基于双曲柄滑块机构的缆线爬行机器人机构本体设计

在 △ABC 中， 由几何关系可知：
l1 sin φ1 = l2 sin φ2
（ 2）
即为：
φ2 = arcsin l1 sin φ1 l2
（ 3）
图 1b 中， 滑块 C' 的位置及其位移分别为：
x C' = l2 cos φ2 － l1 cos φ1
（ 4）
故其对应滑块的位移为：
s' = x C' － （ l2 － l1 ） = （ l2 cos φ2 － l1 cos φ1 ） － （ l2 － l1 ）
则相应的行走轮 1 的位移为：
s' = （ l2 － l1 ） － x C' = （ l2 － l1 ） － （ l2 cos φ2 － l1 cos φ1 ）
（ 5） 曲柄转角在 180 ° ～ 360 ° 范围内， 行走轮 3 固定为 机架， 行走轮 1 继续向前（ 左） 移动， 此时其运动状态和 图 1 机构中相同曲柄转角范围内的滑块 C 的运动状态 同样可对图 1 中相同曲柄转角范围内的滑块 C 相反，
l1 ω1 sin（ φ1 + φ2 ） v = cos φ2
（ 12 ）
（ φ1 ∈ （ π ， 2 π） ）
由式（ 11 ） 和式 （ 12 ） 可知， 该爬行机构的速度只 跟曲柄、 连杆的长度有关， 可以根据具体需求改变其尺 寸， 从而控制机构的速度就显得十分方便 ； 对称式机构 和非对称式机构对其速度影响很小， 在相同转角范围 内其对应的速度极值相等。 加速度分析 同样， 将式（ 11 ） 和式（ 12 ） 分别对时间求导， 得到 该爬行机构本体行走轮 1 的加速度： 对称式爬行机构本体：
University of Defense Technology，Changsha， 410073 ，China） Abstract ： A new type of central airconditioning duct cleaning robot that can clean ducts with different sizes is designed to solve the problem that the central airconditioning ducts are variable in specifications and not easy to be cleaned． The robot is composed of a cleaner， inspecting instruments and disa locomotion mechanism， infecting devices． The problem as the remained dead angle during （ b） 非对称式双曲柄滑块机构 图1 对心式双曲柄滑块机构
第 27 卷第 11 期 2010 年11 月
机
械
设
计
JOURNAL OF MACHINE DESIGN
Vol． 27 No． 11 Nov． 2010
基于双曲柄滑块机构的缆线爬行机器人机构本体设计
蔡高参，周校民，王忠
（ 西南科技大学 制造科学与工程学院，四川 绵阳 621010 ）
*
摘要： 通过对双曲柄滑块机构的结构特征 、 滑块运动特性进行分析， 指出了该机构的倒置机构作为缆线爬行机器人 机构本体的可行性， 为曲柄滑块机构的倒置机构在缆线爬行机器人机构中的应用做了有益的探索， 对解决高空缆线行走 机器人机构选型的综合问题研究有一定参考价值 。 关键词： 曲柄滑块机构； 倒置机构； 爬行机器人； 缆线 中图分类号： TH13 文献标识码： A
（ 7） 综合以上分析结果， 可得行走轮 1 的位移为： 对称式爬行机构本体：
2
双曲柄滑块机构的倒置及其 爬行的实现
双曲柄滑块机构的倒置、 变异机构 将图 1 机构中的任一滑块作为机架， 同时解除曲
2． 1
欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍
