加载中…

加载中...

从零讲:机器-人-机构设计之仿生机械兽

转载 2015-07-22 19:51:35
标签: 皮筋车 机构设计 机器人 教育 直线运动

考验自己一下,可认得上图左右边分别是什么?这里先介绍上图左边照片里是什么,他是被欧洲媒体誉为现代达文西的荷兰籍动力艺术家泰奥.扬森所发明的仿生兽的一肢机械脚这有见过吧!至于上图右边照片里是什么,这应该很少人见过,就留在后头介绍了。扬森于一九九0年开始研发动物和昆虫的基因密码,透过数学与物理的计算,一并研究了野兽的骨骼和脚,他想知道野兽的脚部运动轨迹,是如何怎样才能保证行动保持稳定?经过不断的研究并透过精密的数学计算、工艺技术及生物学专业以及机械连杆的运用,让他找到一种基本结构,能依生物运动的原理转化为机械连杆的应用,让其行走形成极具美感的动能工艺。上图左边照片就是由基本结构所组织而成的一肢机械脚。这肢脚藏着透过研究所发现的「黄金密码十三个数字」,将要求上图左边脚部主要各杆需要的尺寸都有一定的比例关系,能使机械脚运转起来,先是抓地倒退向前行的直线运动,接着斜上抬脚动作,以及斜下踩脚踏地动作,这个仿生兽的足部运动是连贯一气呵成的,它是从圆周运动开始运作再经由特殊设计的兽腿连杆机构所转换并传递动力,最终完成了行进运动。如果兽腿连杆机构的尺寸按照经他研究发现的「黄金密码十三个数字」来做,那么仿生兽足部抓地倒退向前行时,肯定是直线运动,当然在此行进间,兽腿高度也保证不起变化,这种运作模式这样才能保证移动时不会有不稳的情况发生。本次博文要是谈直线运动,本当从简易例子入手,当然不会是以仿生兽为例子,这个较难。

Peaucellier 直线运动机构与司氏直线机构示意图 

在公元1864 年,为了解决困扰了近百年如何利用连杆机构画出直线的难题,一位法国海军军官 Charles-Nicolas Peaucellier 发明了第一个能画出直线的连杆机构,就是上图右边照片里所示的东西,在当时引起了极大的轰动。正如右图上边所示粉红色连杆就是Peaucellier直线运动机构,要解释它不如证明它虽然证明算难但还是有点复杂因此就留到本次博文末尾段落再行证明这里我们要介绍更加简单且更直观的司氏直线机构右图下边所示就是该机构的示意图如图所示,大三角形里面分隔有两个等腰三角形,此乃等腰连杆组之应用。当连杆AB摆动时,滑块C在滑槽内滑动,此时E点跟随的运动轨迹就是垂直于滑块动向之直线。很简单吧,因此容易实现于机构动力车里。有关司氏直线运动机构机构动力车里的详细运作情况,后头还会介绍

 就让司氏直线机构引领我们,顺着中国高铁的引进消化吸收再创新的心法,共同一起动手操作积木。首先,从零开始思考,新款机构动力车在车轮、平台、动力三方面,由于有着相同平台化的底盘骨架,除了轮子不用重新发明,底盘骨架平台也不用再重新发明,就只剩下动力单方面着眼进行设计,这样就可以快速有效地把司氏直线机构设计安装在新款车的框架里,这也是机构动力车集团军能够经济有效创新智造的奥秘,当然还要经过多番的尝试与犯错,以下就是创新智造出来具有司氏直线机构特色的新款机构动力车。

