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。
若電機固接的曲柄是逆時針轉(zhuǎn)動。
1）曲柄在底端轉(zhuǎn)至頂端的過程中，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，此時由于小球的被固定而使整個自鎖套看作是一個機架鉸接曲柄一般。（見左下圖）
2）曲柄由頂端向底端逆時針轉(zhuǎn)動時，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
10、上自鎖套仍向上運動，在曲柄過最底端時又出現(xiàn)了第一種情況。于是，兩滑塊周而復始交替向上爬。（見中下圖）
在氣動方面，由于沒有聯(lián)結(jié)用的傳動機構(gòu)，因而直接由氣動元件帶動兩自鎖套往上移動。我們選用兩個汽缸作為主要的氣動元件，利用作用力與反作用力的原理，由其帶動上下兩個自鎖套分別自鎖，達到機器人爬桿的最終目的。（見右上圖）
２.３.２運動方案選擇
上面所設計的爬桿過程都是在理想的情況下，很多實際因素都沒有考慮進去：如摩擦力的大?。垂鼙谂c小球接觸面的摩擦系數(shù)），在曲柄過上下兩滑塊極限位置時，自鎖套內(nèi)由于小球在內(nèi)部運動的關(guān)系，自鎖套所要進行的向下運動的位移，以及上下自鎖套、曲柄和連桿的質(zhì)量，還有電機
11、的功率、轉(zhuǎn)動速度，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。
就采用汽缸驅(qū)動而言，它形式簡單、結(jié)構(gòu)簡便，從機械設計角度而言講究盡量采用基本機構(gòu)，設計的機構(gòu)要簡單、可靠。而汽缸則融會了上述的優(yōu)點，它由驅(qū)動機構(gòu)直接帶動兩個自鎖滑塊，避免了兩者間的連接機構(gòu)，精簡了構(gòu)件之間的連接。此外，該機構(gòu)具有環(huán)保等特點，它利用空氣作為動力源，無污染、運動時無噪音，而且運行速度快，可以在短時間內(nèi)使機器人爬到桿的頂端，它還能夠隨身攜帶氣包作為動力源，可以做到無線操作。
就采用曲柄滑塊結(jié)構(gòu)而言，它屬于平面連桿機構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、運動副為低副，
12、能承受較大載荷；但平衡困難，不易用于高速。我們設計的機構(gòu)是由電機經(jīng)減速直接驅(qū)動的，和利用氣動原理相比它多了一套傳動和連接機構(gòu)，但該機構(gòu)運用的原理簡單，設計合理，而且它不僅能在自桿上爬行，更能在彎曲的管道外爬行，具體的示意圖見下。
綜上所述，我們小組經(jīng)討論決定：選取“曲柄滑塊機構(gòu)”作為該爬桿機器人的最終運動方案。
２.３.３執(zhí)行機構(gòu)形式設計
針對上述的種種實際情況，我們小組在設計此爬桿機器人的時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。祥見下表
機構(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
價格便宜、材質(zhì)輕便
13、、成型后具有時效強化性
連桿
150（軸距）
2mm鋁板
價格便宜、材質(zhì)輕便、成型后具有時效強化性
錐管（4個）
2mm鋁板
價格便宜、材質(zhì)輕便、成型后具有時效強化性
自鎖機構(gòu)
圓球（4個）
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，使其加工制造簡單，易保證較高配合精度。
可是這樣一個爬桿機構(gòu)是一個封閉的機構(gòu)，那怎樣才能把機器人安裝到所要爬的管壁上呢？由此，我們設計的自鎖套就多了一個連接裝置，我們在兩個形狀對稱的錐管對接處裝上鉸鏈，就像在ADAMS里給兩構(gòu)件用一個鉸鏈連接，然后在屏幕上顯示的那種鉸鏈裝置一樣，這
14、樣自鎖套就能開合，自如地包攏住爬桿，然后在自鎖零件的對面接口處插上一個聯(lián)結(jié)銷，完整的一個自鎖套就套在了圓桿上。聯(lián)結(jié)銷的形狀見圖4。
