氣動爬繩機器人的研究

XX建筑工程學院畢業(yè)設計論文.第2頁.摘要本文提出了一種以氣壓驅動的蠕動爬繩機器人的設計方案,該方案以氣缸的運動帶動機器人夾持機構實現對繩索的夾緊。然后通過爬升氣缸的收縮和伸長來實現機器人的爬升動作。系統(tǒng)控制部分采用AT89S52單片機為控制核心,為了方便對機器人的控制,通過無線遙控模塊對機器人的運動狀態(tài)進行遙控。關鍵詞：爬繩；蠕動；機器人ABSTRACTThepaperpresentsadesignschemeofrobotwhichisdrivenbygas.Inthisscheme,,thecrankstructureisdrivenbythepistonclutchestherope.Twocrankstructureareapproachedbyalatexdriver,whichcanfelxunderpressure.Whenthecrankstructureandlatexdriveroperatetogether,robotcansquirmsupanddown.TheMCUAT89s52isusedasthecoreofthecontrolsystem.Inordertocontroltheproposedrobotconveniently,Telecommoduleisappliedtooperateitskinematicstate.Keywords:Climbing-rope;Peristalsis;robot目錄摘要…………………………IABSTRACT……………………II1緒論………………………11.1機器人發(fā)展狀況…………………11.2機器人的應用……………………11.3課題背景和研究意義……………21.4本課題的發(fā)展狀況………………31.5本課題要求完成的工作…………42總體設計…………………62.1爬行器的功能分析………………62.2爬行器總體構成設計……………62.3系統(tǒng)的工作原理和控制原理……………………72.3.1系統(tǒng)工作步驟說明………72.3.2系統(tǒng)的氣動控制原理……………………83機械結構設計……………93.1機械機構總體布置說明…………93.2各部件的設計計算………………93.2.1爬行器上下面板的選擇和布置…………93.2.2連接螺栓的設計計算……………………103.2.3爬行器的重量計算………104氣動系統(tǒng)設計…………124.1氣動系統(tǒng)的選擇計算…………124.2氣動系統(tǒng)的選擇計算…………124.3夾緊氣缸力學分析……………135控制系統(tǒng)部分…………165.1控制系統(tǒng)方案說明……………165.2AT89S52單片機………………165.3單片機驅動部分………………195.4無線數據收發(fā)模塊功能介紹…………………195.4.1無線數據收發(fā)模塊電路圖……………195.4.2程序流程圖……………235.5傳感器的選擇和試驗…………24結論………………………25參考文獻…………………26致謝………………………27附錄………………………281.緒論1.1機器人發(fā)展狀況隨著現代工業(yè)的蓬勃發(fā)展,特別是進入二十世紀以來微電子技術的飛速發(fā)展使得機器人技術也有了長足的發(fā)展。