10、外之意，此小球是能夠
卡在這梯形的空間里的。這樣也就形成了真正意義上的自鎖。
若電機(jī)固接的曲柄是逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。
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1）曲柄在底端轉(zhuǎn)至頂端的過(guò)程中，經(jīng)力的分析，下自鎖套受到向上的拉力，
自鎖套內(nèi)的兩小球因重力掉至梯形底部， d 球 l 梯頂 ，那么小球就被
11、卡在了梯形空間中，此時(shí)由于小球的被固定而使整個(gè)自鎖套看作是一個(gè)機(jī)架鉸接曲柄一般。 （見(jiàn)左下圖）
2）曲柄由頂端向底端逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，上下滑塊的受力情況恰與第一種情況
相反，下自鎖套因受力自鎖而被固定， 此時(shí)上自鎖套仍向上運(yùn)動(dòng)， 在曲柄過(guò)最底端時(shí)又出現(xiàn)了第一種情況。于是，兩滑塊周而復(fù)始交替向上爬。 （見(jiàn)中下圖）
在氣動(dòng)方面，由于沒(méi)有聯(lián)結(jié)用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，因而直接由氣動(dòng)元件帶動(dòng)兩自鎖套往上移動(dòng)。我們選用兩個(gè)汽缸作為主要的氣動(dòng)元件， 利用作用力與反作
12、用力的原理，由其帶動(dòng)上下兩個(gè)自鎖套分別自鎖，達(dá)到機(jī)器人爬桿的最終目的。 （見(jiàn)右上圖）
２. ３. ２運(yùn)動(dòng)方案選擇
上面所設(shè)計(jì)的爬桿過(guò)程都是在理想的情況下，很多實(shí)際因素都沒(méi)有考慮進(jìn)
去：如摩擦力的大小（即管壁與小球接觸面的摩擦系數(shù)） ，在曲柄過(guò)上下兩滑塊
極限位置時(shí)，自鎖套內(nèi)由于小球在內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的關(guān)系， 自鎖套所要進(jìn)行的向下運(yùn)動(dòng)
的位移，以及上下自鎖套、曲柄和連桿的質(zhì)量，還有電機(jī)的功率、轉(zhuǎn)動(dòng)速度，汽
缸的推程大小、自重，所需氣包的容量及連接方式等等。
現(xiàn)在我們結(jié)合兩者的利弊，著重分析一下各自的優(yōu)缺點(diǎn)。
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就采用汽缸驅(qū)動(dòng)而言，它形式簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便，從機(jī)械設(shè)計(jì)角度而言講究盡
量采用基本機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)要簡(jiǎn)單、可靠。而汽缸則融會(huì)了上述的優(yōu)點(diǎn)，它由
驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)直接帶動(dòng)兩個(gè)自鎖滑塊， 避免了兩者間的連接機(jī)構(gòu)， 精簡(jiǎn)了構(gòu)件之間的
連接。此外，該機(jī)構(gòu)具有環(huán)保等特點(diǎn)，它利用空氣作為動(dòng)力源，無(wú)污染、運(yùn)動(dòng)時(shí)
無(wú)噪音，而且運(yùn)行速度快， 可以在短時(shí)間內(nèi)使機(jī)器人爬到桿的頂端， 它還能夠隨
身攜帶氣包作為動(dòng)力源，可以做到無(wú)線操作。
就采用曲柄滑塊結(jié)構(gòu)而言， 它屬
14、于平面連桿機(jī)構(gòu)， 具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、運(yùn)動(dòng)副為低副，能承受較大載荷；但平衡困難，不易用于高速。我們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)
是由電機(jī)經(jīng)減速直接驅(qū)動(dòng)的，和利用氣動(dòng)原理相比它多了一套傳動(dòng)和連接機(jī)構(gòu)，
但該機(jī)構(gòu)運(yùn)用的原理簡(jiǎn)單， 設(shè)計(jì)合理，而且它不僅能在自桿上爬行， 更能在彎曲的管道外爬行，具體的示意圖見(jiàn)下。
綜上所述，我們小組經(jīng)討論決定：選取“曲柄滑塊機(jī)構(gòu)”作為該爬桿機(jī)器人的最終運(yùn)動(dòng)方案。
２. ３. ３執(zhí)行機(jī)構(gòu)形式設(shè)計(jì)
針對(duì)上述
15、的種種實(shí)際情況， 我們小組在設(shè)計(jì)此爬桿機(jī)器人的時(shí)候就全面考慮
