9、l梯底）。言外之意，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)。
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)
10、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?。垂鼙谂c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)
11、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)。
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，
12、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
構(gòu)件尺寸
所選材料
選用理由
曲柄滑塊
曲柄
60mm（軸距）
2mm鋁板
價(jià)格便宜、材質(zhì)輕便
13、、成型后具有時(shí)效強(qiáng)化性
連桿
150（軸距）
2mm鋁板
價(jià)格便宜、材質(zhì)輕便、成型后具有時(shí)效強(qiáng)化性
錐管（4個(gè)）
2mm鋁板
價(jià)格便宜、材質(zhì)輕便、成型后具有時(shí)效強(qiáng)化性
自鎖機(jī)構(gòu)
圓球（4個(gè)）
Φ50mm
成品橡膠球
取材方便、具有高韌性、材質(zhì)輕盈
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
14、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，完整的一個(gè)自鎖套就套在了圓桿上。聯(lián)結(jié)銷的形狀見(jiàn)圖4。
對(duì)于此類機(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)囊?。?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
15、機(jī)構(gòu)各構(gòu)件的上升位移便也能自然而然地計(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)）。
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）
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
16、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)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
上自鎖套自鎖，下滑塊向上爬行。
下
17、自鎖套自鎖，上滑塊向上爬行。
２.３.5執(zhí)行系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖
自由度F的計(jì)算：
n=3 Pl=4 Ph=0
F=3n-(2Pl+Ph)=33-(24-0)=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+ccos（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+d2+c2+a2+2cdcos（Ψ0+Ψ）-2adcos（φ0+φ）=2accos[（φ0+φ）-（Ψ0+Ψ）]
令R1=（a2-b2+c2+d2）/2ac R2=d/c
18、 R3=d/c 則：
R1+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（φ0+φ4）=
19、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)用的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)（如圖3）。
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稱為滑塊的極限位置，它是以O(shè)2為中心而分別以長(zhǎng)
20、度r3-r2和r3+r2為半徑作圓弧求得的。
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2r2，即等于曲柄長(zhǎng)度的2倍，為120mm，（S1=2r2=260=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
21、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)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)
這次課程設(shè)計(jì)，我們組拿到的題目是爬桿機(jī)器人。其實(shí)所謂的爬桿就是運(yùn)用機(jī)械原理課上所學(xué)過(guò)的曲柄滑塊與自鎖原理，
22、使整個(gè)機(jī)構(gòu)在豎直平面煙y軸向上運(yùn)動(dòng)。