在工業(yè)生產中,軍工中越來越廣泛的使用機器人來替代人的工作,這樣不但提高了工業(yè)生產的效率而且機器人把人從一些比較惡劣的工作環(huán)境中解脫出來,改善了人們的工作環(huán)境。在航天工業(yè)中機器人更是發(fā)揮著不可替代的作用,給人類探索宇宙做出了巨大貢獻。機器人的使用水平是一個國家工業(yè)化發(fā)展的水平的一個標志。在我國實現全自動化生產線的企業(yè)還很少,但是機器人自動化生產線在西方一些國家早已經普及,所以生產效率大大提高從而經濟得到了迅猛發(fā)展。機器人的歷史并不算長,1959年美國英格伯格和德沃爾制造出世界上第一臺工業(yè)機器人,機器人的歷史才真正開始。近百年來發(fā)展起來的機器人,大致經歷了三個成長階段第一代機器人屬于示教再現型,即人手把著機械手,把應當完成的任務做一遍,或者人用"示教控制盒"發(fā)出指令,讓機器人的機械手臂運動,一步步完成它應當完成的各個動作。20世紀70年代,第二代機器人開始有了較大發(fā)展,第二代機器人則對外界環(huán)境實用階段,并開始普及。第三代機器人是智能機器人,它不僅具有感覺能力,而且還具有獨立判斷和行動的能力,并具有記憶、推理和決策的能力,因而能夠完成更加復雜的動作。1.2機器人的應用當前國際機器人界都在加大科研力度,進行機器人共性技術的研究,并朝著智能化和多樣化方向發(fā)展。主要研究內容集中在以下幾個方面：一工業(yè)機器人操作機結構的優(yōu)化設計技術：探索新的高強度輕質材料,進一步提高負載/自重比,同時機構向著模塊化、可重構方向發(fā)展。二機器人控制技術：重點研究開放式,模塊化控制系統(tǒng),人機界面更加友好,語言、圖形編程界面正在研制之中。機器人控制器的標準化和網絡化,以及基于PC機網絡式控制器已成為研究熱點。編程技術除進一步提高在線編程的可操作性之外,離線編程的實用化將成為研究重點。三多傳感系統(tǒng)：為進一步提高機器人的智能和適應性,多種傳感器的使用是其問題解決的關鍵。其研究熱點在于有效可行的多傳感器融合算法,特別是在非線性及非平穩(wěn)、非正態(tài)分布的情形下的多傳感器融合算法。另一問題就是傳感系統(tǒng)的實用化。四機器人的結構靈巧,控制系統(tǒng)愈來愈小,二者正朝著一體化方向發(fā)展。五機器人遙控及監(jiān)控技術,機器人半自主和自主技術,多機器人和操作者之間的協(xié)調控制,通過網絡建立大范圍內的機器人遙控系統(tǒng),在有時延的情況下,建立預先顯示進行遙控等。多智能體〔multi-agent調控制技術：這是目前機器人研究的一個嶄新領域。主要對多智能體的群體體系結構、相互間的通信與磋商機理,感知與學習方法,建模和規(guī)劃、群體行為控制等方面進行研究。智能機器人是具有感知、思維和行動功能的機器,是機構學、自動控制、計算機、人工智能、光電技術、傳感技術、通訊技術、仿真技術等多種學科和技術的綜合成果。智能機器人做為新一代生產和服務工具,在制造領域和非制造領域占有更廣泛、更重要的位置,這對人類開辟新的產業(yè),提高生產與生活水平具有十分現實的意義。1.3課題背景和研究意義近幾年來,鎖著我國國民經濟的發(fā)展,高層建筑日益發(fā)展,公路運輸,特別是橋梁的發(fā)展很快。其中一種極富想象力的橋梁結構形式—斜拉橋,由于具有許多優(yōu)越性能,在近年來脫穎爾出,得到了廣泛的推廣和使用。據不完全統(tǒng)計,僅1995年我國就建造了40余座,近幾年更是形成高潮。