the cleaning is solved by applying rectangularspire sweeping and reciprocating dirt cleaning methods． An experimental prototype robot is made，that has passed the test and the feasibility and correctness of the design has been proven． Key words： cleaning robot； air duct cleaning； environmental protection； central airconditioning Fig 13 Tab 1 Ref 7 “Jixie Sheji” 9567
［1 － 2 ］
文章编号： 1001 － 2354 （ 2010 ） 11 － 0024 － 04
众所周知， 曲柄滑块机构 往往用作实现往复 移动， 若对该机构进行倒置和变异， 还能衍生出许多能 够满足不同性能要求的其他机构结构型式 。 文中在对 曲柄滑块机构的倒置机构分析和研究的基础上 ， 得到 了一种缆线爬行机器人的本体机构， 扩充了缆线爬行 为解决缆线爬行机构的结构设计指 机构的选型范围， 出了一条可能的路径。
2 a = － （ l1 ω2 1 cos φ1 + l1 sin φ1 α1 + l2 ω2 cos φ2 + l2 sin φ2 α2 ） （ φ1 ∈ （ 0， π） ） 2 a = （ l1 ω1 cos φ1 + l1 sin φ1 α1 + l2 ω2 2 cos φ2 + l2 sin φ2 α2 ） （ φ1 ∈ （ π， 2π） ） a
构进行适当的倒置和变异， 得到的机构能实现在缆线 ［3 ］ 上的爬行运动 。
1
双曲柄滑块机构
（ a） 对称式双曲柄滑块机构
图 1 所示的机构就是两种常见的对心式双曲柄滑 ［1 － 2 ］ 。图 1a 是结构对称的对心式双曲柄滑块 块机构 图 1b 是结构非对称的对心式双曲柄滑块机构。 机构， 该机构具有如下的特征： （ 1 ） 结构特征： 该机构有两套共用一个曲柄的对 心式曲柄滑块组成， 即两曲柄、 连杆的尺寸分别相等。 图 1a 中， 两套对心式曲柄滑块机构以机架 A 为中心呈 中心对称分布， 图 1b 中， 两套机构布置在曲柄的同侧。 （ 2 ） 运动特征： 该机构两滑块的移动方向始终相 对， 即此双曲柄滑块机构的两滑块位移始终是反方向 。 两滑块的运动状态始终相同， 只是运动 的 图 1a 中， 方向相反， 图 1b 中， 两滑块的运动状态不完全相同。 由于该双曲柄滑块机构具有以上特征， 若将该机
该爬行机构本体的运动机理是这样的 ： 在图 2 所示爬行机构中， 行走轮 2 和 3 均为同向 将行走轮 运动的单向轮。曲柄转角 φ1 在 0° ～ 180° 内， 2 固定为机架； 以曲柄转角为 0° 时作为初始状态， 随着 曲柄的逆时针转动， 行走轮 1 和 3 向前 （ 左 ） 移动 （ 爬 行） ； 至曲柄转角为 180° 时， 曲柄、 连杆重合， 行走轮 1 爬行至此范围内的最远位置； 曲柄转角在 180° ～ 360° 范围内， 将行走轮 2 松开， 同时行走轮 3 固定为机架； 随着曲柄的继续转动， 行走轮 1 继续向前移动； 行走轮 2 也向前移动； 至曲柄转角为 360° 时， 曲柄、 连杆回到 初始状态， 该机构完成一个周期内的爬行运动 ， 行走轮 1 爬行至该周期内的最远位置。 重复上述步骤， 则该 机构能够持续爬行。 值得一提的是， 由于对心式曲柄滑块机构的倒置 机构在曲柄转角为 180° 和 360° 时， 会出现瞬时的停 止， 待曲柄转过此极限位置后， 机构继续向前爬行。 对于偏置式双曲柄滑块机构， 其对应的倒置、 变异 对称式结构的机构也能实现爬行运动 ； 非对称 机构中， 式结构的机构则不能实现爬行。 由于篇幅所限， 在此 不再对此详述。
3
运动分析
机构具有较好的运动特征， 是其能满足性能要求