平日里，我在機(jī)械原理課上所學(xué)的知識(shí)是比較理論化的，通過(guò)這些理論我了解了一些機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方案與運(yùn)動(dòng)軌跡，至于這些構(gòu)件、這些機(jī)構(gòu)真正要派些什么用場(chǎng)，在我腦中的概念還是挺模糊的，但是在這次為完成課程設(shè)計(jì)的任務(wù)當(dāng)中，我開(kāi)始對(duì)傳授機(jī)械原理這門(mén)課的真正意義所在有了初步了解。換句話說(shuō)，因這次課程設(shè)計(jì)我把理論與實(shí)踐運(yùn)用結(jié)合了起來(lái)，達(dá)到了學(xué)以致用的目的。
也因這次設(shè)計(jì)的要求，我開(kāi)始學(xué)習(xí)運(yùn)動(dòng)ADAMS軟件來(lái)繪制機(jī)構(gòu)圖，并且用它來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)虛擬運(yùn)動(dòng)演示。
以前，我從未接觸過(guò)ADAMS，一開(kāi)始用它時(shí)我只能一點(diǎn)點(diǎn)摸索著做，由于菜單中很多工具我都不太清楚，所以在畫(huà)機(jī)構(gòu)時(shí)總覺(jué)得與自己
23、所要求的效果相距甚遠(yuǎn)，但我還是硬著頭皮畫(huà)下去，為的就是想看看自己所畫(huà)的機(jī)構(gòu)能否能動(dòng)。果然，我繪制的無(wú)規(guī)無(wú)矩的機(jī)構(gòu)演示時(shí)它動(dòng)了，而且是有了順著圓桿向上爬的雛形。看著自己用起始對(duì)它一無(wú)所知的ADAMS繪出的機(jī)構(gòu)能演示了，這使我的信心大增。我想接下來(lái)的就是要用它來(lái)繪出盡量與我們?cè)O(shè)計(jì)的構(gòu)件相一致的圖形，而且還要達(dá)到上下兩滑塊在上爬時(shí)能交替自鎖的目的。于是我請(qǐng)教了老師與同學(xué)之后，我知道了例如菜單中如何平移構(gòu)件、構(gòu)件的聯(lián)結(jié)與分離，還有視圖角度的變換和幅面的擴(kuò)大縮小等功能。知道了更多的繪制方法，那么我就能更好地做有自己組風(fēng)格的機(jī)構(gòu)圖形了。那時(shí)曲柄與連桿竟能穿過(guò)圓桿與滑塊做圓周運(yùn)動(dòng)，就好象兩把刀在切香腸一樣，
24、對(duì)圓桿插進(jìn)插出，好似桿根本不存在，但實(shí)際中是根本不可能出現(xiàn)的，在知曉了上述工具運(yùn)動(dòng)后，這個(gè)難住我很久的問(wèn)題也就迎刃而解了。
光讓機(jī)構(gòu)像我們?cè)O(shè)計(jì)的外形是不行的，要讓它動(dòng)，還要讓它按照所設(shè)計(jì)的方案動(dòng)。我們似乎無(wú)法讓爬行機(jī)器人的兩滑塊具有自鎖功能地運(yùn)動(dòng)，想了許久，只能用給滑塊加向上力的方法來(lái)使它看上去似乎運(yùn)動(dòng)時(shí)滑塊一塊動(dòng)，另一塊則是相對(duì)圓桿靜止的。結(jié)果請(qǐng)教老師后，才知道按照我們目前這些天內(nèi)學(xué)習(xí)的皮毛功夫也只能這樣去做，但我們都知道這是“作弊”的假方法。
在為課程設(shè)計(jì)寫(xiě)說(shuō)明書(shū)時(shí)，為了讓說(shuō)明書(shū)內(nèi)容更充實(shí)，使自己的書(shū)面語(yǔ)言更趨向于專業(yè)化，我們組到圖書(shū)館去借了相關(guān)的書(shū)籍來(lái)翻閱。在查找資料、閱讀資料的同時(shí)
25、，我還知道了更多以前課本上沒(méi)有學(xué)到過(guò)的知識(shí)（尤其在為“計(jì)算公式”找資料時(shí)）。不僅把曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的有關(guān)知識(shí)復(fù)習(xí)了一遍，還把最基本的四連桿機(jī)構(gòu)普遍方程，四連桿機(jī)構(gòu)的位置確定等通看了一次。這次我們所要用到的是無(wú)偏心的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，是特較特殊的，那么在知道此機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方案時(shí)，還必須了解一下普通也就是偏心曲柄滑塊，因此也知道了它所包含的更多的方面，就像改變偏心距e的大小可以獲得某種特定的效果，有偏心距滑塊的行程就要比原先的大（大于曲柄半徑的兩倍），同時(shí)，進(jìn)行程與回程的速度也不一樣（課本知識(shí)）等等。
通過(guò)這次大作業(yè)，我知道其實(shí)要做一項(xiàng)課程設(shè)計(jì)并不簡(jiǎn)單，要把它做好就更不易了，從中我也感到自己的知識(shí)面其實(shí)是很狹隘的。在理論知識(shí)的貫穿上和用理論解決實(shí)際問(wèn)題的能力上也亟待提高，可以說(shuō)這次的設(shè)計(jì)就像是一面鏡子，照出了我的不足之處。但也因此而小小地鍛煉了一下自己，為大四的畢業(yè)設(shè)計(jì)做了一個(gè)準(zhǔn)備。
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。
機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)爬桿機(jī)器人
