全國(guó)大學(xué)生機(jī)械產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)大賽作品說(shuō)明書

1、全國(guó)大學(xué)生數(shù)字化機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)大賽作品說(shuō)明書聚會(huì)用快速布場(chǎng)機(jī)器人作者：王騰 丁振宇 時(shí)貝超（排名不分先后）指導(dǎo)老師：朱衍飛學(xué)校：合肥工業(yè)大學(xué)目錄作品背景4作品特點(diǎn) 4作品結(jié)構(gòu)5作品工作原理 51. 攀爬系統(tǒng)工作原理 6 爬壁機(jī)構(gòu)工作原理 6 跨墻壁攀爬工作原理 92. 懸掛橫幅系統(tǒng)工作原理 93. 控制系統(tǒng)工作原理 94. 供電系統(tǒng)工作原理 125. 傳感器系統(tǒng)工作原理 136. 電機(jī)系統(tǒng)工作原理 157. 功能系統(tǒng)工作原理 15作品主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn) 16作品市場(chǎng)潛在價(jià)值 17參考文獻(xiàn) 18附錄 194一，作品背景現(xiàn)代社會(huì)，人與人之間交流越來(lái)越頻繁，交流的形式也多種多樣，其中，聚會(huì)作為極為 重要的一種

2、形式，已越來(lái)越被人們青睞。聚會(huì)，就要有聚會(huì)的場(chǎng)合。聚會(huì)的場(chǎng)合不同于教學(xué)，辦公場(chǎng)合那樣有固定的場(chǎng)合，它是 隨著聚會(huì)的內(nèi)容，聚會(huì)的人員，聚會(huì)的時(shí)間，聚會(huì)的地點(diǎn)而決定的。而日常生活中所能提 供的場(chǎng)所又相對(duì)固定，那么可以解決人們與日俱增的聚會(huì)次數(shù)，多種多樣的聚會(huì)形式和固 定單調(diào)的聚會(huì)場(chǎng)所之間的矛盾么？答案是肯定的。隨著科技的飛速發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)正在悄悄改變著我們的生活。爬墻機(jī) 器人作為機(jī)器人家族中重要的分支，已被越來(lái)越多的人所重視。我們將先進(jìn)的機(jī)器人技術(shù) 用于解決實(shí)際生活中的問(wèn)題，基于爬墻機(jī)器人工作原理，設(shè)計(jì)出聚會(huì)用快速布場(chǎng)機(jī)器人， 可以很好的解決這樣的問(wèn)題。二，作品特點(diǎn)1. 內(nèi)置儲(chǔ)存卡和音響，用戶可

3、將聚會(huì)時(shí)所需的音樂(lè)拷貝至儲(chǔ)存卡中，再由機(jī)器人沿室內(nèi)墻 壁爬至天花板，用機(jī)器人強(qiáng)大的吸力將自己牢牢固定在天花板上，這時(shí)機(jī)器人就成為了一 個(gè)高品質(zhì)的音響，可為用戶聚會(huì)時(shí)提供全環(huán)繞，堪比舞廳的音樂(lè)環(huán)境。2. 可平穩(wěn)地在各種墻壁上自由移動(dòng)，遇墻角可自動(dòng)翻轉(zhuǎn)，由一墻壁跨至另一墻壁。3. 擁有強(qiáng)大的燈光輔助系統(tǒng)，在需要進(jìn)行聚會(huì)時(shí)，由機(jī)器人附著在天花板上，啟動(dòng)燈光輔 助系統(tǒng)，可迅速營(yíng)造出用戶所想要的聚會(huì)氣氛。4. 在聚會(huì)時(shí)，有時(shí)需要懸掛橫幅。本機(jī)器人自帶掛橫幅支持功能。自帶伸縮臂和橫幅掛鉤。 從此懸掛橫幅無(wú)局限。5. 具有長(zhǎng)時(shí)間續(xù)航功能，來(lái)自于本身所用的大容量鋰電池包。連續(xù)工作6小時(shí)以上沒(méi)有問(wèn)題，可支持幾場(chǎng)