對于此類機構(gòu)，一定的摩擦力也是保證自鎖發(fā)生作用的關(guān)鍵。因此對各構(gòu)件的材料也是有相當?shù)囊?。?jīng)過篩選，我們決定曲柄、連桿與錐管用鋁板來制造，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能卡得比較牢靠，不會發(fā)生自轉(zhuǎn)等打滑現(xiàn)象，使整個機構(gòu)下滑而影響上爬的效果。在自鎖套需解鎖時，由于橡膠具有很高的韌性，它能立刻恢復原來的形狀，不會因無法恢復形變而使下一步上爬動作失效。
２.３.4運動和動力分析
在我們設定了曲柄與連桿的長度后，每一步
15、機構(gòu)各構(gòu)件的上升位移便也能自然而然地計算出來了。
當曲柄逆時針由最底端轉(zhuǎn)至最頂端時，下滑塊上升2倍曲柄的長度位移，即120mm。同樣，曲柄逆時針由最頂端轉(zhuǎn)動到底端時，上滑塊也走過120mm（自鎖套在自鎖時的下滑距離不計）。
下面我們就該機構(gòu)運動一周的情況列表作一下分析（此時曲柄處于頂端）：
曲柄旋轉(zhuǎn)角（逆時針）
上自鎖套運動情況
下自鎖套運動情況
0-90
向上運動120mm
自鎖（固定）
90-180
自鎖（固定）
向上運動120mm
180-270
向上運動120mm
自鎖（固定）
當然，這樣的機構(gòu)絕非完美無缺的。首先，我們設計的自鎖套的形狀還無法適應此機構(gòu)爬
16、各種桿。若所要爬的桿直徑大小稍有變化，隨著它的變動自鎖套也必須相應地改變它外伸包攏桿部分的形狀大小。但是，我們設計的自鎖套可以根據(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用，特別是ADAMS運動分析軟件。我們使用該軟件對爬桿機器人進行造型，并在連接處添加了一定的轉(zhuǎn)動副和移動副，并固定了機架，在這個基礎(chǔ)上，我們使用軟件中的各種插件對我們的爬桿機器人進行了運動模擬和運動分析。
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)運動簡圖
自由度F的計算：
n=3 Pl=4 Ph=0
F=3n-(2Pl+Ph)=33-(24-0)=1
3.計算內(nèi)容
解析法設計鉸鏈四桿機構(gòu)：
實現(xiàn)兩連架桿對應位置的鉸鏈四桿機構(gòu)設計：
acos（φ0+φ）+bcosδ=d+ccos（Ψ0+Ψ）
asin（φ0+φ）+bcosδ=d+csin（Ψ0+Ψ）
將上式移項后平方相加，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）]
將給定的五個對應位置代入：
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，則只需三對對應位置。
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d的長度a、b、c，至于各構(gòu)件的實際長度，可根據(jù)機構(gòu)的使用條件按比例放大后得到所需值。
若將圖1中搖桿的長度增至無窮大，則B點的曲線導軌將變成直線導軌，鉸鏈四桿機構(gòu)就演化成我們這爬桿機器人所運用的曲柄滑塊機構(gòu)（如圖3）。
對于曲柄滑塊的解析式來說，相較于它的“前身”——鉸鏈四桿機構(gòu)的要簡單許多：
滑塊的行程B1B2為曲柄半徑r2的兩倍，兩端點B1和B2稱為滑塊的極限位置，它是以O2為中心而分別以長
20、度r3-r2和r3+r2為半徑作圓弧求得的。
我們這個爬桿機器人，由于它還運用了自鎖原理，故當曲柄轉(zhuǎn)到與桿成一直線時，運動的滑塊就將相應地換一次，若電機為逆時針轉(zhuǎn)動（即曲柄為逆時針，見圖4）：
a）當A→B時，下滑塊向上滑動位移是2r2，即等于曲柄長度的2倍，為120mm，（S1=2r2=260=120mm）
b）當B→A時，上滑塊向上滑動的位移也是2r2，即S2=2r2=260=120mm。
這樣：當電機轉(zhuǎn)過一周時上下兩滑塊相互配合地走過S=S1+S2=120+120=240mm。
４.應用前景
該機器人運用了簡單的曲柄滑塊機構(gòu)，原動力采用電機作為驅(qū)動，兩者在選材上都很方便，而且
21、我們在設計時選用了材質(zhì)較為輕盈的鋁材作為結(jié)構(gòu)材料，減輕了該機器人的重量，使其更大效率的發(fā)揮電機的功率，提高了機器人的爬行速度。