了各方面的因素，從而確定各構(gòu)件的尺寸與制造構(gòu)件的材料。祥見(jiàn)下表
機(jī)構(gòu)名稱(chēng)
構(gòu)件尺寸
所選材料
選用理由
曲柄滑塊
曲柄
2mm鋁板
價(jià)格便宜、材質(zhì)輕便、成型后具有時(shí)效
60mm（軸距）
強(qiáng)化性
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連桿
價(jià)格便宜、材質(zhì)輕便、成型后具有時(shí)效
150（軸距）
2mm鋁板
強(qiáng)化性
錐管（ 4 個(gè)）
價(jià)格便宜、材質(zhì)輕便、
16、成型后具有時(shí)效
2mm鋁板
強(qiáng)化性
圓球（ 4 個(gè)）
成品橡膠
自鎖機(jī)構(gòu)
取材方便、具有高韌性、材質(zhì)輕盈
Φ50mm
球
上述構(gòu)件全部采用鈑金造型，然后由焊接連接，使其加工制造簡(jiǎn)單，易保證較高配合精度。
可是這樣一個(gè)爬桿機(jī)構(gòu)是一個(gè)封閉的機(jī)構(gòu)， 那怎樣才能把機(jī)器人安裝到所要爬的管壁上呢？由此， 我們?cè)O(shè)計(jì)的自鎖套就多了一個(gè)連接裝置， 我們?cè)趦蓚€(gè)形狀對(duì)稱(chēng)的錐管對(duì)接處裝上鉸鏈， 就像在 ADAMS里給兩構(gòu)件用一個(gè)鉸鏈連接， 然后在屏幕上顯示的那種鉸鏈裝置一樣， 這樣自鎖套就能
開(kāi)合，自如地包攏住爬桿，然后在自鎖零件的對(duì)面接口處插上一個(gè)聯(lián)結(jié)銷(xiāo)， 完整的一個(gè)自鎖
17、套就套在了圓桿上。聯(lián)結(jié)銷(xiāo)的形狀見(jiàn)圖 4。
對(duì)于此類(lèi)機(jī)構(gòu)，一定的摩擦力也是保證自鎖發(fā)
生作用的關(guān)鍵。 因此對(duì)各構(gòu)件的材料也是有相當(dāng)?shù)?
要求。經(jīng)過(guò)篩選，我們決定曲柄、連桿與錐管用鋁
板來(lái)制造，小球的材料則用橡膠。橡膠的表面比較
粗糙，且彈性性能較好，那么小球在自鎖套作用時(shí)能卡得比較牢靠，不會(huì)發(fā)生自轉(zhuǎn)等打滑現(xiàn)象， 使整個(gè)機(jī)構(gòu)下滑而影響上爬的效果。在自鎖套需解鎖時(shí)， 由于橡膠具有很高的韌性， 它能立刻恢復(fù)原來(lái)的形狀， 不會(huì)因無(wú)法恢復(fù)形變而使下一步上爬動(dòng)作失效。
２. ３.4 運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力分析
在我們?cè)O(shè)定了曲柄與連桿的長(zhǎng)度后， 每一步機(jī)構(gòu)各構(gòu)件的上升位移便也能
18、自
然而然地計(jì)算出來(lái)了。
當(dāng)曲柄逆時(shí)針由最底端轉(zhuǎn)至最頂端時(shí)，下滑塊上升 2 倍曲柄的長(zhǎng)度位移，即
120mm。同樣，曲柄逆時(shí)針由最頂端轉(zhuǎn)動(dòng)到底端時(shí)，上滑塊也走過(guò) 120mm（自鎖
套在自鎖時(shí)的下滑距離不計(jì)） 。
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下面我們就該機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)一周的情況列表作一下分析（此時(shí)曲柄處于頂端） ：
曲柄旋轉(zhuǎn)角（逆時(shí)針）
上自鎖套運(yùn)動(dòng)情況
下自鎖套運(yùn)動(dòng)情況
0 -90
向上運(yùn)動(dòng) 120mm
自鎖（固定
19、）
90 -180
自鎖（固定）
向上運(yùn)動(dòng) 120mm
180-270
向上運(yùn)動(dòng) 120mm
自鎖（固定）
當(dāng)然，這樣的機(jī)構(gòu)絕非完美無(wú)缺的。首先，我們?cè)O(shè)計(jì)的自鎖套的形狀還無(wú)法適應(yīng)此機(jī)構(gòu)爬各種桿。 若所要爬的桿直徑大小稍有變化， 隨著它的變動(dòng)自鎖套也必須相應(yīng)地改變它外伸包攏桿部分的形狀大小。 但是，我們?cè)O(shè)計(jì)的自鎖套可以根據(jù)不同需要換取不同大小、材質(zhì)的小球。
上文中我們還提到了軟件的運(yùn)用，特別是 ADAMS運(yùn)動(dòng)分析軟件。我們使用該軟件對(duì)爬桿機(jī)器人進(jìn)行造型， 并在連接處添加了一定的轉(zhuǎn)動(dòng)副和移動(dòng)副， 并固定了機(jī)架，在這個(gè)基礎(chǔ)上， 我們使用軟件中的各種插件對(duì)我們的爬桿機(jī)器人進(jìn)
20、行了運(yùn)動(dòng)模擬和運(yùn)動(dòng)分析。
下面就是我們所截取各構(gòu)件的速度位移圖。
圖 5——曲柄位移速度圖
