一种运动机构的分析方法与流程

本申请是申请日为2017年12月19日，申请号为201711377143.4，发明名称为“一种运动机构的分析方法”的发明专利申请的分案申请。

本发明涉及机械机构领域，特别涉及一种运动机构的分析方法。

背景技术：

对于能够独立运动的机械机构来说，其包括多个相互约束的构件，多个构件协同作用，以赋予该机构特定的运动轨迹。通过对机构的运动轨迹进行分析，能更好地理解该机构的机械作用。

现有技术中，同时分析机构中的多个构件的运动过程，以确定该机构的运动轨迹。

发明人发现现有技术至少存在以下技术问题：

当机构包括数量较多的构件时，其运动轨迹的分析过程繁杂。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种运动机构的分析方法，可解决上述技术问题。具体技术方案如下：

提供了一种运动机构的分析方法，所述方法包括：对运动机构进行分析，确定所述运动机构是否包含旁路机构；

若包含所述旁路机构，则所述运动机构由所述旁路机构和原始机构组成；

所述旁路机构用于驱动所述原始机构按原始轨迹运动，且，所述旁路机构相对于所述原始机构的自由度为0。

在一种可能的设计中，所述运动机构包含所述旁路机构，当分析所述运动机构的运动轨迹时，对所述原始机构的运动轨迹进行分析。

在一种可能的设计中，所述运动机构不包含所述旁路机构，对所述运动机构增设所述旁路机构，所述运动机构作为原始机构；

利用所述旁路机构驱动所述原始机构运动。

在一种可能的设计中，所述对运动机构进行分析，确定所述运动机构是否包含旁路机构，包括：

确定所述运动机构的机座；

从所述运动机构中确定一端与所述机座连接的多个子机构；

将每一个所述子机构作为预设旁路机构，所述运动机构除去所述预设旁路机构的部分作为预设原始机构；

分别计算所述预设旁路机构相对于对应的预设原始机构的自由度，若所述自由度为0，则所述预设旁路机构确定为目标旁路机构，则确定所述运动机构包含旁路机构。

在一种可能的设计中，所述计算所述预设旁路机构相对于对应的预设原始机构的自由度，包括：

确定所述预设旁路机构所包含的构件数目；

确定所述预设旁路机构中每个构件的连接端的运动副；

如果所述预设旁路机构为平面机构，则所述自由度＝所述构件数目*3-每个所述运动副所约束的自由度之和；

如果所述预设旁路机构为空间机构，则所述自由度＝所述构件数目*6-每个所述运动副所约束的自由度之和。

在一种可能的设计中，当所述运动机构为发动机罩铰链时，所述发动机罩铰链包括：底座；

下端与所述底座铰接的第一杆件；

下端与所述底座铰接的第二杆件；

同时与所述第一杆件和所述第二杆件的上端铰接的第三杆件；

下端与所述底座通过圆柱副连接，上端与所述第三杆件通过球副连接的气弹簧构件；

所述气弹簧构件包括：通过滑移副自下而上连接的第一气弹簧和第二气弹簧；

对所述发动机罩铰链进行分析，确定所述发动机罩铰链是否包含旁路机构，包括：

确定所述底座为机座；

从所述发动机罩铰链中确定一端与所述机座连接的所述第一杆件、所述第二杆件、所述气弹簧构件；

分别将所述第一杆件、所述第二杆件、所述气弹簧构件作为预设旁路机构，所述发动机罩铰链除去所述预设旁路机构的部分作为预设原始机构；

分别计算所述第一杆件、所述第二杆件、所述气弹簧构件相对于对应的预设原始机构的自由度；

当所述气弹簧构件作为预设旁路机构时，所述气弹簧构件相对于对应的预设原始机构的自由度为0，此时，确定所述气弹簧构件为所述发动机罩铰链的所述旁路机构。

在一种可能的设计中，当对所述发动机罩铰链的运动轨迹进行分析时，从所述发动机罩铰链除去所述气弹簧构件，将所述底座、所述第一杆件、所述第二杆件、所述第三杆件配合构成的整体作为原始机构，仅分析所述原始机构的运动轨迹。

在一种可能的设计中，当所述运动机构为汽车前悬架时，所述汽车前悬架包括：转向机本体、副车架、转向内杆、转向机拉杆、控制臂、转向节、第一滑柱、第二滑柱、固定点、稳定件；