4、聚會(huì)的連續(xù)使用。同時(shí)電池可拆卸，聚會(huì)時(shí)更無(wú)后顧之憂。6. 產(chǎn)品拆卸方便，安裝便捷，配有專用防塵塞，機(jī)器不用時(shí)，可將腿部拆下，裝上防塵塞， 保護(hù)機(jī)器且易于儲(chǔ)存。7. 體積小，便于攜帶，且防水抗風(fēng)防塵，經(jīng)久耐用。8. 預(yù)留功能接口，用戶可根據(jù)自己的實(shí)際需要加裝其他工具（如加裝攝像頭，可在聚會(huì)時(shí)進(jìn)行全程錄像等）。9. 用戶可用手柄進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，操作方便。三，作品結(jié)構(gòu)本作品主要包括攀爬系統(tǒng)，供電系統(tǒng)，懸掛橫幅系統(tǒng)，功能系統(tǒng)（包括燈光輔助系統(tǒng)，用戶預(yù)留功能接口，照相機(jī)，音響等），傳感器系統(tǒng)，控制系統(tǒng)，電機(jī)系統(tǒng)七大系統(tǒng)組成。作品三維效果圖如圖所示：四，作品工作原理1. 攀爬系統(tǒng)工作原理爬壁機(jī)構(gòu)工作原理使用

5、在履帶上裝吸盤來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器在墻壁上攀爬。使用履帶是為了保證爬行的速度。使用 吸盤是為了保證足夠的吸力。吸盤由真空泵加單片機(jī)進(jìn)行控制。當(dāng)機(jī)器在墻壁上進(jìn)行攀爬 時(shí)，履帶保持不停轉(zhuǎn)動(dòng)，真空泵在單片機(jī)的控制下，控制履帶前端的吸盤的吸力逐漸變小， 在履帶后端的吸盤履帶的吸力逐漸變大，這樣，保證吸盤吸附和履帶移動(dòng)互不影響，同時(shí) 進(jìn)行。關(guān)于吸盤的設(shè)計(jì)：本作品吸盤使用真空式吸盤。真空吸盤又稱真空吊具或真空吸嘴。真空吸盤品種多樣， 橡膠制成的吸盤可在高溫下進(jìn)行操作，由硅橡膠制成的吸盤非常適于抓住表面粗糙的制品；由聚氨酯制成的吸盤則很耐用。另外，為避免制品的表面被劃傷，還可以選擇由丁腈橡膠 或硅橡膠制成的帶有波紋管

6、的吸盤。用戶可根據(jù)實(shí)際情況選擇吸盤的種類。真空吸盤的工作原理：首先將真空吸盤通過(guò)接管與真空設(shè)備（本作品選擇真空泵）接通,然后與待提升物接觸，起動(dòng)真空設(shè)備抽吸，使吸盤內(nèi)產(chǎn)生負(fù)氣壓，從而將待提升物吸牢，即可開始搬送待提升物。當(dāng)待提升物搬送到目的地時(shí)，平穩(wěn)地充氣進(jìn)真空吸盤內(nèi)，使真空吸盤內(nèi)由負(fù)氣壓變成零氣壓或稍 為正的氣壓，真空吸盤就脫離待提升物，從而完成了提升搬送重物的任務(wù)。真空吸盤的特點(diǎn)： 易使用。不管被吸物體是什么材料做的，只要能密封，不漏氣，均能使用。相比較而 言，電磁吸盤就不行，它只能用在磁性材料上。 無(wú)污染。真空吸盤特別環(huán)保，不會(huì)污染環(huán)境，沒(méi)有光、熱，電磁等產(chǎn)生。 不傷工件。真空吸盤由于是

7、橡膠材料所造，吸取或者放下工件不會(huì)對(duì)工件造成任何損傷。而掛鉤式吊具和鋼纜式吊具就不行。在一些行業(yè)，對(duì)工件表面的要求特別嚴(yán)格，他們 只能用真空吸盤。真空吸盤吸力計(jì)算：一個(gè)吸盤產(chǎn)生的吸附力:公式：x 1776 X 104式中：W-吸附力，NP-吸盤內(nèi)真空度(相對(duì)壓力)，PaA-吸盤的有效吸附面積，m3f-安全系數(shù)通常取吸盤的有效吸附面積為吸盤面積的80%左右，真空度取最大值的90%左右。安全系數(shù)隨使用條件而異。水平吸附時(shí)取f > 4，垂直吸附時(shí)取f> 8安全系數(shù)除上述條件之外，還應(yīng)該考慮以下因素：(1) 工作吸附表面的粗糙度。(2) 工作表面是否有油脂附著。(3) 工作移動(dòng)的加速度。(