圖 6——連桿位移速度圖
圖 7——錐管（上）位移速度圖
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２. ３.5 執(zhí)行系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖
21、
下自鎖套自鎖， 上滑塊向 上自鎖套自鎖， 下滑塊向
上爬行。 上爬行。
自由度 F 的計(jì)算：
n=3 Pl=4 Ph=0
F=3n-(2Pl+Ph)=3 3-(2 4-0)=1
3. 計(jì)算內(nèi)容
解析法設(shè)計(jì)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)：
實(shí)現(xiàn)兩連架桿對(duì)應(yīng)位置的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)：
acos（φ0+φ）+bcosδ=d+c cos（Ψ0+Ψ）
asin（φ0+φ）+bcosδ=d+csin（Ψ0+Ψ）
將上式移項(xiàng)后平方相加，消去 δ得：
-b2
22、+d2+c2+a2+2cdcos（Ψ0+Ψ）-2ad cos（ φ0+φ）=2accos[（ φ0+φ）-（Ψ0+Ψ）]令 R1=（a2-b2+c2 +d2） /2ac R2=d/c R3=d/c 則：
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R
23、1+R2 cos（Ψ0+Ψ） -R3 cos（ φ0+φ） =cos[（φ0+φ）-（ Ψ0+Ψ）]
將給定的五個(gè)對(duì)應(yīng)位置代入：
R1+R2 cosΨ0-R3 cosφ0=cos[φ0-Ψ0]
R1+R2 cos（Ψ0+Ψ1）-R3 cos（φ0+φ1） =cos[（φ0+φ1）-（Ψ0+Ψ1 ）]
R1+R2 cos（Ψ0+Ψ2）-R3 cos（φ0+φ2） =cos[（φ0+φ2）-（Ψ0+Ψ2 ）]
R1+R2 cos（Ψ0+Ψ3）-R3 cos（φ0+φ3） =cos[（φ0+φ3）-（Ψ0+Ψ3 ）]
R1+R2 cos（Ψ0+Ψ4）-R3 cos
24、（φ0+φ4） =cos[（φ0+φ4）-（Ψ0+Ψ4 ）]
求出 R1、R2、R3、 Ψ0、 φ0
若已知 Ψ0、 φ0，則只需三對(duì)對(duì)應(yīng)位置。
一般，先取 d=1，然后根據(jù) R1、 R2、R3、 求出在 d=1 情況下各構(gòu)件相對(duì) d 的長(zhǎng)
度 a、b、 c，至于各構(gòu)件的實(shí)際長(zhǎng)度，可根據(jù)機(jī)構(gòu)的使用條件按比例放大后得到所需值。
若將圖 1 中搖桿的長(zhǎng)度增至無(wú)窮大， 則 B 點(diǎn)的曲線導(dǎo)軌將變成直線導(dǎo)軌， 鉸
鏈四桿機(jī)構(gòu)就演化成我們這爬桿機(jī)器人所運(yùn)
25、用的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)（如圖3）。
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對(duì)于曲柄滑塊的解析式來(lái)說(shuō)，相較于它的“前身”——鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的要簡(jiǎn)
單許多：
滑塊的行程 B1B2 為曲柄半徑 r2 的兩倍，兩端點(diǎn) B1 和 B2 稱(chēng)為滑塊的極限位
置，它是以 O2 為中心而分別以長(zhǎng)度 r3 -r2 和 r3+r2 為半徑作圓弧求得的。
26、
我們這個(gè)爬桿機(jī)器人，由于它還運(yùn)用了自鎖原理，故當(dāng)
曲柄轉(zhuǎn)到與桿成一直線時(shí)，運(yùn)動(dòng)的滑塊就將相應(yīng)地?fù)Q一次，
若電機(jī)為逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)（即曲柄為逆時(shí)針，見(jiàn)圖 4）：
a）當(dāng) A →B時(shí)，下滑塊向上滑動(dòng)位移是 2r 2，即等于曲
柄長(zhǎng)度的 2 倍，為 120mm，（ S1 =2r 2=2 60=120mm）
b）當(dāng) B→A 時(shí)，上滑塊向上滑動(dòng)的位移也是 2r2 ，即
S2=2r2=260=120mm。
這樣：當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一周時(shí)上下兩滑塊相互配合地走過(guò)
S=S1+S2=120+120=240mm。
４ . 應(yīng)用前景
該機(jī)器人運(yùn)用了簡(jiǎn)單的
