根据该补偿轨迹得到该电压源的电压激励 时序；

轨迹误差补偿单元，其用于根据该电压激励时序控制该电压源输出电压至 电致动材料制成的输出杆，使电致动材料制成的输出杆在该曲柄工作时能在该 电压源的电压激励下旋转并产生与该电压激励时序相对应的补偿轨迹，以补偿 在任意时刻原始轨迹与期望轨迹之间的轨迹误差。

作为上述方案的进一步改进，该控制器还包括数据库，该数据库存储有表 征该曲柄在不同工作要求下的多个电压激励时序；当该曲柄运行某一工作要求 时，该轨迹误差补偿单元根据该工作要求从该数据库中调取相应的电压激励时 序，以控制该电压源输出相应电压至电致动材料制成的输出杆。

本发明还提供又一种轨迹误差补偿式四杆机构，其包括曲柄、摇杆、活动 连接在该曲柄和该摇杆之间的连杆、固定在该连杆上输出杆、用于在该曲柄工 作时输出该输出杆的运动轨迹的控制器一、施加在该输出杆上的电压源以及控 制该电压源的控制器二；该输出杆采用电致动材料制成，使该输出杆能在该电 压源的激励下旋转一定的角度；该控制器一根据刚性材料制成的输出杆，在该 曲柄工作时输出刚性材料制成的输出杆的运动轨迹，并作为原始轨迹；该控制 器二比较该原始轨迹和期望轨迹之间的轨迹误差得到补偿轨迹，根据该补偿轨 迹得到该电压源的电压激励时序，根据该电压激励时序控制该电压源输出电压 至电致动材料制成的输出杆；当该曲柄运行某一工作要求时，该控制器二根据 与该工作要求相对应的电压激励时序，控制该电压源输出相应电压至电致动材 料制成的输出杆，该控制器一同步输出电致动材料制成的输出杆的运动轨迹即 为期望轨迹。

作为上述方案的进一步改进，该轨迹误差补偿式四杆机构还包括数据库， 该数据库存储有表征该曲柄在不同工作要求下的多个电压激励时序；当该曲柄 运行某一工作要求时，该控制器二根据该工作要求从该数据库中调取相应的电 压激励时序，以控制该电压源输出相应电压至电致动材料制成的输出杆。

本发明利用电致动材料通电后变形的性质，在传统四杆机构上进行创新， 实现在与预期轨迹不相符的部分进行轨迹误差补偿，从而得到预期轨迹；而且 本发明的设计方式也易于对传统四杆机构的升级，直接用电致动材料制成的输 出杆替换传统输出杆，并对控制曲柄的控制器进行软件更新、或者打软件补丁， 以便增加轨迹误差补偿功能，也可以增加控制输出杆进行轨迹误差补偿的额外 控制器，因此对于线上更新非常方便，无需企业丢弃整个原有的四杆机构，易 于本发明的推广与应用。

附图说明

图1为本发明轨迹误差补偿式四杆机构的象征性示意图。

图2为图1中四杆机构的轨迹误差补偿示意图。

图3-1为本发明轨迹误差补偿方法的实施例1的电压激励时序示意图。

图3-2为本发明轨迹误差补偿方法的实施例1的原始轨迹示意图。

图3-3为本发明轨迹误差补偿方法的实施例1的期望轨迹示意图。

图4-1为本发明轨迹误差补偿方法的实施例2的电压激励时序示意图。

图4-2为本发明轨迹误差补偿方法的实施例2的原始轨迹示意图。

图4-3为本发明轨迹误差补偿方法的实施例2的期望轨迹示意图。

图5-1为本发明轨迹误差补偿方法的实施例3的电压激励时序示意图。

图5-2为本发明轨迹误差补偿方法的实施例3的原始轨迹示意图。

图5-3为本发明轨迹误差补偿方法的实施例3的期望轨迹示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实 施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅 仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请一并参阅图1及图2，本发明的轨迹误差补偿式四杆机构主要包括曲柄、 摇杆、活动连接在该曲柄和该摇杆之间的连杆、固定在该连杆上输出杆、用于 在该曲柄工作时输出该输出杆的运动轨迹的控制器(图未示)、施加在该输出 杆上的电压源(图未示)。

为了简化结构，方便理解，在图1和图2中对曲柄、连杆、摇杆、输出杆 进行了简化处理，分别用a、b、c、f来表示。而图1和图2中的e表示曲柄a 到输出杆f的距离，输出杆f是垂直固定在连杆b上的；d表示曲柄a的旋转点 和摇杆c的旋转点之间的直线距离；曲柄a和摇杆c分别通过两个基座1实现 旋转式连接，两个基座1位于同一直线上，当然也可以采用一个整体式的基座； XY坐标系以曲柄a的旋转点为圆心，曲柄a的旋转点和摇杆c的旋转点之间的 直线为X轴而建立。

