大学生科技创新普及竞赛参考题目指南（机械设计类） - 图文

“启航杯”大学生科技创新普及竞赛参考题目指南

（机械设计类）

1、机械设计类因考虑其实际情况，与电子、自控类有所区别，最终参赛作品可为实物或是设计说明书，作品可为机械作品，也可为机械结构。

2、题目指南的设计说明书为节选自历届全国大学生机械创新设计竞赛、校“五四杯”等竞赛中优秀的机械创新类作品说明书，供参赛选手参考。

3、参赛选手要结合机械设计的原则，进行创新设计，作品要有生产生活的应用前途。 难度等级：A 简单 题目编号：001

窗户启闭机构

这种方便擦洗的窗户启闭机构使窗户能够开启到与闭合时互成90°的位置，操纵窗户启闭的主动构件是一个能相对转动的构件，除此之外机构还包括一个导引机构，在本设计中我们采用的是摇杆滑块导引机构和主动件为转动的连杆机构来完成启闭两个动作。 目的意义摘要：

日常生活中，启闭机构的应用十分广泛，例如可应用在窗户、炉门、箱盖等场合，普通窗户的启闭机构在使用中的最大问题是擦洗窗问题，特别是对于楼房，还有危险，为了解决这个问题，我们设计了这种方便擦洗的窗户启闭机构。 1. 机构功能分解：

设计对象的总功能是窗户启闭。完成窗户启闭功能的分功能是：窗户的导引功能；窗户启闭的操纵功能，此外还要对窗户有良好的承重功能及操纵启闭时有简

单、省力的功能。 2. 方案设计及其选择比较：

（1）从解决死点位置的角度首先对铰链四杆机构与摇杆滑块机构进行了比较。

图 1 铰链四杆机构 图 2 摇杆滑块机构

如图1所示机构为铰链四杆机构，连杆3为窗户，连架杆2为主动操纵机构，其缺点是：①若以构件4为主动构件，则必经过一死点位置才能使窗户全开，这时，需附加一转距才能使窗户度过死点； ②若以构件2为主动，则转过的角度很大。

如图2所示摇杆滑块机构，因为滑块沿窗户移动，窗的重力可由作为导轨的窗框承受，其缺点是连架杆2或4均不能在窗处于全开或全闭位置时作为主动件，因为在各该位置时机构处于死点位置。

（2）从解决导引机构的角度对曲柄滑块机构与摇杆滑块机构进行了比较

经过做图和计算可得，曲柄滑块机构不能满足设计的预期要求。比较的结果：摇杆滑块机构能较好的符合导引机构、承载的要求，但需要引入操纵机构，即将主动构件的转动传入到导引机构中，既要结决死点问题，又要解决操纵省力的问题。综上所述，我们最终确定如图3所示的摇杆滑块机构。

图3 串接式连杆机构组合

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该机构的优点如下：

窗户关闭位置是操纵机构的远行程的极限位置也是其死点位置，而引导机构并没有达到极限位置，这样有利于窗户关闭的紧密性。因为窗户与连杆3成一定角度固连，所以当窗户开启到90°位置时不是引导机构的死点位置。由操纵机构将主动件的转动传入引导机构度过死点位置。90°的位置不是窗户开启的最终位置。窗户在引导机构度过死点位置后还可以再转动一定的角度，也就是说窗户从闭合到开启的最终位置能够转过钝角，这样就使得人能够在室内擦洗窗户的朝外部分。解决了楼房普通窗户的清洗问题，减小了风险。

该机构结构简单轻巧，操纵省力便于安装和投入使用。

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难度等级：B中等 题目编号：002

铰链多杆划桨机构

作品设计制作的目的是提出一种铰链多杆划桨机构的设计方案，为船体航行研究提供基础。基本思路是利用连杆曲线特性，利用两个对称的运动链，可以画出具有一段近似直线的连杆曲线，进而执行下水、推行、出水等划桨动作。