所述转向机本体与所述副车架为刚性连接；

所述转向内杆与所述转向机本体通过滑移副连接，所述转向内杆与所述转向机拉杆通过万向节连接，所述转向机拉杆与所述转向节通过球副连接；

所述控制臂与所述副车架通过旋转副连接，所述控制臂与所述转向节通过球副连接；

所述转向节与所述第一滑柱为刚性连接，所述第一滑柱与所述第二滑柱通过滑移副连接，所述第二滑柱与所述固定点通过球副连接；

所述稳定件包括：顺次连接的稳定杆和连接杆，所述稳定杆与所述副车架通过旋转副连接，所述稳定杆与所述连接杆通过万向节连接，所述连接杆与所述第一滑柱通过球副连接；

对所述汽车前悬架进行分析，确定所述汽车前悬架是否包含旁路机构，包括：

确定所述转向机本体、所述副车架、所述固定点构成的整体为机座；

从所述汽车前悬架中确定一端与所述机座连接的所述转向内杆、所述控制臂、所述第二滑柱、所述稳定件；

分别将所述转向内杆、所述控制臂、所述第二滑柱、所述稳定件作为预设旁路机构，所述汽车前悬架除去所述预设旁路机构的部分作为预设原始机构；

分别计算所述转向内杆、所述控制臂、所述第二滑柱、所述稳定件相对于对应的预设原始机构的自由度；

当所述稳定件作为预设旁路机构时，所述稳定件相对于对应的预设原始机构的自由度为0，此时，确定所述稳定件为所述汽车前悬架的所述旁路机构。

在一种可能的设计中，当对所述汽车前悬架的运动轨迹进行分析时，从所述汽车前悬架除去所述稳定件，将所述汽车前悬架除去所述稳定件的剩余部件作为原始结构，仅分析所述原始结构的运动轨迹。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过对运动机构进行分析，确定其是否含有旁路机构，基于旁路机构的定义，可知其用于驱动原始机构按原始轨迹运动，且，旁路机构相对于所述原始机构的自由度为0。可见，根据该条件，如若确定得到运动机构中含有旁路机构，则在分析运动机构的运动轨迹时，可以除去旁路机构，仅仅分析原始机构的运动轨迹，如此能够简化运动机构运动轨迹的分析过程。另外，基于旁路机构相对于原始机构的自由度为0，通过旁路机构驱动原始机构，所以，如若运动机构中不含有旁路机构，则运动机构本身可看作原始机构，此时在不改变原始机构的运动轨迹的基础上，可对原始机构增加旁路机构作为驱动件，对原始机构的运动提供动力，提高运动机构应用时的适应性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的运动机构为发动机罩铰链机构时的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的运动机构为汽车前悬架机构时的结构示意图。

附图标记分别表示：

a-底座，

b-第一杆件，

c-第二杆件，

d-第三杆件，

e-气弹簧构件，

e1-第一气弹簧，

e2-第二气弹簧，

a-转向机本体，

b-副车架，

c-转向内杆，

d-转向机拉杆，

e-控制臂，

f-转向节，

g-第一滑柱，

h-第二滑柱，

i-固定点，

j-稳定件，

j1-稳定杆，

j2-连接杆。

具体实施方式

除非另有定义，本发明实施例所用的所有技术术语均具有与本领域技术人员通常理解的相同的含义。为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明实施例提供了一种运动机构的分析方法，该方法包括：对运动机构进行分析，确定运动机构是否包含旁路机构；若包含旁路机构，则运动机构由旁路机构和原始机构组成。其中，旁路机构用于驱动原始机构按原始轨迹运动，且，旁路机构相对于原始机构的自由度为0。

本发明实施例提供的方法，通过对运动机构进行分析，确定其是否含有旁路机构，基于旁路机构的定义，可知其用于驱动原始机构按原始轨迹运动，且，旁路机构相对于所述原始机构的自由度为0。可见，根据该条件，如若确定得到运动机构中含有旁路机构，则在分析运动机构的运动轨迹时，可以除去旁路机构，仅仅分析原始机构的运动轨迹，如此能够简化运动机构运动轨迹的分析过程。

另外，基于旁路机构相对于原始机构的自由度为0，通过旁路机构驱动原始机构，所以，如若运动机构中不含有旁路机构，则运动机构本身可看作原始机构，此时在不改变原始机构的运动轨迹的基础上，可对原始机构增加旁路机构作为驱动件，对原始机构的运动提供动力，提高运动机构应用时的适应性。