8、4) 工作重心與吸附作用線是否重合。(5) 工件的材料。要根據(jù)實(shí)際情況再增加 1-2倍。根據(jù)本產(chǎn)品實(shí)際需要，我們選擇真空度最大值可達(dá)91%使用壓力為3MPa的真空發(fā)生器。由實(shí)際情況可知，本產(chǎn)品工作時(shí)一部分時(shí)間為水平吸附，一部分時(shí)間為垂直吸附，f取8,整體機(jī)身重取3Kg,有效吸附面積取吸盤面積的80%真空度取90%吸盤有效吸附面積取48mm2 g取9.8m/s2，將有關(guān)數(shù)據(jù)帶入公式可得需要同時(shí)起作用50個(gè)吸盤。而本產(chǎn)品為了保證安全性，同時(shí)起作用的真空吸盤數(shù)量是大于50個(gè)的。在同一墻面上攀爬時(shí)同時(shí)起作用吸盤可達(dá)到100個(gè)以上，在跨墻壁攀爬時(shí)，最小吸力情況下同時(shí)作用吸盤可達(dá)50個(gè)以上,既滿足的了對(duì)吸

9、力的要求又符合對(duì)經(jīng)濟(jì)性的要求。在機(jī)器爬至用戶指定位置之后，位于機(jī) 器腹部的固定吸附裝置會(huì)放下，固定吸附裝置上附有吸附材料，吸附材料貼緊天花板，為 機(jī)器提供吸附力，既可以提升整體機(jī)器的安全性，又減小了對(duì)履帶吸盤吸附能力的要求， 從而降低相關(guān)電機(jī)運(yùn)行的功率，提高了機(jī)器的續(xù)航能力。示意圖:腿固定吸附裝置 跨墻壁攀爬工作原理：當(dāng)傳感器感應(yīng)到機(jī)器需要跨越墻壁攀爬時(shí)，位于機(jī)器運(yùn)行前方的兩只機(jī)械臂抬起，跨越 至另外的墻壁上時(shí)，履帶轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)機(jī)器向前運(yùn)動(dòng)，吸附穩(wěn)定之后，機(jī)器后方兩只機(jī)器臂 在抬起，離開原墻壁，跨越至新墻壁，吸附穩(wěn)定后，即完成跨越墻壁攀爬的動(dòng)作。運(yùn)用四 只機(jī)械臂來(lái)完成跨越墻壁的動(dòng)作，機(jī)器可運(yùn)行穩(wěn)

10、定，且前進(jìn)，后退，轉(zhuǎn)彎均可，動(dòng)作靈活。2懸掛橫幅系統(tǒng)工作原理在機(jī)器的左右耳上各裝有兩個(gè)伸縮桿。伸縮桿由單片機(jī)和電機(jī)控制。用戶通過(guò)單片機(jī)控 制電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)和電機(jī)相連的齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪和一齒條相嚙合，齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使齒 條向前向后運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)伸縮桿向前，向后運(yùn)動(dòng)。在最內(nèi)層的桿子上裝有掛鉤，方便用 戶懸掛橫幅或彩帶。示意圖：3.控制系統(tǒng)工作原理綜合考慮控制距離遠(yuǎn)近，控制方法，控制效果之后，我們決定運(yùn)用單片機(jī)為主要控制元件，再為單片機(jī)加上通信接口，聯(lián)通手柄，提供給用戶使用。其中手柄右上方紅色指示燈 為工作指示燈，工作時(shí)，指示燈亮起。主界面的上下左右按鍵分別控制機(jī)械的上下左右運(yùn)動(dòng)。當(dāng)機(jī)器運(yùn)行到用戶滿

11、意的地點(diǎn)時(shí)，按下0K按鍵，機(jī)器將吸附在該位置。手柄兩側(cè)的OUT,IN按鍵用來(lái)控制安裝在機(jī)器上的伸縮桿的伸出和縮入。特點(diǎn)：1. 控制穩(wěn)定，可靠，且功耗低，成本也相對(duì)較小。2. 為單片機(jī)加上通信接口后，單片機(jī)可和手柄進(jìn)行交互，即用戶可通過(guò)手柄控制機(jī)器運(yùn)行。3. 操作簡(jiǎn)單，易上手?？刂葡到y(tǒng)主要部件如圖所示：?jiǎn)纹瑱C(jī)：1213手柄:#機(jī)器聞下4. 供電系統(tǒng)工作原理機(jī)器的供電系統(tǒng)是為機(jī)器上所有系統(tǒng)提供能源的系統(tǒng)，通常小型或微型機(jī)器人采用直流 電源作為電源。在充分考慮到本作品的體積，尺寸，重量，使用時(shí)間，電機(jī)等主要耗能元 件數(shù)量等的限制后，我們決定使用鋰電池作為供電系統(tǒng)的主要部件。本產(chǎn)品內(nèi)安裝兩個(gè)鋰 電池，