图1 铰链多杆划桨机构

该机构是由主动曲柄驱动的两个对称的运动链组成；铰链四杆机构连杆上一点可画具有一段近似直线的连杆曲线；另一个连杆同样画具有一段近似直线的连杆曲线。这样就可以画出划桨的动作。本作品的科学性、先进性在于该机构充分利用了连杆机构能实现复杂轨迹的特点，简单机构实现了复杂的划桨动作，从而实现下水、推行、出水。该机构原理简单，构思新颖，机构在行进中机体重心平稳，可以实现其稳定性要求。

从对国内外研究情况可以看出，目前无论是科研院所还是生产厂商都十分重视创新机构的开发。但目前研究的内容，大都侧重于控制系统的研究，不太适合初学者，由其是在大学低年级中开展此类研究非常困难，因此我们主要从最简单的机构应用入手，激发学生进行科技创新的兴趣，为培养科技创新人才提供坚实基础。

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难度等级：C偏难 题目编号：003

管道行进器

目的和基本思路由于某些管道口径太小以至于人们难以进入，本作品的制作目的正是基于此而来的。

创新点：通过4x2形式排布的八个滚轮与管道内部相接触而产生摩擦力，并由电动机带动其滚动整个装置行进，并且通过齿轮的不同啮合情况而使它们的速度不相同而产生转向功能。并有一个交互功能，能实现自动转弯功能。

科学性先进性：本作品采用了完全机械式的机构设计，使其能在管道里面前进，并且当管道出现弯道时，本作品通过一种接触试式装置能识别出转弯的方向和大小，从而能实现自动转弯功能。从而实现了其他产品要通过较复杂、不易维修的电气设备才能达到的功能，并且本作品设计了一套弹性装置，使本作品并不是仅仅适应单一口径的管道，从而大大的提高了它的实用性和改善了它的经济性能。具有较好的市场适应性。

技术特点和优势：本作品能实现管道内布线以及为管道内部的测量、探伤、检测、修补提供一个载体，在理论上来说，它可以适应各种口径和不同深度的管道。由于本作品是纯机械式的，所以其操作、保养、维护十分简单，并可以在较为恶劣的环境下工作。

市场分析和经济效益预测：其应用范围十分广泛，并且它造价十分低廉。实现工业生产以后有十分强的竞争力，具有广阔的市场前景。

当前国内外同类课题研究水平概述：随着现代科学技术的发展，管道运输作为一种高效、安全、可靠的手段应用日益广泛，目前，我国有各种气管道、石油管道、下水道、自来水管道等很多管道。城市中的地下排水系统、取暖系统、煤气系统、自来水系统等都应用了各种管道；另外，在现代工农业、石油、化学、核工业等领域也大量使用了管道。经过长期使用，由于年久失修，每年都要出现大量故障，它们会出现裂纹、腐蚀、堵塞等故障，为了防患于未然，必须对这些管道进行定期检测和维修。但是它们有的埋在地下，甚至埋在海底，有的口径很小，人无法进入。挖出管道进行检测、维修既不经济又不现实，由此可见，管道机器人有着广阔的市场。

现在有很多的大学和研究所都在开展管道机器人的研究。如由浙江大学研制的无损伤医用微型机器人具有三大特点：一是此种微型机器人能以悬浮方式进入人体内腔（如肠道、食道等），这样可避免对人体内腔有机组织造成损伤，从而可大大减轻或消除患者的不适与痛苦；二是此种微型机器人的运行速度快，而且速度控制方便，这样可缩短手术时间；三是此种微型机器人的结构简单，加工制造方便。目前，此种微型机器人样机已接近实用化程度。上海交通大学研制出一种呈正方形体，由12个蠕动元件组成的管内蠕动机器人，外形尺寸为35×35×35mm3，体重19.5克（包括控制电路），步行速度为15 mm/分，共有12个自由度，由SMA（形状记忆合金）与偏置弹簧组成一个驱动源，共12个驱

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作品的控制功能。

如图六所示，图示的圆是我们的滚轮，他与管道的内壁相接触，由弹簧提供一定的摩擦力，它在管道内壁上滚动来带动整个装置前进。

图中所示的8号零件是装置的控制感应杆。它的上部分的水平位置和滚轮的顶端有一个很小的位差。使装置在直管内行进时不和管道内壁相接触。但是当装置在弯管内行进时，它与管道内壁相接触，从而产生一个位移，然后通过一个换向装置来改变图一所示的矩形框，使齿轮的啮合关系发生变化，这样，两个对应的滚轮的速度就不一样，使装置转弯。