该输出杆采用电致动材料制成，使该输出杆能在该电压源的激励下旋转一 定的角度。电致动材料为电活性聚合物材(Electro-active polymer，EAP)是一 类在电场激励下可以产生大幅度尺寸或形状变化的新型柔性功能材料，是软物 质的一个重要分支。与压电陶瓷、形状记忆合金等传统功能材料相比，EAP具 有变形大、响应迅速、功耗低、质量小、柔韧性好等众多优良特性，因此近年 来逐渐成为柔性机械以及软物质科学等前沿科学与技术发展领域高度关注的研 究对象。但目前还未有应用于四杆机构的输出杆并施加补偿设计以得到本发明 的技术报道。

该控制器首先根据刚性材料制成的输出杆，在该曲柄工作时输出刚性材料 制成的输出杆的运动轨迹，并作为原始轨迹，其次，比较该原始轨迹和期望轨 迹之间的轨迹误差得到补偿轨迹，之后，根据该补偿轨迹得到该电压源的电压 激励时序，最后，根据该电压激励时序控制该电压源输出电压至电致动材料制 成的输出杆，使电致动材料制成的输出杆在该曲柄工作时能在该电压源的电压 激励下旋转并产生与该电压激励时序相对应的补偿轨迹，以补偿在任意时刻原 始轨迹与期望轨迹之间的轨迹误差。

在实际中，为了方便操作，该轨迹误差补偿式四杆机构设计了数据库，该 数据库存储有表征该曲柄在不同工作要求下的多个电压激励时序。当该曲柄运 行某一工作要求时，该控制器根据该工作要求从该数据库中调取相应的电压激 励时序，以控制该电压源输出相应电压至电致动材料制成的输出杆。这样，该 轨迹误差补偿式四杆机构每次运行时，无需再事先运行刚性材料制成的输出杆。 这个工作放到数据库设计时进行，而且可以通过存储，方便相同工作要求的使 用。

四杆机构使用传统材料，当各个杆长选取一定值，能够得到与一些特殊形 状部分拟合的轨迹，除拟合部分外，其余部分与特殊形状之间有较大的误差。 图1中输出杆f使用普通刚性材料，在曲柄a转一定的角度时，能够计算出输 出杆f的轨迹。图1中各个杆长a、b、c、d、e、f已知，自变量只有α1，α2 可以通过一定的算法得到，并且α2是以α1为自变量的函数。α1是曲柄a的旋 转角度，α2是由于曲柄a旋转，导致连杆b的变形角度。

可见，当a1确定时，输出杆f端点处的x方向和y方向的方程都能够得到， 也就得到了未使用电致动材料连杆轨迹的形状和表达式。但此时，得到的轨迹 无法契合预期轨迹，在很多点处有较大误差。

而采用本发明的轨迹误差补偿方法，如图2所示，输出杆f在曲柄a转一 定的角度时，改变角度da，补偿在任意时刻所求轨迹与原始轨迹之间的误差， 从而输出杆f点得到所期望的轨迹。图2中各个杆长a、b、c、d、e、f已知， 自变量只有α1，α2可以通过一定的算法得到，并且α2是以α1为自变量的函 数。经过角度da的补偿之后，可以得到，当α1确定时，输出杆的x方向和y 方向的坐标方程都能够得到，也就得到了经过拟合后的连杆轨迹的形状和表达 式，并且与预期的轨迹相契合。

本发明的输出杆f使用电致动材料，在曲柄a转一定的角度时，输出杆f 在外界电压激励下旋转一定的角度，补偿在任意时刻期望轨迹与原始轨迹之间 的误差。在各个杆长已知时，曲柄a转动一定角度输出杆f的x方向和y方向 的参数方程都能够计算，也就得到了经过拟合后的连杆轨迹的形状和表达式。

四杆机构使用传统材料，当各个杆长选取一定值，能够得到与一些特殊形 状部分拟合的轨迹，除拟合部分外，其余部分与特殊形状之间有较大的误差。 输出杆使用普通刚性材料，在曲柄转一定的角度时，能够计算出输出杆的轨迹。 各个杆长已知，自变量只有输入角度。可见，当输入角度确定时，输出杆端点 处的x方向和y方向的方程都能够得到，也就得到了未使用电致动材料连杆轨 迹的形状和表达式。

本发明的设计方式易于对传统四杆机构的升级，直接用电致动材料制成的 输出杆替换传统输出杆，并对控制曲柄的控制器进行软件更新、或者打软件补 丁，以便增加轨迹误差补偿功能，也可以增加控制输出杆进行轨迹误差补偿的 额外控制器，因此对于线上更新非常方便，无需企业丢弃整个原有的四杆机构， 易于本发明的推广与应用。

在设计软件时，可采用以下轨迹误差补偿方法，其包括以下步骤：

根据刚性材料制成的输出杆，在该曲柄工作时输出刚性材料制成的输出杆 的运动轨迹，并作为原始轨迹；

比较该原始轨迹和期望轨迹之间的轨迹误差得到补偿轨迹；

根据该补偿轨迹得到该电压源的电压激励时序；

根据该电压激励时序控制该电压源输出电压至电致动材料制成的输出杆， 使电致动材料制成的输出杆在该曲柄工作时能在该电压源的电压激励下旋转并 产生与该电压激励时序相对应的补偿轨迹，以补偿在任意时刻原始轨迹与期望 轨迹之间的轨迹误差。

