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IV
一種攀爬機器機械部分的設(shè)計
摘 要
在一些工程類建筑中，一些直徑比較小的直桿隨處可見，對于這些直桿作業(yè)一直存在著一些問題，人為作業(yè)較為困難和危險。設(shè)計一個可攀爬直桿的機器人，通過該機器人平臺搭載一些作業(yè)機器，對于解決小直桿的作業(yè)問題具有較大現(xiàn)實意義。
本次設(shè)計的攀爬機器人是由眾多簡易的機構(gòu)組成，在結(jié)構(gòu)上面比較簡單，利用我們平時生活中隨處可見的曲柄滑塊機構(gòu)、凸輪機構(gòu)等等結(jié)合而成。利用凸輪結(jié)構(gòu)的運動特性實現(xiàn)手爪的夾緊與松開，在驅(qū)動源方面只采用一個輕質(zhì)電機，避免電機過多造成結(jié)構(gòu)上的繁瑣和避免重量過重。機械手的手爪采用的是彈簧夾緊的原理，彈簧提供的力足夠支撐整個機器人的自重和負(fù)重。通過彈簧解決了在變直徑桿上攀爬的問題。
本文對曲柄滑塊的運動和受力分析證明了該機器人運動的穩(wěn)定性和可靠性。還通過減速箱的設(shè)計賦予機器人一定的攀爬運動速度。還對手爪、軸、軸承等部件的受力校核證明該機器人在結(jié)構(gòu)上面的穩(wěn)定性。該機器人還具有一定的負(fù)重能力。可以在機器人上面搭載一些作業(yè)機器人，實現(xiàn)多功能作業(yè)。本次設(shè)計的機器人通過各機構(gòu)聯(lián)動工作，工作簡單可靠。
本文還對輸出軸的尺寸、配合進行了說明。對軸的加工工藝進行了工藝規(guī)程制定，分析各工序的制定方法。對于軸類零件的加工工序有一定的了解與掌握。
關(guān)鍵詞：爬桿機器人；變直徑桿；夾緊；曲柄滑塊
Abstract
In some of the engineering building, a number of relatively small diameter straight bar everywhere, straight bar for these jobs, there has been some problems, man-made work more difficult and dangerous. Design a robot can climb straight bar, equipped with some of the work machine by the robot platform for solving the problems of small jobs straight bar has a larger significance.
The climbing robot designed by many simple bodies, in the above structure is relatively simple, we usually use slider-crank mechanism life everywhere, the cam mechanism, and so a combination. Using the motion characteristics of the cam mechanism to achieve clamping and release the gripper, in terms of the driving source using only a lightweight damping motor to avoid the motor caused by excessive red tape and avoid excessive weight on the structure. Robot gripper uses the principle of a spring clamp, the spring force provided enough to support its own weight and the weight of the whole robot. By spring solves the problem of variable diameter pole climbing.
In this paper, the crank-slider motion and stress analysis to prove the stability and reliability of the robot movement. Also gives some climbing robot movement speed by gearbox design. Also force the opponent claw, shafts, bearings and other parts of the check show that the stability of the structure above the robot. The robot also has a certain weight-bearing capacity. Some jobs may be mounted on top of the robot in robot to achieve mufti-functional operations. The robot design work through the linkage mechanism, work is simple and reliable.
This paper also the size of the output shaft, with the described. Axis machining process were to develop process planning, analysis of the development method in each step. For shaft machining operations have a certain understanding and grasp.
According to the axis of the development process card. Reasonable and feasible production process planning.