本发明实施例中，运动机构包括：始终固定不动的机座、以及设置在机座上的多个活动构件，其中，对于运动机构来说，多个活动构件中含有原动件(主动运动的构件)、从动件(从动的构件)。运动机构进行运动具备的条件为：运动机构的自由度大于或等于1，且，运动机构的原动件的数目等于运动机构的自由度的数目。在本发明实施例中，旁路机构可以理解为原动件。

对于原始机构的原始运动轨迹来说，是指原始机构在原动件的驱动下获得的运动轨迹。即，原始机构在其原动件驱动下的运动轨迹(即原始运动轨迹)，与其在旁路机构驱动下的运动轨迹一致。

上述的旁路机构相对于原始机构的自由度为0，是指旁路机构与原始机构完全约束(即两者互相被彼此完全约束)，两者的运动关系一一对应，原始机构不运动时，旁路机构无法运动，旁路机构运动时，原始机构被其驱动至运动。

以下对旁路机构在运动机构的分析中的作用给予详细阐述：

若对运动机构进行分析后，确定运动机构包含旁路机构，当分析运动机构的运动轨迹时，对原始机构的运动轨迹进行分析。

对于包括旁路机构的运动机构来说，在分析运动机构的运动轨迹时，可以从运动机构中除去旁路机构(例如，旁路机构可以被直接拆卸，或者，也可以直接无视旁路机构的存在，此时可不对旁路机构进行实际上的拆卸)，除去旁路机构后，对剩余原始机构的运动轨迹进行分析。具体地，可以通过计算原始机构的自由度，来分析原始机构的运动轨迹。

进一步地，当对运动机构进行改进优化时，通过除去旁路机构，可以直接对其核心的原始机构进行改进，而旁路机构的去除，不仅便于直观地观察原始机构的连接关系，且能减少工作量。

基于上述旁路机构能够驱动原始机构按原始轨迹运动，当对运动机构进行分析，确定运动机构不包含旁路机构时，可以选择对运动机构增设旁路机构，此时，运动机构作为原始机构，利用旁路机构驱动原始机构运动。

利用旁路机构驱动原始机构运动，在不改变原始机构的运动轨迹及其作用的前提下，为原始机构的运动提供动力。如此操作，改变了原始机构的动力源，对于不便驱动的原始机构，增加便于驱动的旁路机构，使原始机构的运动更便利。并且，根据现场使用需求，选择驱动旁路机构进而驱动原始机构运动，或者直接驱动原始机构的原动件使原始机构运动，增加选择的多样性，扩大原始机构的适用范围。

由上述可知，旁路机构对于简化运动机构的分析过程具有重要的意义，并且上述提及，旁路机构用于驱动原始机构按原始轨迹运动，且，旁路机构相对于原始机构的自由度为0，可见，在确定旁路机构时，可以根据上述条件来进行确定。具体地，可以根据下述方法确定运动机构是否包含旁路机构：

确定运动机构的机座。

从运动机构中确定一端与机座连接的多个子机构。

将每一个子机构作为预设旁路机构，运动机构除去预设旁路机构的部分作为预设原始机构。

分别计算预设旁路机构相对于对应的预设原始机构的自由度，若自由度为0，则预设旁路机构确定为目标旁路机构，此时，即可确定运动机构包括旁路机构。

通过上述步骤，可以确定运动机构中是否包含旁路机构，简化运动机构的分析。亦能通过将满足上述条件的机构作为旁路机构新增到运动机构中，驱动运动机构的运动。

本发明实施例中，运动机构的机座指的是：运动机构在运动过程中，始终静止不动的构件，可见，机座在运动时始终为其他构件提供支撑。

从运动机构中确定一端与机座连接的多个子机构，指的是，在运动机构中找出有且仅有一端连接在机座上的子机构，该子机构可以为单独的构件，也可以为多个构件构成的组合体。

待上述多个子机构确定之后，分别将每一个子机构作为预设旁路机构，即，假设其为旁路机构，此时，从运动机构中除去该预设旁路机构，剩余的部分即可作为对应的预设原始机构。随后，计算预设旁路机构相对于对应的预设原始机构的自由度即可。具体地，预设旁路机构相对于预设原始机构的自由度可通过下述方法计算得到：

