机构应用１５－１　以机构装置的最末端运动形态作为设计的方向、目标，并以此作为引导进行相关设计

应用要点：　让我们举一个简单的机构运动实例，来说明机构的运动过程、目标和驱动方式。如何来实现一个站岗机器人的手臂摆动过程。手臂即臂杆，所以手臂的摆动也就是臂杆以旋转轴为中心所进行的连续的往复运动过程。要达成这样的运动目标，要如何设计它的结构组成和驱动方式呢？它的设计顺序过程又是怎样的呢？

１、　以结构作为设计的引导方向

　　以实现机构最末端的运动过程作为最终的方向和目标。设计的过程就是构建可以达成上述目标的自动化机械结构、机械装置。

　　站岗机器人的手臂摆动是整个机构设计要实现的最终目标。从机构设计的角度来分析，手臂就相当于臂杆，手臂的摆动，就是要实现臂杆末端的摆动运动过程。

　　在臂杆两侧，以一端作为旗帜摆动侧，以另一端作为臂杆的旋转中心，臂杆末端围绕该旋转轴进行转动。以旋转轴为中心，以臂杆为半径进行圆周运动，摆动运动就是在该圆周运动中的局部运动过程。

　　机械结构的设计过程就是像这样，以满足最终目的的运动形态作为设计制造的索引，展开过程构建。

为了能够让机器人的手臂可以在机器人的身体上实现固定，同时保证旋转轴的正常旋转，我们可以使用旋转轴承构件来实现机构平台（机器人身体部分）与旋转轴的连接。

２、　设计可以让机构产生运动的驱动连接端（驱动侧）

　　要实现臂杆的上、下摆动过程，就需要让臂杆具有可驱动的功能和结构。以旋转轴为中心，将臂杆的长度予以反向延伸，构建臂杆的驱动侧结构。这样，由原臂杆与驱动侧构成的新的臂杆结构，就形成了以旋转轴为中心的反向器结构。驱动侧的偏转即可带动手臂臂杆一侧的偏转运动。在驱动侧一端筑孔，通过该连接孔，实现下一级机构对该驱动侧的连接与驱动。

通常情况下，驱动侧在手臂臂杆的１８０度夹角的水平对应侧。也就是说，驱动侧与手臂臂杆以旋转轴为中心呈１８０度夹角，也可以以任意夹角（９０度或６０度）的形态来发挥驱动侧的功能和作用。

３、　在驱动侧安装连杆棒构件

　　为了能够让驱动侧产生持续的往复运动过程，我们使用连杆棒的一端与驱动侧连接，再由连杆棒另一侧所连接的运行形式驱动驱动侧运动，实现手臂臂杆的摆动。

对于连杆棒来讲，其驱动侧只要能够实现上、下形式的运动过程，就可以完成对整个机构的驱动过程。

　　连杆棒驱动端的上、下往复运动过程可以由两种运动形态来实现。一种是直线式的上、下往复运动。另一种是以某一点为中心进行的上、下往复式摆动运动。所以，接下来的问题就是如何实现对连杆棒驱动端相应运动形式的构建。

４、　构建连杆棒驱动端的运动形式

　　在前面的描述中，我们探讨了连杆棒驱动端的运动形式。接下来就可以以这种运动形式作为设计的引导，继续探讨实现这种运动形式的机构组成。

　　在机构设计中，我们坚持的设计原则通常是以最简单的动力源驱动形式来构建整个机构的运动形式和过程。

动力驱动源的运动形式通常来自于电机提供的旋转运动和气压缸、液压缸提供的直线运动过程。又因为在本机构设计中，需要提供的是连续的往复运动形式，所以采用电机的连续旋转运动过程作为驱动动力源更适合一些。可以提供稳定且连续的驱动动力输出过程。

　　在手臂臂杆末端进行的是往复式的运动，因此在方向转换过程中，必须要能够让机构实现平稳的减速、停止、转向、再加速过程。也就是说，动力驱动机构必须是能够提供末端减速功能的机构、装置。由电机的旋转过程作为输出动力源，将连续的旋转运动转换成末端减速的往复运动过程。

　　通过对机构设计的分析和总结，同时结合机构中各个基本单元要素的运动特征，大致可以提供这样３种基本运动形式，用于选择使用。

（１）　曲柄结构

　　曲柄结构，就是利用曲柄臂的旋转运动，带动连杆棒将旋转运动转换成往复运动的机构，如图所示。

　　根据连杆棒动力输出末端所连接的基本单元机构类型可以产生２种不同的运动形式。

　　一种是由旋转轴构建的旋转臂杆，该组合形式可以提供摆动动力输出形式。另一种是由直进导块构建的直进式运动形式。该组合提供直线式的动力输出形式。

（２）　臂杆滑动块结构

臂杆滑动块，指的是在旋转臂杆机构的臂杆上构建长方形的移动滑槽孔，利用曲柄臂上的插销在滑槽中的滑动过程带动旋转臂杆做往复式的摆动动力输出。这种驱动形式也同样可以产生２种不同的动力输出形式，即往复式摆动动力输出和往复式直进运动动力输出。

　　曲柄臂驱动旋转臂杆上的滑槽块，即构建了往复式摆动动力输出结构。曲柄臂驱动直动臂杆上的滑槽块，即构建了往复式直进运动动力输出结构。

（３）　凸轮结构

　　使用凸轮结构，借助凸轮的表面曲线形状，带动与其表面相连接的凸轮联动器机构进行相应的运动。再由凸轮联动器所产生的动力输出，驱动其所连接机构的运动。

如果凸轮联动器驱动的是旋转臂杆结构，则在该机构的输出端呈现的就是摆动运动输出形态。如果凸轮联动器驱动的是直进导块结构，则机构的输出端呈现的就是直进运动的输出形态。

５、　使用曲柄实现往复式摆动运动功能转换

如下图所示，这是一个由电机和曲柄机构组合形成的机构、装置。以电机的连续旋转运动作为输出动力源。驱动曲柄臂进行圆周运动。以电机轴作为曲柄臂的旋转轴（旋转中心），曲柄臂的动力输出方向为曲柄臂末端旋转圆周上的切线方向。

曲柄臂与旋转轴之间应尽可能实现稳固、稳定的连接。因为根据曲柄臂的驱动方向来判断，当曲柄臂受力时，会对电机的旋转轴承产生一个横向的作用力。也就是说，曲柄臂运动时，电机在旋转的同时，还要承受一定的横向负担。

　　曲柄臂使用连杆棒构件完成与其它运动机构的联动连接。而在连杆棒动力输出端一侧可以提供连续地往复运动动力输出形态。

６、　驱动机构与手臂臂杆的连接

如图，作为驱动部分的曲柄机构如果可以有效的与手臂臂杆完成联动连接。那么，也就意味着完成了整个机构、装置的设计过程。

手臂臂杆与曲柄驱动机构都安装在机构平台（机器人身体部分）上面。按照之前所描述的内容，这个连接机构中应该存在２个连杆棒构件，即手臂臂杆的驱动连杆棒和曲柄臂实现运动转换功能的连杆棒。

　　在这里，曲柄通过连杆棒驱动的旋转臂杆与手臂臂杆的连杆棒结构在连接中出现了结构重合的现像。也就是说，在这部分连接中，两个机构的组成部分是完全相同，完全兼容的。曲柄的连杆棒与手臂臂杆的驱动侧在机构中可以实现共用，所以最终形成如图所示的组成结构。

　　到此，关于机器人的手臂自动摆动机构、装置就全部设计完成了。