Keywords: pole-climbing robots; variable diameter rod; clamp; crank-slider
目 錄
1 緒論 1
1.1 攀爬直桿機器人研究目的 1
1.2 研究現(xiàn)狀 1
1.3 研究內(nèi)容 2
2 爬桿機器人方案設(shè)計 3
2.1 方案選擇 3
2.2 設(shè)計方法 5
2.2.1仿生設(shè)計 5
2.2.2夾緊裝置設(shè)計 6
2.2.3運動狀態(tài) 7
2.2.4小結(jié) 7
3 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 8
3.1 機械手爪設(shè)計 8
3.1.1機械手爪力學(xué)分析 9
3.2 曲柄滑塊機構(gòu)設(shè)計 10
3.2.1曲柄滑塊速度分析 11
3.3 連桿的受力分析 11
3.3 移動凸輪的設(shè)計 12
3.4 盤形凸輪設(shè)計 13
4 減速箱設(shè)計 14
4.1 電動機的選擇 14
4.2 齒輪設(shè)計 14
4.2.1齒輪類型、材料及強度計算 15
4.3 軸的設(shè)計 26
4.3.1聯(lián)軸器的選擇 26
4.3.2軸承選擇 27
4.3.3確定軸的結(jié)構(gòu)與尺寸 28
4.3.4軸的校核 29
4.4 軸承的校核 34
4.4.1軸承的徑向載荷 34
4.4.2 軸承的軸向力校核 35
4.4.3軸承的徑向當(dāng)量載荷 35
5 彈簧的選擇 37
6 零件的加工工藝規(guī)程 39
6.1對零件進行工藝分析 39
6.2 確定零件的裝夾? 39
6.3 定位基準(zhǔn)的選擇原則? 39
6.4 加工刀具的選擇? 39
6.5 機床選擇 39
6.5 主要加工工序安排 40
7 結(jié)論 42
致謝 43
參考文獻(xiàn) 44
附錄 45
第 47 頁 共 45頁
畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙
1 緒論
1.1 攀爬直桿機器人研究目的
機器人的起源要追溯到3000多年前，但是從60年代以后機器人技術(shù)得到飛速的發(fā)展。經(jīng)過50來年的研發(fā)和使用，機器人已經(jīng)進入新的時代了。機器人在過去只是工業(yè)機械手，但是現(xiàn)在我們已經(jīng)重新定義，機械手只是其中機器人中的一部分了，現(xiàn)在我們所說機器人是新型的、新一代的，可以協(xié)作的，還有服務(wù)型的機器人，包括醫(yī)療、服務(wù)、家庭、康復(fù)等等方面可以為人類解決有難度或有危險的問題。
人們的生活越來越好，越來越多的地方城市化率增高，高樓林立，街道四通八達(dá)。我們平常經(jīng)過道路時可以看到好多樹立的電線桿、電燈桿、廣告牌立柱等等圓柱形直桿。但是由于直桿在室外遇到各種環(huán)境問題或者人為因素，常常需要環(huán)衛(wèi)工人清洗或者相關(guān)人員維修。在清洗一些高空建筑時如果采用人工清洗具有很大的危險性。對于電線桿等直徑比較大的直桿，通過人工攀爬作業(yè)比較方便，也可以采用工程車工作。都但是一些直接比較小的直桿，就像我們在生活中見到的一些裝路燈的直桿，如果通過人工攀爬上去工作比較困難。采用工程車進行作業(yè)的話，作業(yè)成本較高，在擁擠狹小的路段作業(yè)比較困難。研發(fā)一些攀爬類的機器人就變的尤為重要了。
爬桿機器人的研究需要機械設(shè)計，電子設(shè)計，軟件工程、材料科學(xué)、以及仿生學(xué)等一些列基礎(chǔ)學(xué)科融合交匯。需要進行線性、非線性模型計算。可以利用傳感器等信息控制，三維建模分析和仿真運動。
1.2 研究現(xiàn)狀
