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【花雕动手做】腿机构十一种:盘点机器人行走背后的连杆机械原理

时间:2024-08-22 12:27:50浏览次数:12  
标签:动手做 花雕 十一种 机构 转动 曲柄 摇杆 四杆 构件

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机器人概念已经红红火火好多年了,目前确实有不少公司已经研制出了性能非常优越的机器人产品,我们比较熟悉的可能就是之前波士顿动力的“大狗”和会空翻的机器人了,还有国产宇树科技的机器狗等,这些机器人动作那么敏捷,背后到底隐藏了什么高科技呢,控制技术太过复杂,一般不太容易了解,不过其中的机械原理倒是相对比较简单,大部分都是一些连杆机构。

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{知识点} 连杆机构(Linkage Mechanism)
又称低副机构,是机械的组成部分中的一类,指由若干(两个以上)有确定相对运动的构件用低副(转动副或移动副)联接组成的机构。低副是面接触,耐磨损;加上转动副和移动副的接触表面是圆柱面和平面,制造简便,易于获得较高的制造精度。

由若干刚性构件用低副联接而成的机构称为连杆机构,其特征是有一作平面运动的构件,称为连杆,连杆机构又称为低副机构。其广泛应用于内燃机、搅拌机、输送机、椭圆仪、机械手爪、牛头刨床、开窗、车门、机器人、折叠伞等。

主要特征
连杆机构构件运动形式多样,如可实现转动、摆动、移动和平面或空间复杂运动,从而可用于实现已知运动规律和已知轨迹。
优点:
(1)采用低副:面接触、承载大、便于润滑、不易磨损,形状简单、易加工、容易获得较高的制造精度。
(2)改变杆的相对长度,从动件运动规律不同。
(3)两构件之间的接触是靠本身的几何封闭来维系的,它不像凸轮机构有时需利用弹簧等力封闭来保持接触。
(4)连杆曲线丰富,可满足不同要求。
缺点:
(1)构件和运动副多,累积误差大、运动精度低、效率低。
(2)产生动载荷(惯性力),且不易平衡,不适合高速。
(3)设计复杂,难以实现精确的轨迹。

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下面我们就看看一般都有什么连杆机构适于用于行走(或者移动)的机器人。

第一、平面四杆机构(Planar four-bar mechanism )
平面四杆机构是由四个刚性构件用低副链接组成的,各个运动构件均在同一平面内运动的机构。机构类型有曲柄摇杆机构、铰链四杆机构、双摇杆机构等。

1、曲柄摇杆机构(Crank rocker mechanism )
曲柄摇杆机构是指具有一个曲柄和一个摇杆的铰链四杆机构。通常,曲柄为主动件且等速转动,而摇杆为从动件作变速往返摆动,连杆作平面复合运动。曲柄摇杆机构中也有用摇杆作为主动构件,摇杆的往复摆动转换成曲柄的转动。曲柄摇杆机构是四杆机构最基本的形式 。主要应用有:牛头刨床进给机构、雷达调整机构、缝纫机脚踏机构、复摆式颚式破碎机、钢材输送机等。

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2、双曲柄机构(Double crank mechanism )
具有两个曲柄的铰链四杆机构称为双曲柄机构。其特点是当主动曲柄连续等速转动时,从动曲柄一般做不等速转动。在双曲柄机构中,如果两对边构件长度相等且平行,则成为平行四边形机构。这种机构的传动特点是主动曲柄和从动曲柄均以相同的角速度转动,而连杆做平动。

双曲柄机构类型分类
【1】不等长双曲柄机构
说明:曲柄长度不等的双曲柄机构。
结构特点:无死点位置,有急回特性。
应用实例:惯性筛
【2】平行双曲柄机构 
说明:连杆与机架的长度相等且两曲柄长度相等、曲柄转向相同的双曲柄机构。
结构特点:有2个死点位置,无急回特性。
应用实例:天平
【3】反向双曲柄机构
说明:连杆与机架的长度相等且两曲柄长度相等、曲柄转向相反的双曲柄机构。
结构特点:无死点位置,无急回特性。
运动特点:以长边为机架时,双曲柄的回转方向相反;以短边为机架时,双曲柄回转方向相同,两种情况下曲柄角速度均不等。
应用实例:汽车门启闭系统

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3、铰链四杆机构(Hinge four-bar mechanism)
铰链是一种连接两个刚体,并允许它们之间能有相对转动的机械装置,比如门窗用的合页,就是一种常见的铰链。由铰链连接的四连杆就叫铰链四杆机构。所有运动副均为转动副的四杆机构称为铰链四杆机构,它是平面四杆机构的基本形式,其他四杆机构都可以看成是在它的基础上演化而来的。选定其中一个构件作为机架之後,直接与机架链接的构件称为连架杆,不直接与机架连接的构件称为连杆,能够做整周回转的构件被称作曲柄,只能在某一角度范围内往复摆动的构件称为摇杆。如果以转动副连接的两个构件可以做整周相对转动,则称之为整转副,反之称之为摆转副。

铰链四杆机构可以通过以下方法演化成衍生平面四杆机构。
(1)转动副演化成移动副。如引进滑块等构件。以这种方式构成的平面四杆机构有曲柄滑块机构、正弦机构等。
(2)选取不同构件作为机架。以这种方式构成的平面四杆机构有转动导杆机构、摆动导杆机构、移动导杆机构、曲柄摇块机构、正切机构等。
(3)变换构件的形态。
(4)扩大转动副的尺寸,演化成偏心轮机构 。

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