在我們的城市XX,也先后在黃河上矗立起了黃河大橋和二橋等斜拉橋。這些大橋的建設,很好地推動了國民經濟的發(fā)展目前對這種斜拉橋拉索的施工示意圖如圖1.1所示圖1.1目前斜拉橋維護的施工方式在這種橋梁機構中,拉索是其主要的受力構件,也是核心部件。繩索地施工作業(yè)成為斜拉橋橋梁工程的主要內容,其中拉索的涂裝等作業(yè)的施工質量對保證橋梁的安全和使用壽命乃至橋梁的外觀都是十分重要的。它可以是大橋纜索免遭因長期日曬雨淋而銹蝕斷裂,又可以是雄偉的外觀得以美化,展現其現代化橋梁的魅力,在實用的基礎上增加旅游資源。在對拉索的施工作業(yè)包括日常檢修維護中,目前國內缺乏一種能夠在斜拉橋拉索上自行爬行運載人員和各種作業(yè)用機械的爬行器,因此在拉索上進行各種作業(yè)的難度大、安全性差難以提高施工質量和施工效率。另外,在斜拉橋拉索的日常維護以及意外情況的處理中,也急需一種能夠驗拉鎖負重爬行運載人員和物品的使用爬行器。研制這樣的斜拉橋拉索作業(yè)用負重爬行器不僅是目前斜拉橋施工和日常維護所急需,同時對于開拓我國施工現場實際應用的高空自動升降做作業(yè)設備也有著重要意義。此外,隨著我國城鎮(zhèn)人口的增加,城市中高層建筑得到了迅速的發(fā)展,高層建筑已經越來越的出現在我們的視線中,它們已經成為我們城市中得一道亮麗的風景線,隨著高層建筑的發(fā)展,也產生了許多問題。其玻璃幕墻表面的清理、表面瓷磚的噴涂,以及一些表面的維護也擺到了人們的面前,目前解決這問題大多靠人工方式,人們坐在高層垂下的繩索上,靠手工擦洗表面,也就是人們俗稱得"蜘蛛人",這種靠人工的方法安全性差,成本高,勞動強度大,工作效率低,所以研究驗繩索方向運動地爬行器,來對繩索懸索以及高空管道的的噴涂、清洗、檢修,有著極為廣泛的應用情景和市場潛力。它可以有效地提高高空操作施工的質量和安全性,并大大減輕了施工人員的勞動強度,更好地為我們的經濟服務。最后,我國教學用品的發(fā)展及其迅速,隨著大學學生的擴招,教學用具的使用也會越來越多,但相應的,對于很重要的一門科目—機電一體化來說,卻缺少一種典型的示教工具,作為最典型的機電一體化產品--機器人就現狀來說,成本高,功能較少,很多機器人做完一次試驗就會很長時間的閑置起來,造成了極大的浪費,而我們可以將該爬升器作為典型的機電一體化產品來用于教學,這樣就會貼近學生,貼近相關專業(yè)。故該氣動爬升器的研制可以更好填補教育市場的空白,有著很好的經濟效應和社會效應。1.4本課題的發(fā)展狀況通過對該課題的國內外相關論文的研究,總結出目前對生纜爬升器的一些特點1.利用齒輪互相咬合夾緊繩索攀爬圖1.2齒輪嚙合爬繩器以下為設計的幾個重點：〔１Ａ點跟Ｂ點都是齒輪,但是功能除了互相咬合帶動整個機構上升外,最重要的是其兩個軸心,繩子爬升所需的摩擦力就是來自于這兩個軸的,但是在跟機器人的機器手臂相比之下夾力可能稍嫌不足,但是齒輪必須咬合不能松脫所以整個重點就在于軸心部分的調校,將考慮設計為可以調整大小的軸心〔２另外要說的是Ｄ點,這個點是一個卡鎖,設計的重點也是在于如何使齒輪可以緊緊的夾住繩子,并且可以視繩子的粗細予以調整〔３然后最重要的就是Ｃ點了,當夾劇都設計完成整個機構是否上升的動力就來自整個機構的馬達,跟機器人比較之下機器人的動力來自整個設計桿子的收縮,而我們的機構則是直接將馬達連接上齒輪用鏈條或皮帶驅動,當然為了有更大的輸出功率整個馬達轉速不能太快而且整個機構的重量也是如何選擇這顆馬達的主要考量,至少在傳動之后的公必須足以支撐整個機構上升所以在選擇材料上要考慮一下２．