爬桿機器人的設(shè)計并不是唯一的，不同的設(shè)計者有著不同的思路，但是總的來說國內(nèi)外的機器人研究主要在桿上固定方式上面有所不同。
Woody系列機器人。2005年在日本愛知博覽會上展出了林業(yè)機器人Woody-1（圖1.1）隨后又于2009年開發(fā)出改型后的機器人Woody-2（圖1.2）。對夾子進行了簡化，移動方式也由原來的絲杠驅(qū)動線性移動變?yōu)槎嚓P(guān)節(jié)協(xié)調(diào)運動。
圖1.1 Woody-1 機器人 圖1.2 Woody-2機器人
雙手爪攀爬機器人Shady3D（圖1.3）,他只有3個自由度可以在一個空間桁架中攀爬，但是對桁架要求極高?？梢酝ㄟ^兩臺Shady3D形成6個自由度從而進行桿件過渡。
圖1.3 shady3D機器人
RiSE(Robots in Scansorial Environments)是一個仿生攀爬機器人（圖1.4）。設(shè)計者們參考四條腿的壁虎攀爬機理和六條腿的嶂螂攀爬機理，采用模塊化設(shè)計思想以提高機器人構(gòu)型的靈活性，將每條腿做成一個單獨的模塊，使得RISE可以在四腿和六腿行走之間轉(zhuǎn)換[1]。類似的還有管道爬行機器人3DClimber和并聯(lián)機器人CPR。
圖1.4 Rise系列機器人
1.3 研究內(nèi)容
本次設(shè)計主要是設(shè)計一個直桿內(nèi)爬行的機器人，類似于Shady3D擁有三個自由度。該機器人具備負(fù)重5kg的能力和在直徑為120mm到200mm的直桿爬行?？梢再x予該機器人大約100mm/s的攀爬速度。
2 爬桿機器人方案設(shè)計
2.1 方案選擇
對于機器人行走的工作原理主要有以下幾種：
氣動蠕動式：可以通過機構(gòu)本的自鎖或者是利用靜摩擦原理。
螺旋爬升式：利用滾動摩擦的原理來實現(xiàn)；
直線行走式：直接通過克服動摩擦來運動；
關(guān)節(jié)式爬行：利用移動副和轉(zhuǎn)動副的特點來實現(xiàn)運動；
并聯(lián)式爬行：利用并聯(lián)機構(gòu)的特點來實現(xiàn)。
方案1：
讓機器人直接抱緊在直桿上，通過電動機提供動力，讓與直桿直接接觸的輪子運動從而實現(xiàn)機器人的運動。調(diào)節(jié)機器人上的彈簧的拉伸長度來獲得一定的預(yù)緊力，是的機器人抱緊直桿。面對不同的直桿調(diào)節(jié)不同的彈簧尺寸已達(dá)到一定的預(yù)緊力。機器人的大體設(shè)計如圖2.1。
該方案的機器人可提供較大的負(fù)載能力，運行比較平穩(wěn)，是和一定范圍內(nèi)的直桿，但是該方案不能再一根變直徑桿上連續(xù)工作，在換直徑的直桿工作前要調(diào)節(jié)彈簧預(yù)緊力，比較麻煩。
1.電動機，2.減速箱，3.皮帶，4.彈簧，5.車輪
圖2.1爬桿機器人方案1
方案2：
在開始作業(yè)前，將機器人安裝到直桿上，通過調(diào)節(jié)機器人上的螺母使機器人對直桿有一定的預(yù)緊力，與方案1的彈簧提供預(yù)緊力不同，直接通過機器人的收緊力來保證機器人正常工作。當(dāng)機器人在直桿上固定以后，利用電機驅(qū)動提供力讓機器人實現(xiàn)運動，面對不同的直桿需要在安裝的時候調(diào)節(jié)好機器人直接上的不同連接孔。機器人的大體設(shè)計如圖2.2所示
該方案的機器人同樣可以提供較大的負(fù)載能力，而且結(jié)構(gòu)簡單，但是該方案不能再一根變直徑桿上運動，每次變換桿時要調(diào)節(jié)連接孔，操作上比較麻煩。
1.螺釘 2.車輪 3.減速箱 4.電機 5.直桿
圖2.2 爬桿機器人方案2
方案3：
將機器人安裝在直桿上，下手抓通過彈簧夾緊直桿，上手抓松開，電機帶動連桿運動，移動凸輪將上手抓頂起，上手抓夾緊，下手抓松開并上升從而達(dá)到機器人的爬行功能。通過彈簧收縮力提供預(yù)緊力使手抓收縮，電機提供動力。在變直徑的情況下彈簧力改變以確保爬桿機器人的正常作業(yè)。大體方案設(shè)計如圖2.3所示