确定预设旁路机构所包含的构件数目。

确定每个构件的连接端的运动副。

如果预设旁路机构为平面机构，则上述的自由度＝构件数目*3-每个运动副所约束的自由度之和。

如果预设旁路机构为空间机构，则上述的自由度＝构件数目*6-每个运动副所约束的自由度之和。

通过上述计算方法，能够计算出预设旁路机构相对于预设原始机构的自由度，以确定预设旁路机构是否为真实存在的旁路机构，亦即，目标旁路机构。可以理解的是，上述的平面机构指的是预设旁路机构在一个平面内运动。

上述空间机构指的是预设旁路机构在空间内运动。

对于运动机构来说，通过观察即可获知各构件连接端的运动副，且每种类型的运动副所约束的自由度的数目是已知且确定的。举例来说，平面机构中，当运动副为铰接时，其限制两个自由度。

每个运动副所约束的自由度之和，指的是，将每个运动副所约束的自由度的数目相加求和，计算运动副一共约束了多少个自由度。

平面机构中，每个构件具有三个自由度，分别为：x、y、θ，分别表示沿x轴移动的距离、沿y轴移动的距离、转动的角度。因此，预设旁路机构在不受到运动副的约束时，其总的自由度数目＝构件数目*3。

空间机构中，每个构件具有6个自由度，分别为x、y、z、a、b、c，分别表示沿x轴移动的距离，沿y轴移动的距离，沿z轴移动的距离，绕x轴的转动角度，绕y轴的转动角度，绕z轴的转动角度。因此，预设旁路机构在不受到运动副的约束时，其总的自由度数目＝构件数目*6。

因此，在计算预设旁路机构的自由度时，只需用其在不受到约束时的总自由度数目减去运动副约束的自由度数目即可。

如果预设旁路机构为平面机构，则自由度＝构件数目*3-每个运动副所约束的自由度之和；

如果预设旁路机构为空间机构，则自由度＝构件数目*6-每个运动副所约束的自由度之和。

以下将通过具体实施例对本发明提供的运动机构的分析方法进行说明：

作为一种示例：

如附图1所示，当运动机构为发动机罩铰链时，发动机罩铰链包括：底座a；

下端与底座a铰接的第一杆件b；

下端与底座a铰接的第二杆件c；

同时与第一杆件b和第二杆件c的上端铰接的第三杆件d；

下端与底座a通过圆柱副连接，上端与第三杆件d通过球副连接的气弹簧构件e；

气弹簧构件e包括：通过滑移副连接自下而上连接的第一气弹簧e1和第二气弹簧e2。

对发动机罩铰链进行分析，确定发动机罩铰链是否包含旁路机构，包括：

确定底座a为机座。

从发动机罩铰链中确定一端与机座连接的第一杆件b、第二杆件c、气弹簧构件e。

分别将第一杆件b、第二杆件c、气弹簧构件e作为预设旁路机构，发动机罩铰链除去预设旁路机构的部分作为预设原始机构。

分别计算第一杆件b、第二杆件c、气弹簧构件e相对于对应的预设原始机构的自由度。

当气弹簧构件e作为预设旁路机构时，气弹簧构件e相对于对应的预设原始机构的自由度为0，此时，确定气弹簧构件e为发动机罩铰链的旁路机构。

由于发动机罩铰链在工作时，底座a固定在车身上，因此，将底座a确定为机座。然后确定一端与机座连接的子构件分别为：第一杆件b、第二杆件c、气弹簧构件e。

将第一杆件b作为预设旁路机构，并且其为平面机构，计算第一杆件b相对于对应的预设原始机构的自由度，平面机构中，铰接约束两个自由度：

fb＝3*1-2*2＝-1，相对自由度不为0。

将第二杆件c作为预设旁路机构，并且其为平面机构，计算第二杆件c相对于对应的预设原始机构的自由度，平面机构中，铰接约束两个自由度：

fc＝3*1-2*2＝-1，相对自由度不为0。

将气弹簧构件e作为预设旁路机构，并且其为空间机构(基于圆柱副和球副的存在)，计算气弹簧构件e相对于对应的预设原始机构的自由度，空间机构中，滑移副约束5个自由度，圆柱副约束4个自由度，球副约束3个自由度：

fe＝6*2-5*1-4*1-3*1＝0，相对自由度为0。

因此，得出结论：气弹簧构件e可作为发动机罩铰链机构中的旁路机构。

基于上述，当对发动机罩铰链的运动轨迹进行分析时，从发动机罩铰链除去气弹簧构件e，将第一杆件b、第二杆件c、第三杆件d、底座a配合构成的整体作为原始机构，分析原始机构的运动轨迹。