用通電的方式然后搭配傳感器跟夾具,但是這個方法所需要可以支撐整個機構上升的電流很大,雖然可以考慮使用放大器但畢竟不保險,因為所需要的電流很大,但是電磁感應的技術是一個值得另外思考的方法,另外就是要在夾具上作選擇３．運用馬達直接把繩子卷起來〔1直接設計將繩子繞一個符合馬達大小的圓圈,將馬達安至于其中使整個馬達順此圓圈線段爬升〔2利用電磁感應所產生的吸力跟斥力使機構上升下降,藉由通過螺旋管所產生的磁力將整個機構往上推,更進一步的改變電流的方向可以改變整個機構移動的方向。此設計的一個重點在于下圖的防滑機構：圖1.3防滑裝置此防滑機構原理為當繩子平順移動時兩邊的滾珠會平順的轉動,可是假如有忽然間掉落的情形時瞬間產生的速度將迫使?jié)L珠與繩子及兩邊夾的更緊以達到固定只滑的效果,此原理同安全帶。1.5本課題要求完成的工作綜合以上國內外爬升機器人的技術發(fā)展現狀和出于實用上的考慮,所設計的爬行器要求能在繩索方向上爬行,而且要承受一部分的載荷,包括爬繩器自重、施工設備繩索與地面呈90度,爬行器還應該可以采用多種操縱控制方式和運動方式,具有一定的爬行速度,爬行器運行適應不能破壞繩索的表面,即對其最大平均壓強有著嚴格的限制,同時還要求爬行器具有重量輕、結構緊湊,便于演示和示教,從而應用于教學演示,小規(guī)模施工作業(yè)中。本題目的設計工作內容為：研制一臺能自動爬桿的機器人。要求對其機構設計和動力進行計算機構設計、機構運動。機器人的設計部分包括：運動學、動力計算等。具體內容為：1、機器人的總體方案設計；2、機器人夾持機構及其控制系統(tǒng)的設計,折合A1的手工繪圖2張；3、機器人爬升機構設計；4、進行單片機控制系統(tǒng)設計；5、完成全部系統(tǒng)的安裝調試工作該機器人的設計規(guī)格為：1、可搬運重量：最大2Kg；2、爬行速度大約為4m/min；3、動力部件為氣缸,爬升氣缸行程大于30cm；2總體設計2.1爬行器的功能分析爬行器的主要功能是能夠自行再拉索上負重爬行,為此爬行起必須能夠獲得足夠的沿拉索方向的牽引力和動力裝置。作為一種承載式自動爬行裝置,其上升與下降運動為直線運動,該裝置的主運動和輔助運動都宜采用直線運動,因此設計采用具有循環(huán)往復運動特點的油缸或氣缸較為有利。這樣,既利于獲得連續(xù)或單步兩種爬升方式,又可以方便地進行手動、自動遙控操縱。但由于爬行器在繩索上最大的爬升高度為10米,如果采用液壓傳動作為動力,油液的傳送、油管的布置和現場施工中液壓有的獲得都是難以解決的問題,此外,液壓有的中量也會對爬行器整體重量產生巨大影響。所以,根據爬行器功能要求,本設計確定采用氣壓傳動作為爬行器動力,完全可以滿足最大荷重2kg要求,也有利于使爬行器自重控制在范圍內,同時氣源又可以滿足清洗、噴涂等作業(yè)的用氣需要。出于工作效率上的考慮,爬行速度對上行要求達到4m/min,下行時要達到5m/min,其速度可以手動設定,故設計確定采用單片機。它的特點體現在體積小,重量輕,成本低,變成簡單,容易掌握。配合安裝與氣缸上進行行程控制的電磁閥可以很容易地實現爬行器運動控制要求。爬行器要求自動進行上、下運動,運動時要求能夠支撐與重力方向,因此爬行器軸向力獲得以及如何穩(wěn)定沿拉索移動而不會倒退時一個關鍵問題。