该轨迹误差补偿方法可设置数据库，该数据库存储有表征该曲柄在不同工 作要求下的多个电压激励时序；当该曲柄运行某一工作要求时，根据该工作要 求从该数据库中调取相应的电压激励时序，以控制该电压源输出相应电压至电 致动材料制成的输出杆。

与该轨迹误差补偿方法相对应的控制器可以设计成：该控制器包括原始轨 迹输出单元、补偿轨迹获取单元、电压激励时序获取单元、轨迹误差补偿单元。

原始轨迹输出单元用于根据刚性材料制成的输出杆，在该曲柄工作时输出 刚性材料制成的输出杆的运动轨迹，并作为原始轨迹；补偿轨迹获取单元用于 比较该原始轨迹和期望轨迹之间的轨迹误差得到补偿轨迹；电压激励时序获取 单元用于根据该补偿轨迹得到该电压源的电压激励时序；轨迹误差补偿单元用 于根据该电压激励时序控制该电压源输出电压至电致动材料制成的输出杆，使 电致动材料制成的输出杆在该曲柄工作时能在该电压源的电压激励下旋转并产 生与该电压激励时序相对应的补偿轨迹，以补偿在任意时刻原始轨迹与期望轨 迹之间的轨迹误差。

这个控制器可以采用四连杆机构本身自带的，也可以另外设置专门控制输 出杆的控制器。如，于在该曲柄工作时输出该输出杆的运动轨迹的控制器一、 控制该电压源的控制器二。该控制器一根据刚性材料制成的输出杆，在该曲柄 工作时输出刚性材料制成的输出杆的运动轨迹，并作为原始轨迹；该控制器二 比较该原始轨迹和期望轨迹之间的轨迹误差得到补偿轨迹，根据该补偿轨迹得 到该电压源的电压激励时序，根据该电压激励时序控制该电压源输出电压至电 致动材料制成的输出杆；当该曲柄运行某一工作要求时，该控制器二根据与该 工作要求相对应的电压激励时序，控制该电压源输出相应电压至电致动材料制 成的输出杆，该控制器一同步输出电致动材料制成的输出杆的运动轨迹即为期 望轨迹。当有数据库时，在该曲柄运行某一工作要求时，该控制器二可根据该 工作要求从该数据库中调取相应的电压激励时序，以控制该电压源输出相应电 压至电致动材料制成的输出杆。

接下去，本发明通过三个实例来证明本方案的可实现性以及体现本方案补 偿效果的完美性。设定基础杆长a＝0.4，b＝1.2，c＝1.4，d＝1.5。

实施例1，取杆长e＝0.3，f＝0.4

此时，得到变化角度的图形如图3-1，这个图形通过控制通电情况来实现。

在未使用电致动材料制成的输出杆f时，在这样的杆长情况下，得到的输 出杆f的轨迹如图3-2，显然，这个图形和椭圆有很大的差别。

在使用电致动材料制成的输出杆f后，结合本发明的轨迹误差补偿方法， 输出杆f能够获得da的角度补偿，通过角度da的补偿之后，得到的新的拟合 轨迹如图3-3。

实施例2，取e＝0.3，f＝1

此时，得到变化角度的图形如图4-1，这个图形通过控制通电情况来实现。

在未使用电致动材料制成的输出杆f时，在这样的杆长情况下，得到的输 出杆f的轨迹如图4-2，显然，这个图形和椭圆有很大的差别。

在使用电致动材料制成的输出杆后，结合本发明的轨迹误差补偿方法，输 出杆f能够获得da的角度补偿，通过角度da的补偿之后，得到的新的拟合轨 迹如图4-3。

实施例3，取e＝0.3，f＝3

此时，得到变化角度的图形如图5-1，这个图形通过控制通电情况来实现。

在未使用电致动材料制成的输出杆时，在这样的杆长情况下，得到的输出 杆f的轨迹如图5-2，显然，这个图形和椭圆有很大的差别。

在使用电致动材料制成的输出杆后，输出杆f能够获得da的角度补偿，通 过角度da的补偿之后，得到的新的拟合轨迹如图5-3。

三个拟合实例可以得到，在使用普通材料时，选取合适的连杆长度之后， 得到的连杆轨迹，此轨迹与椭圆有一部分的拟合程度，但仍然有很大部分无法 与椭圆相拟合。

使用电致动材料，控制在任意时刻角度da，补偿其轨迹的误差，经过轨迹 误差补偿装置的补偿之后得到了三个例子之中的拟合连杆轨迹，此时，拟合出 一个完整的椭圆。

本发明使用电致动材料制造构件，在外界电压作用下，材料内部的离子电 极一侧聚集，导致质量和电荷分布的不平衡，构件发生宏观变形。现有轨迹综 合方法，四杆机构的连杆轨迹只能通过目标轨迹的有限个位置点，存在较大误 差。安装电致动材料在四杆机构连杆上，通过施加相应的电压，产生补偿角度， 实现连杆轨迹和目标轨迹间的误差补偿。描述三个实例通过控制四杆机构连杆 上电致动材料转动角度，可以实现轨迹误差的补偿。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发 明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明 的保护范围之内。