此外，該爬桿機器人的設計方便了操作人員安裝到圓桿上和調(diào)試，對于在調(diào)試過程中遇到的問題也可以根據(jù)當時的情況做出及時、相應的修改。而且，我們設計的機器人不僅能在直桿外爬行，更能適應不同彎曲度的圓桿對我們機器人的挑戰(zhàn)，正是由于曲柄滑塊機構(gòu)的合理應用，我們的機器人才可以在提高機械運動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彎曲的管道。
５.個人小結(jié)
這次課程設計，我們組拿到的題目是爬桿機器人。其實所謂的爬桿就是運用機械原理課上所學過的曲柄滑塊與自鎖原理，
22、使整個機構(gòu)在豎直平面煙y軸向上運動。
平日里，我在機械原理課上所學的知識是比較理論化的，通過這些理論我了解了一些機構(gòu)的運動方案與運動軌跡，至于這些構(gòu)件、這些機構(gòu)真正要派些什么用場，在我腦中的概念還是挺模糊的，但是在這次為完成課程設計的任務當中，我開始對傳授機械原理這門課的真正意義所在有了初步了解。換句話說，因這次課程設計我把理論與實踐運用結(jié)合了起來，達到了學以致用的目的。
也因這次設計的要求，我開始學習運動ADAMS軟件來繪制機構(gòu)圖，并且用它來實現(xiàn)機構(gòu)虛擬運動演示。
以前，我從未接觸過ADAMS，一開始用它時我只能一點點摸索著做，由于菜單中很多工具我都不太清楚，所以在畫機構(gòu)時總覺得與自己
23、所要求的效果相距甚遠，但我還是硬著頭皮畫下去，為的就是想看看自己所畫的機構(gòu)能否能動。果然，我繪制的無規(guī)無矩的機構(gòu)演示時它動了，而且是有了順著圓桿向上爬的雛形。看著自己用起始對它一無所知的ADAMS繪出的機構(gòu)能演示了，這使我的信心大增。我想接下來的就是要用它來繪出盡量與我們設計的構(gòu)件相一致的圖形，而且還要達到上下兩滑塊在上爬時能交替自鎖的目的。于是我請教了老師與同學之后，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格的機構(gòu)圖形了。那時曲柄與連桿竟能穿過圓桿與滑塊做圓周運動，就好象兩把刀在切香腸一樣，
24、對圓桿插進插出，好似桿根本不存在，但實際中是根本不可能出現(xiàn)的，在知曉了上述工具運動后，這個難住我很久的問題也就迎刃而解了。
光讓機構(gòu)像我們設計的外形是不行的，要讓它動，還要讓它按照所設計的方案動。我們似乎無法讓爬行機器人的兩滑塊具有自鎖功能地運動，想了許久，只能用給滑塊加向上力的方法來使它看上去似乎運動時滑塊一塊動，另一塊則是相對圓桿靜止的。結(jié)果請教老師后，才知道按照我們目前這些天內(nèi)學習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。
在為課程設計寫說明書時，為了讓說明書內(nèi)容更充實，使自己的書面語言更趨向于專業(yè)化，我們組到圖書館去借了相關(guān)的書籍來翻閱。在查找資料、閱讀資料的同時
25、，我還知道了更多以前課本上沒有學到過的知識（尤其在為“計算公式”找資料時）。不僅把曲柄滑塊機構(gòu)的有關(guān)知識復習了一遍，還把最基本的四連桿機構(gòu)普遍方程，四連桿機構(gòu)的位置確定等通看了一次。這次我們所要用到的是無偏心的曲柄滑塊機構(gòu)，是特較特殊的，那么在知道此機構(gòu)的運動方案時，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，進行程與回程的速度也不一樣（課本知識）等等。
通過這次大作業(yè)，我知道其實要做一項課程設計并不簡單，要把它做好就更不易了，從中我也感到自己的知識面其實是很狹隘的。在理論知識的貫穿上和用理論解決實際問題的能力上也亟待提高，可以說這次的設計就像是一面鏡子，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)設計做了一個準備。
６.參考資料
［1］羅洪量主編，《機械原理課程設計指導書》（第二版），北京：高等教育出版社，1986年。
［2］JJ.杰克（美）主編，《機械與機構(gòu)的設計原理》（第一版），北京：機械工業(yè)出版社，1985年。
［3］王玉新主編，《機構(gòu)創(chuàng)新設計方法學》（第一版），天津：天津大學出版社，1996年。
［4］孫恒、陳作模主編，《機械原理》（第六版），北京：高等教育出版社，2001。
機械原理課程設計爬桿機器人