設計考慮利用氣缸所產生的壓力從而克服重力來實現爬行動作。同時考慮爬行器不能脫離繩索,故必須設計以夾緊裝置,本設計通過兩組對稱布置的加緊錨片,這樣可以使錨片對繩索的徑向力互相抵消,不會造成對繩索的附加載荷,較之采用其他結構類型也減少對繩索的磨損。爬行器錨片具有兩片對稱的夾具組成,錨片對稱布置,工作是類似鉗子夾在繩索上,動力靠兩組對稱的薄壁氣缸提供,該結構可以實現錨片的往復運動,從而實現對繩索加緊和松開。伸縮機構可以與之配合運動,從而使該爬升機構可以無障礙的沿繩索上升,下降,從而完成爬升的動作。因為沿繩索爬行的特殊性,其應急的安全措施必不可少,在斷電,斷氣等故障下故本設計設計一手動制動器,使手動制動器以繩索之間摩擦緩慢下滑。該爬行器制成可以套在繩索的機構,為避免對繩索形成附加載荷,選擇左右對稱式布置,使爬行其實力均衡,運動可靠穩(wěn)定,爬行器設有連接件,可以轉載一部分負重物,已完成其他功能之用。2.2爬行器總體構成設計根據爬行器的構成和功能以及所要實現的工作要求,總結以上分析,可以歸納出爬行器有以下特點：<1>采用氣動傳動,可以為爬行器動力。<2>錨具與繩索接觸應力小,不致破壞繩索的表面涂層。<3>氣動回路從設計上保證上、下加緊氣缸在任何時候都至少有一個保持加緊狀態(tài)。<4>爬行器采用現場部件拆裝方式,便于運輸和攜帶。<5>采用計算機控制,可自動連續(xù)爬行或單步爬行,操作十分方便。<6>自身重量盡可能的小使爬行更加方便。由以上所列出的爬行器的主要特點,構思出爬行器總體設計如圖2.1所示在該結構中,爬行器由左右伸縮氣缸A1和A2以及與之相連的上體及下體組成。爬行器上體由上體架,加緊錨具組成,下體由下體架及架緊錨具組成上、下體架由硬鋁充當,可以充分的減輕自身重量。錨具是由兩片對稱布置并由氣缸作為動力的薄壁氣缸組成,錨片內側帶非金屬材料聚氨酯襯墊,以減少對繩索的損傷。聚氨酯襯墊和錨片通過膠水與錨片粘結,錨片與聚氨酯之間應保持聯(lián)結良好,不發(fā)生相對滑移。否則影響加緊性能。錨具的夾緊氣缸通過螺栓與上、下體板聯(lián)結再伸縮氣缸運動時可以隨其聯(lián)動。伸縮氣缸是本裝置的主動力裝置,圖2.1氣動爬繩器人通過主氣缸的伸縮使爬行器的上體和下體發(fā)生相對運動,并借助上下錨具的加緊實現爬升器的上行或下行。2.3系統(tǒng)的工作原理和控制原理系統(tǒng)工作步驟說明根據上述爬行其總體結構與部件設計要實現爬行器的上升、下降,擬定將系統(tǒng)運動分解成以下的工作步驟。氣動上行工作過程：爬行器正常上行工作時,系統(tǒng)中部件的運動狀態(tài)由單片機通過電磁閥調節(jié),其工作過程如下：〔1下面錨具氣缸伸出,下錨具夾緊,上面錨具氣缸回縮,上錨具松開,左右主氣缸桿伸出,爬行器上體上行。〔2上面錨具氣缸伸出,上錨具夾緊,下面錨具氣缸回縮,下錨具松開,左右主氣缸桿回縮〔氣缸體伸出,爬行器下體上行。重復以上動作氣動下行工作過程爬行器正常下行工作時,系統(tǒng)中部件的運動狀態(tài)由單片機通過電磁閥調節(jié),其工作過程如下：〔1上面錨具氣缸伸出,上錨具夾緊,下面錨具氣缸回縮,下錨具松開,左右主氣缸桿伸出〔氣缸體伸出,爬行器下體下行。 〔2下面錨具氣缸伸出,下錨具夾緊,上面錨具氣缸回縮,上錨具松開,左右主氣缸桿回縮,爬行器上體下行重復以上動作┉系統(tǒng)的氣動控制原理根據以上特點分析和工作步驟分析,本裝置氣動控制系統(tǒng)如圖2.2所示,整個氣動控制系統(tǒng)有三個回路組成,它們并聯(lián)結在氣動主回路上與地面氣源相連。