图六

通过下面的图七，我们可以看出在不同的状态时，矩形框的几何中心在不同的位置。所以就设计了如图八所示的装置。使它能有两个状态位。但是由于矩形框的不稳定以及有两个状态位。所以就用弹簧来固定，使矩形框处于一个稳定的状态，当要发生变化时，由控制杆产生一定的力使它发生变化来实现状态的改变。

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图七

图八

在我所提供的模型中，由于整个装置太复杂，以及一些轴的精度不够高，以致于装配的不好。不能实现真正的运动。仅仅是提供一个静态的模型用于说明。

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难度等级：C偏难 题目编号：004

无线遥控爬竿喷漆机器人

一、基本功能：

1、沿直杆变速攀爬功能 2、圆周喷漆或洗刷功能 二、系统组成

1、动力与传动系统：多级齿轮减速电机链传动

2、行走系统： 利用摩擦轮升降机构使机器人沿直杆攀爬 3、执行机构：利用周向往复转动机构实现喷漆动作

4、支撑机构：六边形主体框架 ；三支架均布连接（连接圆环导轨与主体框架）；喷头支撑机构

5、控制系统：控制芯片采用ATmega16单片机，配合无线遥控装置（RC），分别实现；电机的正、反转及旋转电机的定时换向 三、机构设计

1、运动机构

① 升降机构：电机带动主轴，进而带动摩擦轮，使得机器人连续爬升 ② 周向往复转动机构：两个小电机带动喷头支撑机构往复转动 2、传动机构计算链条的强度，选用适当的链传动

3、夹紧机构根据总重量和铁与胶皮的摩擦系数选取足够强度的拉伸弹簧 4、开合机构；机器人利用铰链机构实现开合 四、创新点

1、利用巧妙的组合，在一定的空间内实现预定的功能 2、连续可变速攀爬，使得喷漆均匀 3、开合式安装

4、可更换具体执行元件，实现高空多功能作业

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6、 采用单片机控制及无线遥控装置

这种机器人模仿尺蠖的动作向上爬行，爬行机构由简单的曲柄滑块机构和上下两个自锁套（锥套）组合而 成。电动机与曲柄固接，驱动装置运动，上下两个自锁套是实现爬杆的关键机构。当自锁套由向下运动趋势时，锥套、钢球、圆杆之间会形成可靠的自锁，使装置不能下滑，而上行时自锁解除，爬杆机器人的爬行过程如动画所示，初始状态上下自锁套位于最远极限位置，同时锁紧，当曲柄逆时针方向转动时，上自锁套锁紧，下自锁套松开，被曲柄连杆机构带动上爬，当曲柄越过最高点，上自锁套松开，下自锁套锁紧，被曲柄连杆机构带动上爬，。如此周而复始，实现自动爬杆。用这些简单的机构、结构使机器人爬杆，体现了独创性。

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难度等级：B中等 题目编号：005

多功能清洁车

目的和基本思路：此车主要用于对如广场类的平整地面的无污染清洁，实现扫，擦，垃圾回收多项功能。

科学性先进性：现有的同类产品只是各个独立功能的载体，而多功能清洁车实现一车多用，把一般的清洁类功能集于一身，更方便，经济。且多功能清洁车使用电机做驱动，对环境的污染很小，避免了同类产品既清洁又污染的弊病。

技术特点和优势：只要司机控制好方向，其余工作将全部自动化。该车适用于相对平整的地面的清洁，实现清扫，撒水，擦洗，垃圾回收全部的清理工作。相对于市场现有的同类产品而言，该车具有对更多功能的集成性，实现对地面的全面清理，更方便快捷，经济。