保有司氏直线机构特色处于待命状态的新款机构动力车

 上图是运用司氏直线机构特色设计而成的新款机构动力车,而这台车的动力灰色中齿轮是安排在后轮轴上,因此是一台后轮驱动车。这里已经将前面所提司氏直线机构的示意图上下倒过来实现,车中上头水平不制的黄色长连杆相当于示意图中的滑块作用,并直接铰链黑色中连杆积木,铰链处就是示意图中的C点,此黑色中连杆末端乃充当卡榫,此点就是示意图中的E点,且在黑色连杆中间另铰链一短连杆,铰链处就是示意图中的B点,之后在短连杆末端再与中框骨架铰链起来,视作示意图中的A点。由于此时黑色中连杆卡榫卡住了后轮轴上的中齿轮,这样就形成处于待命状态的情况。当我们在车后头水平方向碰撞一下长连杆尾端,这连杆触发会起得直线运动机构作用,使卡榫点E顺势线性向上提起这就松开了尾端卡榫,实际情况就如下图所示。此时卡榫脱离了后轮轴上灰色中齿轮的齿牙,进而抛开束缚,现在已松动后轮轴上的中齿轮了,说时迟那时快,储能立马转换成为快速运转的动力,只见,机构动力车像一只脱缰之马往前奔驰。

保有司氏直线机构特色已触发启动的新款机构动力车
Peaucellier 连杆机构几何关系图 

四杆机构运动时,连杆上任一点的运动都会形成不同形状的曲线,而生产实践中对平面连杆机构的运动轨迹会提出要求,例如工作要求需要精确直线运动的机构设计,这时Peaucellier直线运动机构就能派上用场。如果生产工厂老板一再强说,我怎么知道你设计的连杆机构直线运动是精准无误的呢?要接这门生意可以,但首先你要证明给我看一般来说,连杆机构运动设计的方法有解析法、几何作图法和实验法。其中,作图法直观,解析法精确,实验法常需试凑。实验法就是本系列博文实现机构动力车一直在采用的方法,虽能用但算不上精准,因此,得用解析法精确证明Peaucellier直线运动机构的确能带出精准的直线运动,起码这在理论上是成立的,以下就是这个证明。

Peaucellier连杆机构的运作原理并不难理解,首先要画出如右图所示的Peaucellier 连杆机构几何关系图,再利用初中几何知识。就足以证明 Peaucellier 连杆机构的精准性正确解。Peaucellier 连杆机构原始设计是由七根连杆所组成,其中令共点两摇臂AC=ADa为等长关系,又BCDE是已知的平行四边形(也就是设计上所制定的要求,因此有各边等式关系有 BC=CE=ED=DB,只有OB 连杆可设为任意长度。在取固定 点和 点的位置时,必须满足 OA 的距离恰好等于 OB 杆长,则 点将会精准描绘出一条正交于 AO线的垂直线出来。从右图容易看出, 三点恒在同一条直线上。此处先来证明,AB×AE是一个常数。首先过点 作垂线CRAE ,垂足为。于是 AB×AE = (AR-RB) ×(AR+RE)= AR2 – BR2 = (AC2 – CR2) – (BC2 – CR2) = a2 – b2 已知常数。为什么 AB×AE 为常数,就能保证 点的轨迹是一条直线呢?我们先 点作出 直径 AP必过B点的圆 接着在射线 AP 上找出一点 使得 AP×AQ 也等于这个常数。由于 AP×AQ = AB×AE正是AP/ AE =AB/ AQ 是相似三角形其对应边成比例的关系所以,我们立即据此推 ABP∽△AQE 又由泰勒斯定理可证得圆内接三角形其最长边是直径的话长边所对的圆周角直角换言之ABP必成直角又相似三角形其对应角相等,因此AQE =ABP = 90° ,也就是说EQAQ始终垂直。这就证明了,E点的轨迹确实是一条正交于 AO 线的垂直直线。

阅读(0) 评论(0) 收藏(0) 转载(0) 举报/Report

评论

重要提示:警惕虚假中奖信息
0条评论展开
相关阅读
加载中,请稍后
閭撳磭鏋
  • 博客等级:
  • 博客积分:0
  • 博客访问:198,995
  • 关注人气:0
  • 荣誉徽章:

相关博文

推荐博文

新浪BLOG意见反馈留言板 电话:4000520066 提示音后按1键(按当地市话标准计费) 欢迎批评指正

新浪简介 | About Sina | 广告服务 | 联系我们 | 招聘信息 | 网站律师 | SINA English | 会员注册 | 产品答疑

新浪公司 版权所有