這三個回路包括主氣缸回路和上下脫錨氣缸回路。電磁閥由單片機編程控制,實現系統(tǒng)的連續(xù)或單步爬行動作,配合安裝于氣缸上的進行氣缸行程精確控制的傳感器,可以很容易地實現爬行器運動控制要求。主氣缸回路、上脫錨氣缸回路、下脫錨氣缸回路作為三個并聯(lián)的回路由地面氣源供氣,其運動各自獨立,互不干涉。系統(tǒng)有無線遙控操作,可以方便的在不同場合運動。圖2.2氣動控制系統(tǒng)3機械結構設計3.1機械機構總體布置說明爬行器機械部分的結構參見各零件圖,其中包括爬行器上體〔上頂板,爬行器下體〔下底板,上下錨具、錨具支架、豎直導桿、豎直導筒、平行導桿等,還有起降低磨損作用的聚四氟乙烯襯墊的?？傮w布置圖反映了機械結構個部件的裝配情況和位置關系,可以粗略的表達爬行器工作過程中地運動特點和操作控制方式。爬行器機械機構整體可以方便的套在繩索上〔改進可選用剖分式,為此,爬行器的上下體之間用套筒和導桿相配合,并用螺紋于上下板固定,能取得良好的導向作用。由于爬行器在繩索上爬行和夾緊,對繩索的表面有一定的磨損,為減少該磨損,在錨具的內側與繩索接觸面上,安裝一塊聚四氟乙烯襯墊,聚四氟乙烯強度大而剛度小,襯墊與內側用膠水粘結,并且在配合面上都制成階梯槽,防止脫落。聚四氟乙烯具有良好的滑動、耐磨性以及摩擦系數很低的特點,是極好的滋潤滑材料,用來降低錨具對繩索表面的磨損破壞。為使對襯的錨具在夾持時不發(fā)生側向移動,故在錨具與支架之間加入水平導桿,能起到良好的導向作用。為了盡可能地減輕重量更好的爬升,上下體均采用密度較小的硬鋁作為材料,作為爬行七個部件的安裝及固定支架。爬行器以上的機械機構在控制系統(tǒng)的協(xié)調控制之下實現爬行器的各種運動方式和功能。3.2各部件的設計計算機械部件的設計計算包括：爬行器上下面板的選擇和布置；連接螺栓的選用和計算；脫錨機構支架的設計計算；整體結構支架的重量估算。爬行器上下面板的選擇和布置爬行器上下面板的材料為硬鋁,其具體結構參見爬行器的零件圖,其機械特能是：爬行器的上下面板通過M8和M20螺母分別與氣缸桿以及缸體外連接。爬行器上下板之間靠導筒與導桿之間的配合來導向,以避免由于氣缸的筒側推力而產生的附加彎矩,使爬行器受力不均勻從而造成工作時不穩(wěn)定和載荷沖擊。為考慮重量,故采用硬鋁LY12,LY12應用最早的一種標準硬鋁,有中等強度,可熱處理強化,在淬火和自然淬火下使用,電焊行良好,氣焊及氬弧焊時有裂紋傾向熱態(tài)下可塑性尚好,切削加工型在淬火時效下尚好,耐蝕性不高,用作各種要求中等強度的零件和構件、沖壓的連接構件、空氣螺旋槳葉片、局部鐓粗的零件〔如螺栓,螺釘。考慮到鋁的耐磨性差,故需要度一層鋅。爬行器錨具與錨具氣缸之間靠水平導趕來導向,防止由于氣缸產生的扭轉而產生的扭矩,采用兩導桿來保持器行走過程的方向一致。同樣,為考慮整個部件的整體重量和耐磨性差,故需要度一層鋅。連接螺栓的設計計算根據爬行器的總裝配圖,各部件采用螺栓固定在爬行器的上下板上。其中各部件上受到的載荷以及螺栓的個數和尺寸大小選擇受力情況較不利的三種情況進行較核驗算。1.上下錨具座與爬行器的上下板相連的四個螺栓參見爬行器的總裝配圖,根據設計可知,上下錨具座與爬行器上下面板連接的四個螺栓大小為M8。