12、一個(gè)安裝在箱體內(nèi)，為機(jī)器整體運(yùn)動(dòng)提供電能，另一個(gè)安裝在機(jī)器內(nèi)部的托盤底部, 專門為功能系統(tǒng)提供電能。鋰電池特點(diǎn): 具有相對(duì)于其他種類電池更高的能量重量比，能量體積比。 電壓相對(duì)較高。 自放電小，可長(zhǎng)時(shí)間存放。 鋰電池內(nèi)不含諸如鎘，鉛，汞之類有害金屬，無(wú)污染。 循環(huán)壽命高，在正常條件下，鋰電池充放電周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他種類電池。 電池在充放電循環(huán)過(guò)程中，無(wú)電池容量減少的現(xiàn)象。 充電快速，方便。鋰電池如圖所示：5. 傳感器系統(tǒng)工作原理在充分考慮到成本，精度，距離等問(wèn)題后，我們決定使用微型紅外線測(cè)距傳感器和微型 光電傳感器。微型紅外線測(cè)距傳感器工作原理：紅外測(cè)距傳感器具有一對(duì)紅外信號(hào)發(fā)射與接收二極管，利

13、用的紅外測(cè)距傳感器（例如 LDM301型等）發(fā)射出一束紅外光，在照射到物體后形成一個(gè)反射的過(guò)程，反射到傳感器后 接收信號(hào)，然后利用 CCD圖像處理接收發(fā)射與接收的時(shí)間差的數(shù)據(jù)。經(jīng)信號(hào)處理器處理后 計(jì)算出物體的距離。運(yùn)用其工作原理，機(jī)器在墻壁上爬行時(shí)，持續(xù)檢測(cè)自身和墻壁的距離， 發(fā)現(xiàn)和墻壁的距離很近時(shí)，將信息反饋到控制系統(tǒng)單片機(jī)中，由單片機(jī)發(fā)出指令控制機(jī)器 各項(xiàng)部件，自動(dòng)完成跨墻壁攀爬動(dòng)作。特點(diǎn)：首先，其可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)量，在無(wú)反光板和反射率低的情況下也可以測(cè)量較遠(yuǎn)的距離。且有同步輸入端，可多個(gè)傳感器同步測(cè)量。測(cè)量范圍廣，響應(yīng)時(shí)間短。另外，其外形設(shè)計(jì) 緊湊，價(jià)格便宜，易于安裝，便于操作。微型紅外傳

14、感器如圖所示：微型光電傳感器工作原理:光電傳感器在一般情況下，有三部分構(gòu)成，它們分別是：發(fā)送器，接收器和檢測(cè)電路。發(fā)送器對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射光束，發(fā)射的光束一般來(lái)源與半導(dǎo)體光源，發(fā)光二極管，激光二極 管及紅外發(fā)射二極管。光束不間斷地發(fā)射，或者改變脈沖寬度。接收器有光電二極管，光 電三極管，光電池組成。在接收器的前面，裝有光學(xué)元件如透鏡和光圈等。在其后面時(shí)檢 修電路，它能濾出有效信號(hào)和應(yīng)用該信號(hào)。運(yùn)用其工作原理，在機(jī)器懸掛橫幅時(shí)，一端機(jī) 器會(huì)發(fā)出光信號(hào)，機(jī)器發(fā)出信號(hào)的一端稱為A面，另一端機(jī)器在相同位置會(huì)有光信號(hào)接收器，機(jī)器接收信號(hào)的一端稱為B面，當(dāng)一機(jī)器從橫幅一端發(fā)出的信號(hào)被在橫幅另一端的機(jī)器接收時(shí)，說(shuō)

15、明兩機(jī)器處于同一高度，橫幅呈水平掛置。特點(diǎn)：檢測(cè)距離長(zhǎng)，對(duì)檢測(cè)物體的限制少，且由于光本身為高速，傳感器的電路都由電子零件 構(gòu)成，所以響應(yīng)時(shí)間短，分辨率高，可對(duì)微小物體的位置進(jìn)行高精度檢測(cè)，且為非接觸式 檢測(cè)，也便于調(diào)整。微型光電傳感器如圖所示：6. 電機(jī)系統(tǒng)工作原理：在本作品上，有驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)，有控制伸縮桿伸縮的電機(jī)等各種用途的電機(jī)數(shù) 十個(gè)。電機(jī)系統(tǒng)在是驅(qū)動(dòng)機(jī)械產(chǎn)品的核心系統(tǒng)。鑒于本產(chǎn)品外形微小，且要方便掌握機(jī)器 行進(jìn)的距離，所以使用小型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等類型電機(jī)來(lái)完成主要驅(qū)動(dòng)任務(wù)。步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)： 由于每步的精度在百分之三到百分之五，而且不會(huì)將一步的誤差積累到下一步因而有 較好的位置精度和