該方案所能提供負(fù)載有限，但針對本次設(shè)計要求該機器人滿足負(fù)載5kg的技術(shù)要求，并且能在一根變直徑桿上作業(yè)，通過彈簧的拉力可以適應(yīng)120~200mm的直徑桿，滿足本次設(shè)計的所有技術(shù)要求。
小結(jié)：通過比較以上列出的三個設(shè)計方案，本次設(shè)計的方案采用方案三。該方案滿足本次設(shè)計要求。結(jié)構(gòu)緊湊可靠性高。
1.機械手爪 2.移動凸輪 3.連桿 4.彈簧 5.盤形凸輪 6.導(dǎo)桿
圖2.3 爬桿機器人方案3
2.2 設(shè)計方法
2.2.1仿生設(shè)計
說道爬桿運動我們首先能聯(lián)想到生活中的許多動物的爬樹姿態(tài)，例如我們?nèi)ス珗@參觀總能看到猴子爬在樹上（如圖2.4），還有在電線維修和安裝電表時我們能看到工人穿上腳扣（圖2.5），然后通過雙手向上爬行，腳扣向下傾斜形成自鎖，腳扣上面的橡膠跟電線桿用較大的摩擦系數(shù)。還有我們在生活中常常能看到的一種昆蟲尺蛾（圖2.6）。在爬行時，它先使腹足和尾足抓住樹枝，在通過身體向上運動，然后用前足抓緊樹枝，松開腹足和尾足，向前或向上運動。有這幾個生活中的事例我能可以運用到我們爬桿機器人的設(shè)計當(dāng)中。
圖2.3 猴子爬樹 圖2.5 工人攀爬電線桿 圖2.6 尺蛾
我們可以通過仿生學(xué)的靈感來設(shè)計我們機器人的爬行運動方案。
方案1：我們可以參考機床中絲杠的運動原理，在下手爪固定時，通過電機驅(qū)動使上手爪通過絲杠上升，到達(dá)固定位置后下手抓松開，通過傳動使的下手抓上升，到一定位置后下手抓固定完成一次運動。
方案2：在機械結(jié)構(gòu)中有一種很常見的機構(gòu)--曲柄滑塊機構(gòu)，在下手爪固定時，通過電機驅(qū)動是的滑塊到達(dá)最大行程處，上手抓固定、下手抓松開，通過驅(qū)動力是連桿帶動下手抓上升。再重復(fù)動作即可達(dá)到設(shè)計所要求的運動。
總結(jié)：方案1的運動過程較為穩(wěn)定，但是結(jié)構(gòu)重量較重，材料價格比較貴。方案2的運動穩(wěn)定性一般，但是結(jié)構(gòu)重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，方案設(shè)計比較實惠。所以選擇方案2的設(shè)計（圖2.7）。
圖2.7 運動周期圖
2.2.2夾緊裝置設(shè)計
對于手爪的夾緊方案的設(shè)計我們同樣可以參照我們生活中的一些實例來進行設(shè)計，比如我們平時用火鉗之類的帶手爪的工具時我們是如何夾緊物件的。我們可以采用電機驅(qū)動連桿往復(fù)運動（圖2.8），該機構(gòu)雖然能實現(xiàn)加緊功能，但是如果是在變直桿上面工作，直桿直徑變化使得較大會無法夾緊直桿從而失去工作能力。我們可以通過參考我們生活中一些帶彈簧的鉗子（圖2.9）將彈簧上的壓簧變成拉簧，通過拉簧產(chǎn)生的拉力作用使得手爪夾緊直桿，大體的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案如圖2.10所示。
圖2.8 連桿驅(qū)動手爪 圖2.9 鉗子
圖2.10 夾緊裝置大體結(jié)構(gòu)
2.2.3運動狀態(tài)
根據(jù)以上的設(shè)計方案結(jié)果我們可以得出本次設(shè)計的運動狀態(tài)的分布：
狀態(tài)1：:在初始狀態(tài)是，機器人的下機械手爪夾緊直桿，同時上機械手爪在彈簧作用下松開。