通过从发动机罩铰链中除去气弹簧构件e，减少对原始机构进行分析时的计算量，便于对原始机构优化、改进等。

作为另一种示例：

如附图2所示，当运动机构为汽车前悬架时，汽车前悬架包括：转向机本体a、副车架b、转向内杆c、转向机拉杆d、控制臂e、转向节f、第一滑柱g、第二滑柱h、固定点i、稳定件j。

其中，转向机本体a与副车架b为刚性连接。

转向内杆c与转向机本体a通过滑移副连接，转向内杆c与转向机拉杆d通过万向节连接，转向机拉杆d与转向节f通过球副连接。

控制臂e与副车架b通过旋转副连接，控制臂e与转向节f通过球副连接。

转向节f与第一滑柱g为刚性连接，第一滑柱g与第二滑柱h通过滑移副连接，第二滑柱h与固定点i通过球副连接。

稳定件j包括顺次连接的稳定杆j1和连接杆j2，稳定杆j1与副车架b通过旋转副连接，稳定杆j1与连接杆j2通过万向节连接，连接杆j2与第一滑柱g通过球副连接。

对汽车前悬架进行分析，确定汽车前悬架是否包含旁路机构，包括：

确定转向机本体a、副车架b、固定点i构成的整体为机座。

从汽车前悬架中确定一端与机座连接的转向内杆c、控制臂e、第二滑柱h、稳定件j。

分别将转向内杆c、控制臂e、第二滑柱h、稳定件j作为预设旁路机构，所汽车前悬架除去预设旁路机构的部分作为预设原始机构。

分别计算转向内杆c、控制臂e、第二滑柱h、稳定件j相对于对应的预设原始机构的自由度。

当稳定件j作为预设旁路机构时，稳定件j相对于对应的预设原始机构的自由度为0，此时，确定气弹簧构件稳定件j为目标旁路机构。

汽车前悬架运动过程中，转向机本体a、副车架b、固定点e固定不动，将转向机本体a、副车架b、固定点e作为汽车前悬架机构的机座。

确定一端与机座连接的转向内杆c、控制臂e、第二滑柱h、稳定件j。

将转向内杆c作为预设旁路机构，计算转向内杆c相对于对应的预设原始机构的自由度，空间机构中，滑移副约束5个自由度，万向节约束4个自由度：

fc＝6*1-5*1-4*1＝-3，相对自由度不为0。

将控制臂e作为预设旁路机构，计算控制臂e相对于对应的预设原始机构的自由度，空间机构中，旋转副约束5个自由度，球副约束3个自由度：

fe＝6*1-5*1-3*1＝-2，相对自由度不为0。

将第二滑柱h作为预设旁路机构，计算第二滑柱h相对于对应的预设原始机构的自由度，空间机构中，滑移副约束5个自由度，球副约束3个自由度：

fh＝6*1-5*1-3*1＝-2，相对自由度不为0。

将稳定件j作为预设旁路机构，计算稳定件j相对于对应的预设原始机构的自由度，空间机构中，旋转副约束5个自由度，万向节约束4个自由度，球副约束3个自由度：

fj＝6*2-5*1-4*1-3*1＝0，相对自由度为0。

因此，得出结论，稳定件j可作为汽车前悬架机构中的旁路机构。

基于上述，当对汽车前悬架的运动轨迹进行分析时，从汽车前悬架除去稳定件j，将汽车前悬架除去稳定件j的剩余部件作为原始结构，分析原始结构的运动轨迹。

通过从汽车前悬架中除去稳定件j，减少对原始机构进行分析时的计算量，便于对原始机构优化、改进等。

上述两个实施例提供了从运动机构中判定旁路机构的具体步骤，利用该判定方法，还可以对原始机构增添旁路机构作为驱动件。所增添的机构只需满足上述判定条件，即可构成旁路机构。

举例来说，在运动机构中新增机构作为旁路机构时，首先将新增机构的一端连接在底座上，另一端连接在运动机构的活动构件上。然后通过确定新增机构各构件连接端的运动副，使运动副约束的自由度数目之和等于新增机构中各构件不受约束时总的自由度，使新增机构相对于运动机构的自由度为0，此时新增机构满足上述旁路机构的判定条件，可作为旁路机构增添到运动机构中，不影响运动机构的运动轨迹。

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