16、運(yùn)動(dòng)的重復(fù)性。 優(yōu)秀的起停和反轉(zhuǎn)響應(yīng)。 由于沒(méi)有電刷，可靠性較高，因此電機(jī)的壽命僅僅取決于軸承的壽命。 電機(jī)的響應(yīng)僅由數(shù)字輸入脈沖確定，因而可以采用開環(huán)控制，這使得電機(jī)的結(jié)構(gòu)可以 比較簡(jiǎn)單而且控制成本。 僅僅將負(fù)載直接連接到電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上也可以極低速的同步旋轉(zhuǎn)。 由于速度正比于脈沖頻率，因而有比較寬的轉(zhuǎn)速范圍。產(chǎn)品上所用電動(dòng)機(jī)示意圖：7.功能系統(tǒng)工作原理:本作品將用于實(shí)現(xiàn)功能的主要部件集成在一塊托板上，而托板不用時(shí)，為收縮在箱體內(nèi)部的狀態(tài)，等需要機(jī)器實(shí)現(xiàn)功能時(shí)，托板經(jīng)放置在箱體底部的錐齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)伸出箱體。主要功能部件控制托板升起，降落的錐齒輪機(jī)構(gòu)五，作品主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)1. 本作品既可在各種粗糙度不

17、同的墻壁上自由攀爬，能滿足各種聚會(huì)場(chǎng)合的需要。2. 可實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的跨墻壁攀爬。3. 運(yùn)用獨(dú)特的履帶式爬墻壁方式，既保證了攀爬的速度，又保證了攀爬的穩(wěn)定性。4. 體積小，功耗低，成本可控，且運(yùn)行時(shí)進(jìn)行了噪音控制，無(wú)明顯噪音。5. 預(yù)留用戶功能接口，用戶可根據(jù)實(shí)際情況加裝具體功能用具，真正達(dá)到“一機(jī)多用”的 “多功能化”要求。6. 加裝單片機(jī)，為用戶提供方便的控制方式，運(yùn)用現(xiàn)代傳感器控制技術(shù)，大大提高了產(chǎn)品 的自動(dòng)化程度。7. 機(jī)構(gòu)拆裝方便，在平時(shí)機(jī)器不同時(shí)，可將攀爬機(jī)構(gòu)卸下，在漏出的機(jī)械臂接口處塞上防 塵塞，輕松對(duì)機(jī)械進(jìn)行防護(hù)和保養(yǎng)。六，作品市場(chǎng)潛在價(jià)值隨著中國(guó)社會(huì)的高速發(fā)展，溝通和交流成為不可缺

18、少的社會(huì)活動(dòng)。而聚會(huì)作為承載溝通 和交流的媒介，已發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。想要舉辦一次成功的聚會(huì)，會(huì)場(chǎng)的布置至關(guān) 重要。我們認(rèn)為，現(xiàn)代聚會(huì)的會(huì)場(chǎng)布置要滿足：布置快速，布置安全，布置精美三大要求。 而我們?cè)O(shè)計(jì)的聚會(huì)用快速布場(chǎng)機(jī)器人正是為了達(dá)到這種要求而誕生的。聚會(huì)用快速布場(chǎng)機(jī)器人布場(chǎng)迅速，美觀，安全，用戶還可根據(jù)具體需要啟動(dòng)輔助布場(chǎng)模 式，隨時(shí)隨地提供給用戶一個(gè)滿意的聚會(huì)場(chǎng)所。本作品實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化生產(chǎn)后，可以各大高校，行政機(jī)構(gòu)等聚會(huì)發(fā)生密集區(qū)為主要市場(chǎng)，一 般要布置一個(gè)中等大小的會(huì)場(chǎng)需產(chǎn)品10個(gè)左右，由于產(chǎn)品體積小，操作簡(jiǎn)單，且易于儲(chǔ)存安放，一般單位為實(shí)現(xiàn)日常會(huì)場(chǎng)布置任務(wù)可購(gòu)置百臺(tái)左右，由此可見，產(chǎn)品市場(chǎng)缺口巨大， 潛在商機(jī)無(wú)限。七，參考文獻(xiàn)1.孫志禮，冷興聚，魏嚴(yán)剛等主編，機(jī)械設(shè)計(jì)沈陽(yáng)：東北大學(xué)出版社20002哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研組編.理論力學(xué).北京：高等教育出版社19933. 孫恒，陳作模主編機(jī)械原理.北京：高等教育出版社20004.