狀態(tài)2：電機運動，通過減速箱連接帶動曲柄以及和曲柄一起固定在下手爪處的兩個盤形凸輪機構(gòu)順時鐘轉(zhuǎn)動，盤形凸輪推動下機械臂想外擺動，機械手爪向外松開。當(dāng)盤形凸輪轉(zhuǎn)過小半徑的圓弧后，下方的手爪松開；同時移動凸輪向下運動，此時上方手爪夾緊直桿。
狀態(tài)3：電機繼續(xù)回轉(zhuǎn)運動，此時機器人的上機械手夾緊，而下機械手此刻處于松開狀態(tài)，機器人下半部分被運動到極限位置，即上升到最高位置。
狀態(tài)4：電機繼續(xù)回轉(zhuǎn)運動，當(dāng)機器人下部的盤形凸輪轉(zhuǎn)過最大半徑的圓弧后，下機械手爪開始收縮，并夾緊；同時移動凸輪向上運動走過空行程，在凸輪運動時，上機械手爪開始松開。
狀態(tài)5：電機持續(xù)回轉(zhuǎn)運動，由于此時下方手爪夾緊直桿，而上方手爪處于松開，電動機通過曲柄產(chǎn)生的推力使得機器人的上半部分向上運動，當(dāng)曲柄和連桿拉直共線即滑塊可到達(dá)的最大行程是，機器人上半部分上升到極限位置。
機器人從狀態(tài)1運行到狀態(tài)5可完成一次爬行。
2.2.4小結(jié)
本文設(shè)計的爬桿機器人攀爬的是120~200mm的變直徑桿，本文設(shè)計的機器人仿照人爬樹的原理，其結(jié)構(gòu)組成包括夾持機構(gòu)，由上下機械手爪組成，實現(xiàn)對桿的抱緊，通過上、下機械手爪的交替夾緊來實現(xiàn)爬桿機器人的支點定位和蠕動；移動機構(gòu)是由曲柄滑塊機構(gòu)和凸輪機構(gòu)組成；驅(qū)動機構(gòu)，整個機器人只采用一個電機驅(qū)動，既減輕了重量，又滿足了運動要求。整個爬桿機機器人長度為260mm左右，寬的尺寸為150mm作業(yè)，高度為430mm作業(yè)，整個機器人的重量不超過3kg，整個爬桿機器人的結(jié)構(gòu)主要通過2根長為430mm的鋁管連接在一起。機械手跟套筒固定在兩根管上。下機械手固定，上機械手爪可以上下移動。
凸輪機構(gòu)主要有在上機械手爪的移動凸輪和一個在下機械手爪的兩個并聯(lián)的盤形凸輪構(gòu)成。兩種凸輪和上下機械手的裝置通過曲柄滑塊裝置連接起來，是的各個機構(gòu)能夠正常運作并形成一個整體，上部的擺桿機構(gòu)在曲柄連桿機構(gòu)的作用下可以沿導(dǎo)桿上下移動。
3 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計
3.1 機械手爪設(shè)計
本次設(shè)計的爬桿機器人采用的是上下兩個手爪的機械設(shè)計，屬于雙手抓攀爬機器人的一種。雙手爪攀爬機器人是指一類結(jié)構(gòu)上由多自由度本體和首尾攀附裝置組成的，通過兩手爪交替固定并配合本體屈伸或扭擺等運動來實現(xiàn)自身整體移動的特種攀爬機器人。在本次的設(shè)計任務(wù)書中要求攀爬直徑120-200mm內(nèi)的直桿。在接觸部分我們采用橡膠增大摩擦力。在將一個圓形塊焊接到橡膠邊上（圖3.1），機械手跟橡膠塊相連，利用橡膠塊增大整個機械手爪的和所要攀爬直桿的摩擦力，增加整個機器人可靠性。
圖3.1 機械手爪橡膠塊
在根據(jù)直桿的大小我們可以大體設(shè)計出手爪的外形和尺寸（圖3.2）。根據(jù)電機的大致尺寸設(shè)定旋轉(zhuǎn)中心跟直桿中心水平距離為67mm，垂直距離為129mm，橡膠塊的厚度為5mm，機械手爪的連接臂繞導(dǎo)桿的擺動角度范圍在7.8°以內(nèi)?？紤]到安裝機器人的問題，所以機械手抓的擺動角度大概在10°左右。
圖3.2 機械手爪設(shè)計尺寸圖
機械手爪的厚度取10mm。重量大概是0.2kg?？偟拈L度大約為260mm。采用鋁合金2014。彈性模量E=70GPa。手爪的大體三維形狀如圖3.3所示。
圖3.3 機械手爪三維圖
3.1.1機械手爪力學(xué)分析