市场分析和经济效益预测：就人们日益高涨的环保意识而言，多功能清洁车以其方便，快捷，无污染等优点，一定会受到欢迎，一定会有很大的市场。

当前国内外同类课题研究水平概述：此申报作品叫做“多功能清洁车”，属于机械类科技发明制作。下面概述一下此类产品的研究情况：

1.就同类产品而言，有一个共同的弊端：污染。此车使用电机做驱动，避免了同类产品在清洁的同时又给环境带来污染的矛盾。

2.在数不胜数的清洁设备中，几乎都是只能实现单一的动作，这样对同一劳动量的工作就需要有更多的机械参与，既不经济又不方便，还会带来更多的污染，多功能清洁车是多个动作的集成体，可以实现清扫，擦洗，垃圾回收的流水线工作。在概念上处于此类产品的领先地位。

3.适应当今城市环保的需求，电机驱动可以把人们讨厌的噪声，降到最低线，给人们的生活及休闲营造更好的条件。

参赛作品打印处：“多功能清洁车”，属于机械类科技发明制作。此车使用电机做驱动，避免了同类产品在清洁的同时又给环境带来污染的矛盾。

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遥感信号控制电机，这样窗帘定时开关和人工遥控控制窗帘两种功能就实现了。

二、以上是对功能实现的大体描述，控制过程由以下控制原理图实现，如下图所示：

反馈单片机模块定时显示器电机信号接受器

本控制电路主要用单片机控制原理，单片机模块由两大部分构成，即定时器显示部分和信号接收部分，定时器显示部分是针对窗帘的定时功能设计的，而信号接收部分用于接收遥控器发出的信号，通过调用子程序的执行来对电机的控制，电机的停止则由对电机运动状态监控的传感器将电机状态信号反馈给单片机来实现的。

三、经过对该窗帘结构及控制的不断改进，接进商品技术日趋提高，再根据市场调研情况，全自动窗帘相信会有一定的市场，故该放案具有一定的可行性。设计材料结构图如下：

1、滑轮结构尺寸

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2、导轨截面图：

对于电机，型号直流电动机12V 226mA 32ZYC250就可，其他材料视情况而定

本设计材料，注重了“成本估价”在中等以下家庭的经济承受价位，远低于高档窗帘的成本价位。本设计又全方位体现了现代全自动可电子摇控技术的应用，极大地提高了当今“窗帘装饰”的各项性能优势。综上所述，全自动窗帘的设计原理说明，它具有一定的可行性、实践性和优效性。

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难度等级：C偏难 题目编号：009

四足跳跃机构

技术特点和优势：该作品从整体上可以分为前后两部分，前后两部分间用滑竿和弹簧相连接（从而实现装置的伸缩）。当前腿往后弯曲时，此时两后腿深长着地，装置的重心往后移动，装置的前半身往前深长，实现两前腿腾空，装置深长。当两后腿弯曲时，其过程与两前腿弯曲时相同，实现的是装置后半身往前缩短。

适应范围：该装置采用了伸缩传动的跳跃式前进，整个装置的重心随着装置在一个周期内的运动发生流水式的移动。该装置适宜于地表比较粗糙、路面较差。从研究的前景来看，跳跃式机器装置对更智能的机器人研究课题有深远的参考价值和利用价值。

跳跃装置的研究是崭新的研究课题，其组成结构和运动原理都是都处于初步的探索阶段，从理论的研究角度和和实际开发的情况来看，该装置的开发研究是完全可能的。

该结构从整体看来可以分为前后两大部分，前后部分结构上看来基本一致，装置的动力机构分布在装置的后半部分。装置的主要结构如下：

腿部结构：装置由4条腿组成，其可以分为两前腿和两后退。每条腿有3个关节，从上到下分别为第1关节，第2关节，第3关节。第2关节中有减震结构（如图1）。第2关节与第1关节通过杠杆传动。第2关节可以自由活动，但其活动范围只能往后运动90度。第１关节可以对称的前后活动60度。第3关节无杠杆相连传动，但与第2关节由弹簧相连（如图2）。两前腿（两后腿）之间以杠杆相连，使之协调，运动一致。杠杆中央与动力机构连接。