的保证。该爬行机构本体运动性能的好坏将决定其能 否较好地满足爬行的要求。下面对该机构本体进行一 个周期内的运动分析。 在图 1 所示机构中， 为了研究问题的方便， 建立如 图中所示坐标系。 令曲柄 AB = AB' = l1 ， 连杆 BC = B'C' = l2 ； 曲柄以等角速度逆时针转动 ， 为主动构件 。 经以上分析可知 ， 该爬行机构曲柄中心位 置 可 以 近 似认定为整个爬行机构本体的质心 ， 故对 该 机 构 的 行走轮 1 进行位移 、 速度 、 加速度 3 方面的运动分析 ， 可以 近 似 得 到 整 个 爬 行 机 器 人 机 构 本 体 的 运 动 特征 。 3． 1 位移分析 行走轮 2 固定为机 曲柄转角在 0 ° ～ 180 ° 范围内， 行走轮 1 的运动状态和图 1 机构中滑块 C' 的运动 架， 状态相反， 故可对图 1 中滑块 C' 进行相应的分析。 图 1a 中滑块 C 的运动状态和滑块 C' 的运动状态 相反， 故此时滑块 C 的运动状态和行走轮 1 的运动状 滑块 C 的位置 x C ： 态相同。
－ l1 ω1 sin（ φ1 + φ2 ） cos φ2
（ φ1 ∈ （ 0 ， π） ）
l1 ω1 sin（ φ1 + φ2 ） v = cos φ2
（ 11 ）
（ φ1 ∈ （ π ， 2 π） ）
则相应行走轮 1 的位移为：
s = （ l2 － l1 ） － x C = （ l2 － l1 ） － （ l1 cos φ1 + l2 cos φ2 ）
（ a） 对称式爬行机构本体简图
（ b） 非对称式爬行机构本体简图 图2 爬行机器人机构本体简图
x C = l1 cos φ1 + l2 cos φ2
（ 1）
由此可知滑块 C 即是行走轮 1 的位移 s：
s = x C － （ l1 + l2 ） = l1 cos φ1 + l2 cos φ2 － （ l1 + l2 ） （ 2 ） — — 曲柄的转角， 式中： φ1 — 即曲柄 AB 与 x 轴正向、 曲柄 AB' 与 x 轴负向所成的角； — — 连杆 BC 和 B'C' 与 x 轴所成的锐角。 φ2 —
非对称式爬行机构本体：
v = － l1 ω1 sin（ φ1 － φ2 ） cos φ2 （ φ1 ∈ （ 0 ， π） ）
（ 6） 图 1b 中， 滑块 C 的位置及位移和图 1a 中滑块 C 的 完全一样， 故此时对应的行走轮 1 的位移：
s = （ l2 － l1 ） － x C = （ l2 － l1 ） － （ l1 cos φ1 + l2 cos φ2 ）
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机
械
设
计应的分析。 图 1a 中滑块 C 在此范围内其位置及位移分别为 ：
x C = l2 cos φ2 － l1 cos φ1 s = x C － （ l2 － l1 ） = l1 cos φ1 + l2 cos φ2 － （ l2 － l1 ）
{ {
3． 3
v =
*
收稿日期： 2009 － 01 － 01 ； 修订日期： 2010 － 05 － 22 作者简介： 蔡高参（ 1985 —） ，男，河南太康人， 硕士研究生， 研究方向： 机构学。
2010 年 11 月
蔡高参， 等： 基于双曲柄滑块机构的缆线爬行机器人机构本体设计
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柄中心的铰链固定， 得到其倒置机构； 进一步对倒置机 构进行变异， 用两个单向行走轮代替原机构中的两滑 曲柄中心位置铰接一个行走轮， 得到新的机构。 该 块， 机构具有在曲柄转角的各周期内， 整体能实现爬行的 运动特征。 2． 2 机构爬行的实现及其运动机理 根据运动的相对性可知， 双曲柄滑块机构的倒置 4］中“爬杆机器 机构仍为单自由度机构。 参照文献［ 人” 的设计思想， 应用此双曲柄滑块机构的倒置、 变异 机构作为机构本体， 设计出了一个在缆线上能够实现 爬行的机器人本体机构， 该机构的简图如图 2 所示。