27、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)， 原動(dòng)力采用電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)， 兩者在選材上都很方便， 而且我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)選用了材質(zhì)較為輕盈的鋁材作為結(jié)構(gòu)材料， 減輕了該機(jī)器人的重量， 使其更大效率的發(fā)揮電機(jī)的功率， 提高了機(jī)器人的爬行速度。
此外，該爬桿機(jī)器人的設(shè)計(jì)方便了操作人員安裝到圓桿上和調(diào)試， 對(duì)于在調(diào)試過(guò)程中遇到的問(wèn)題也可以根據(jù)當(dāng)時(shí)的情況做出及時(shí)、 相應(yīng)的修改。 而且，我們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)器人不僅能在直桿外爬行， 更能適應(yīng)不同彎曲度的圓桿對(duì)我們機(jī)器人的挑戰(zhàn)，正是由于曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的合理應(yīng)用， 我們的機(jī)器人才可以在提高機(jī)械運(yùn)動(dòng)
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效率的前提下克服不同彎曲度的圓桿，使其像爬直桿一樣爬行過(guò)彎曲的管道。
５ . 個(gè)人小結(jié)
通過(guò)這學(xué)期的學(xué)習(xí)我認(rèn)識(shí)到：
機(jī)器人教學(xué)綜合性較強(qiáng)， 它將有關(guān)機(jī)械、 電子、計(jì)算機(jī)等技術(shù)與各學(xué)科有機(jī)
地融合在一起。我們通過(guò)動(dòng)手實(shí)踐獲取知識(shí)，針對(duì)項(xiàng)目課題進(jìn)行研究、策劃、設(shè)
計(jì)、組裝和測(cè)試。以小組為單位，使用積木、傳感器、馬達(dá)及齒輪等組件設(shè)計(jì)自
己的機(jī)器人， 并為機(jī)器人編寫(xiě)程序， 讓它完成自己想讓它做的事情， 將課堂上的
理論知識(shí)有效地運(yùn)用到實(shí)踐中。 學(xué)生進(jìn)一步學(xué)會(huì)用理論聯(lián)系實(shí)際， 不斷地去發(fā)現(xiàn)
29、
問(wèn)題、解決問(wèn)題，從單純的理論學(xué)習(xí)升華到了具體的實(shí)踐操作， 從而培養(yǎng)了我們
的綜合實(shí)踐能力。
機(jī)器人教學(xué)不僅提高了我們的動(dòng)手能力， 還培養(yǎng)了我們的創(chuàng)新能力。 在教學(xué)中，老師可提出一些新的課題， 組織學(xué)生一起探討、 研究，活動(dòng)的主題顯得新穎、有趣。尤為重要的是其問(wèn)題解決方案是開(kāi)放性的，學(xué)生可以分組學(xué)習(xí)、研究，得
到不同的解決方案， 用不同的方法達(dá)到同一個(gè)目標(biāo)。 因而智能機(jī)器人活動(dòng)能激發(fā)學(xué)生充分發(fā)揮想象力、 創(chuàng)造力，有利于培養(yǎng)我們的開(kāi)放性思維。 我們通過(guò)主動(dòng)探索、動(dòng)手實(shí)踐，親身體驗(yàn)抽象的理論如何變成了觸手可及的答案， 享受成功的興奮。
通過(guò)學(xué)習(xí)，我深感到自己肩上責(zé)任重
30、大， 科技教育對(duì)于祖國(guó)未來(lái)發(fā)展的重要性促使我國(guó)不得不加快科技教育的步伐， 而且科技教育也是實(shí)施素質(zhì)教育使我們得到全面發(fā)展的最好教學(xué)手段。 以后我們會(huì)結(jié)合自身的條件， 更加努力學(xué)習(xí)， 掌握過(guò)硬的專(zhuān)業(yè)技術(shù)，盡最大努力為國(guó)家添磚加瓦！
６ . 參考資料
［ 1］羅洪量主編，《機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)》 （第二版），北京：高等教育出版社， 1986 年。
［ 2］ JJ. 杰克（美）主編，《機(jī)械與機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理》 （第一版），北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 1985 年。
［ 3］王玉新主編，《機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法學(xué)》 （第一版），天津：天津大學(xué)出版社，
1996 年。
［ 4］孫恒、陳作模主編，《機(jī)械原理》（第六版），北京：高等教育出版社， 2001。
１２文檔來(lái)源為 :從網(wǎng)絡(luò)收集整理 .word 版本可編輯 .
爬桿機(jī)器人設(shè)計(jì)