伸缩运动原理：装置前后两部分由滑竿弹簧连接（如图3），动力装置由电机提供。通过凸轮使转动转换为平动。从动力源出来的运动分为上下两部分，下部分与前（后）装置相连（如图4），上部分与腿部装置相连。运动时，前腿

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往后弯曲，前半身往前深长，重心后移，后腿深长着地。实现两前腿腾空。当后腿往前弯曲时，后半身往前滑移收缩，重心前移，实现两后腿腾空。此时，两前腿着地。这是跳跃装置运动的一个周期。

流水型重心的设计：该装置的腿部、身躯等结构由轻型材料制成。装置的重心全部集中与动力机构（电机）。电机位于后半身部分。电机的移动即整个装置重心的移动，电机由4根弹簧相对的固定（弹簧不会弯曲，只能伸缩）。当传动动力对外施加力时。由于作用力与反作用力的方向相反性。电机随之移动。但由于弹簧的缘故，电机移动的位移小于动力传动装置的位移，从而产生位移差。实现了整个装置的前进。

以上为四足跳跃装置的主要技术难点和装置的运动原理。其具体结构原理分析以实现。

图表：

弹簧装置第2关节弹簧联结第2与第3关节第3关节图2图1 图2 图1

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弹簧装置滑移装置前传动竿后传动竿图3 图3

传动腿部杠杆总动力源传动前半身杠杆图4 图4

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难度等级：C中等 题目编号：009

爬壁机器人

爬壁机器人的使用将大大降低高层建筑的清洗成本，改善工人的劳动环境，提高劳动生产率，具有一定的社会效益、经济意义和广阔的应用前景。

我们从壁面特点出发，选择真空吸盘式吸附方式；从成本，越障能力及灵活性出发，采用双主足交替吸附的行走方式。

技术关键：双主足交替吸附使机器人有极高的灵活性和越障能力，每个驻足后的两个附足使其具备一定的曲面爬行能力及面面转换能力。

主要技术指标：本体重量<1.5Kg 最大爬行速度：10mm/s 最大越障能力：15×16mm(高度×宽度)

科学性先进性：壁面作业机器人的研究在国内外均有开展，主要有框架式、轮式或履带式、步行式等多种结构形式。现有壁面机器人结构复杂，通用性较差；我们研制的机器人结构简单，转向灵活，具备面面跨越能力，通用性强。国内哈尔滨工业大学研制的单车体壁面移动机器人和北京航空航天大学研制的双吸盘结构的履带式机器人均采用负压吸附原理，对平整壁面，结构化的极限作业环境有较高适应性，但运动时车体容易打滑，对安全不利；本机器人可跨越每块玻璃或瓷砖之间的直线边界，如窗框胶条、缝隙、边框等，突破了只能在大平面上运动的限制。综上所述，本壁面机器人结构简单，有较高的适应性，灵活性，可以加上不同的平台实现不同的功能。

技术特点和优势：独创性的二主足行走与双附足行走相配合的结构，使其在极其简单的结构下实现了面面转换，跨越障碍，及任意角度旋转等高难度动作。

适应范围及推广前景的技术性说明：随着城市林立的高层建筑拔地而起，如何定期对它们进行清洗保养成为城市环保的难题．因为清洗这些高层建筑由人工完成时，不仅投人大、效率低、费工费时，而且极其危险．由高速高效的

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爬壁机器人完成这些工作，无疑是最佳选择．

市场分析和经济效益预测：它可以改善工人的劳动条件，提高效率与清洗质量．由于中国的经济正处于高速发展时期，城市的各种高层建筑正成倍增加，性能优异的爬壁机器人具有广阔的应用前景．