機器人的關(guān)鍵部分如機械連接臂，對機器人的爬行具有很重要作用，在機器人爬行過程中，當(dāng)機械手夾緊時，此時受力最大，機械臂變形最大，因此需對機械臂的變形繞度進行評估。當(dāng)機械手一端夾緊的時候我們可以吧整個手臂看成一個懸臂梁，截面可以看成一個矩形截面來計算。一根軸如果在受力的時候變彎了，我們把這樣的軸叫做撓曲軸（圖3.4）所示，我們可以校核垂直于梁的位移量來確保梁的穩(wěn)定性，也就是要計算撓度值。
圖3.4 撓曲軸
撓度方程： （3-1）
其中： （3-2）
符號意義：
——矩形截面對X軸的慣性矩；
a ——長（cm）；
b ——寬(cm)；
橫截面經(jīng)過簡化可以看成近似為長方形的彎曲桿。
長桿幾何參數(shù)可簡化為：L=240mm；B=10mm；H=10mm；
長桿材料參數(shù)：
彈性模量E=70GPa；泊松比V=0.3；
當(dāng)爬桿機器人開始工作的時候，特別是在上機械手爪夾緊直桿時，此時下機械手爪是處于松開狀態(tài)的，在這個時候上機械手爪所受到的力最大，變形也是最大的。
因為我們兩個機械手爪是通過兩個大圓桿作為固定點的，所以我們可以忽略掉在Y軸上面的變形，只計算在X上面的變形。機械手臂可看成一根長為240mm的懸臂梁，根據(jù)我們下面的計算我們可以知道每只機械手連接臂末端的最大載荷為F=54N，
應(yīng)用材料力學(xué)公式求端點處的繞度：
（3-3）
由此可看出機械手連接臂在處于懸臂狀態(tài)時，當(dāng)連接臂末端承受最大載荷F=54N時，最大繞度值為=2mm，可以忽略不計。
3.2 曲柄滑塊機構(gòu)設(shè)計
曲柄滑塊機構(gòu)是由平面四桿機構(gòu)演變而來。本次設(shè)計的機器人向上攀爬的功能就是由曲柄滑塊機構(gòu)來實現(xiàn)。電機提供動能帶動跟輸出軸相連的曲柄，通過曲柄滑塊的往復(fù)運動，結(jié)合上下機械手的松開與夾緊運動。因此曲柄滑塊的運動決定著機器人的功能能否實現(xiàn)。
對心曲柄滑塊機構(gòu)：在機構(gòu)運動時滑塊的運動軌跡跟曲柄的回轉(zhuǎn)中心在同一條直線上，叫做對心曲柄滑塊機構(gòu)。
當(dāng)曲柄r越小，連桿l越大時，機構(gòu)的傳力特性比較好。考慮到電機的寬度和盤形凸輪的長度，一般工程中曲柄和連桿長度比為1/4?？梢韵冗x取曲柄的長度為60mm，再選取連桿的長度為240mm，因為凸輪也是有長度的，所以還要加上凸輪的長度，總的長度大約為260mm。因為是對心曲柄滑塊機構(gòu)，所以e=0。
3.2.1曲柄滑塊速度分析
圖3.9 運轉(zhuǎn)周期圖
因為曲柄做的是圓周運動，所以設(shè)曲柄的轉(zhuǎn)速為r/min。曲柄堯軌跡旋轉(zhuǎn)一周所用的時間為：
（3-4）
由圖12的周期圖我們可以看出當(dāng)曲柄堯軌跡轉(zhuǎn)一圈后，爬桿機器人向上爬行了2r。也就是120mm?？梢郧蟪鰴C器人的向上移動速度：
（3-5）
因為本次設(shè)計的機器人的要求對爬行速度沒有明確的要求，所以我們設(shè)定機器人的向上移動速度為100mm/s所以應(yīng)該保持在50r/min左右。
3.3 連桿的受力分析
圖3.10 受力圖
建立曲柄跟滑塊的受力方程，得出力與力p的關(guān)系：
b （3-6）
將曲柄最外處看成一個點，根據(jù)向心力幾三角函數(shù)關(guān)系可得力和關(guān)系：
（3-7）
聯(lián)立兩個式子： （3-8）
曲柄端點處轉(zhuǎn)矩T： （3-9）
根據(jù)受力圖可知： （3-10）
將式（3-24）、（3-25）代入式（3-26），可得?
b +（3-11）
則可推導(dǎo)出作用在滑塊上的壓力p，即?
（3-12）
在實際工程中曲柄和連桿長度上面你的關(guān)系都有4r
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