当前国内外同类课题研究水平概述：近二十年来，爬壁机器人的研究开发工作已在日本、美国、英国、前苏联和我国取得重要成果。适合特定壁面的行走机构形式主要有车轮式、履带式和框架式三种。随着作业对象的复杂化和多样化，用户、制造商和研究者开始对爬壁机器人提出更高的要求，诸如对不同形状壁面的适应能力、地面到壁面(或其它相交面间)的过渡行走能力、对复杂障碍物的跨越能力、较好的机动性(mobility)和灵活性(flexibility)等。对于爬壁机器人，国内外的研究都很多。这方面的研究尤以日本最为领先。我国对这方面的研究起步较晚，但许多科技人员也在积极地研究，比如上海交大的履带式爬壁机器人、长春光机学院气吸式机器人和上海大学的八足吸盘式爬壁机器人。爬壁机器人从总体上来说是一门新兴的技术，其大部分产品是停留在实验阶段而相对地较少有大规模地应用，但随着研究的深入，会有较广的前景的。清洗爬壁机器人是特种机器人的一种，用以代替人工对高大建筑玻璃幕墙进行清洗维护工作。为实现在壁面上的清扫作业，清洗爬壁机器人必须具有两个基本功能：即在壁面上的吸附功能和移动功能。鉴于建筑物壁面的非导磁性，不适于磁吸附爬壁机器人使用，清洗爬壁机器人多采用真空吸附式结构， 由风扇、空气压缩机等真空发生器设备使吸盘内形成负压，依靠压差将机器人牢牢地吸附在壁面上。真空吸附式壁面移动机器人又分为单吸盘和多吸盘两种结构?。单吸盘真空吸附壁面爬行机器人可实现小型化、轻量化，且结构简单、易于控制，但要求壁面有一定平滑度，越障能力低，对复杂壁面环境不适应，当遇到较大淘槽或凹凸面时，吸盘负压难以维持。多吸盘脚式壁面爬行机器人的吸附稳定可靠， 克服了单吸盘结构移动连续但吸附不可靠的缺点，可是其移动是间断的，且移动速度受到限制，控制比较复杂。9 0年代最新研制成功的推进型壁面移动机器人，采用直升机原理，利用螺旋桨产生的高速气流来带动机器人向上高速移动，螺旋桨所产生的推力与壁面大约成2O°角始终有指向壁面的推力从而实

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现了机器人的吸附功能，使机器人可以紧贴壁面移动，有一 定的越障能力，但成本较高结构复杂。

参赛作品打印处：1 爬壁机器人模型简介

该机器人模型的系统总体结构如图1所示，由吸附元件、减速器、气动元件和组成。由真空泵使吸盘产生负压，使机器人能吸附于壁面上，由电控系统控制电机实现机器人在壁面上的自由行走。。以下是本机器人模型，可看出，该模型具有结构简单、稳定可靠、操作方便、成本低廉等特点，有一定的实用价值。

2．1电机的确定

根据机器人运动的准确可靠性要求，并考虑电机单位质量的输出扭矩指标，我们选用减速电机。其静转矩为7.8kg*cm。

2．2 真空吸盘半径的确定

要机器人模型能稳定吸附工作于壁面，应满足? 式(1)

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上式中，A为吸盘面积；△P为吸盘的内外压差；u 为吸盘与壁面的静摩擦系数，取0．5；．为安全系数，取0.8；M 为爬壁机器人在墙壁上系统的总重量，取1.5kg；Md为单个电机的重量，Md=0．24kg.算得r>0．0245m，因为根据市场的实际情况选吸盘的半径为0．025m。

2．3 真空吸盘的切换周期

固定的吸盘容积，其达到内真空所需的时间t 和解除真空的时间t之和，称为该吸盘的切换周期，切换周期的倒数称为切换频率，切换频率的大小反映了吸盘的动作快慢程度。对于采用真空泵做真空源的系统，时间t．可以近似由下式_2 确定：

Q为泵的平均抽吸流量，取1 L／s；P0为大气压强；P为终止压强。 t=0.75s

3 机器人运动方案

机器人典型运动方案

首先，将吸盘1压到壁上，真空发生器3吸气，吸盘1由于负压被压紧。减速电机7逆时针旋转，这

是吸盘2被抬起，减速电机5延纸面向里转动，转到预定角度后停止，减速电机7顺时针转动，直至吸盘2被压紧，而后真空发生器4吸气，吸盘2被压紧。真空发生器3给吸盘放气，减速电机7顺时针旋转，吸盘1被抬起。减速电机6

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按预定角度转动，重复减速电机5进行过的过程，其步态如上图所示。

机器人其他运动方案

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ylgx.html