驗算螺栓強度：螺栓承受剪切力,其大小為爬行器所受錨具氣缸沖擊力F=N;螺栓的剪切面積是S=π/4.d.d=3.14/4*8*8=50.24τ=F/4S=19782/4/50.24=98.4<[τ]=100MPa故螺栓強度驗算合格。2.主氣缸與上下面板連接的四個螺栓參見爬行器的總裝配圖,根據設計可知,上下錨具座與爬行器上下面板連接的四個螺栓的型號大小為M8和M20。螺栓承受垂直方向的拉伸力,其大小為爬行器所受錨具氣缸沖擊力F=15892N;螺栓的剪切面積是τ=F/4S=63<[τ]=100MPa故螺栓強度驗算合格。螺栓承受垂直方向的拉伸力,其大小為爬行器所=受錨具氣缸沖擊力F=15892N;螺栓的剪切面積是τ=F/4S=19782/4/50.24=98.4<[τ]=100MPa故螺栓強度驗算合格。3.錨具氣缸與氣缸支架的四個螺栓參見爬行器的總裝配圖,根據設計可知,上下錨具座與爬行器上下面板連接的四個螺栓的型號大小為M6。螺栓承受垂直方向的拉伸力,其大小為爬行器所受錨具氣缸沖擊力F=15982N;螺栓的剪切面積是=50.24τ=F/4S=19782/4/50.24=98.4<[τ]=100MPa故螺栓強度驗算合格。爬行器的重量估算根據爬行器結構的選擇,由表可以查的各個零件的質量：錨具支架理論重量2*0.08028*9.8上頂板的理論重量0.53799*9.8下底板的理論重量0.55530*9.8豎直導桿的理論重量0.05489*4*9.8豎直導筒的理論重量4*0.01764*9.8水平導桿的理論重量0.01225*4*9.8支架的總質量為M=2*0.08+0.5+0.6+0.05*4+0.01*4+0.01*4=1.54Kg總之,所設計的部件能達到了輕便、成本低、便于攜帶等特點,為機器人的動作實現提供了有利的條件。4氣動系統(tǒng)設計4.1氣動傳動的特點根據爬行器的結構特點和使用要求,本設計采用氣壓傳動作為爬行力的動力。氣動系統(tǒng)的政設計在第二章做了介紹,其原理圖見2.2圖。作為一種比較典型的傳動方式,氣壓傳動由以下特點：氣壓傳動的關鍵是壓縮空氣,它以空氣為介質,工作介質表較容易獲得,使用后空氣排到大氣中,處理方便,與液壓傳動相比,不必設置回收油液的油箱和管道,整體結構緊湊、簡單；因為空氣的粘度很小,損失很少,便于集中供氣和遠距離輸送,外泄漏不會像液壓傳動那樣嚴重污染環(huán)境；與液壓傳動相比,氣動動作迅速,反應快,維護簡單,工作介質清潔不存在介質變質等問題；氣壓傳動工作環(huán)境適應性好,可以在而列環(huán)境中工作,比其他控制方式優(yōu)越；氣動的成本較低,過載能自動保護。4.2氣動系統(tǒng)的選擇計算氣壓傳動各參數的確定：爬行器自重為最大為15.4N,載重重量為20N,由于采用雙主氣缸對稱布置以減少附加載荷,所以每一個承載主氣缸最大承重17.7N。設氣缸工作氣壓值為0.63Mpa,則每一個主氣缸所需內徑至少是：<4.1>mm。初選主氣缸內徑為,或塞桿直徑為〔參照氣缸內徑推薦系列值,根據爬行器的上升和下降速度〔上升速度：,選擇主氣缸行程為。由生產廠家提供的產品樣本挑選一種合適的氣缸類型為PKIA20-50S,主氣缸采用兩端固定的方式安裝到爬行器的上下板上。標準大氣壓P0=1.013×Pa氣缸工作壓力P=0.6×Pa根據爬行器的最大平均速度,氣缸在一分鐘內往復運動次數是16次單個氣缸所需的壓力空氣流量為Q0== =7.658單個氣缸所需的自由空氣流量為Q=Q0=7.6一對主氣缸所需的自由空氣流量為2Q=9.072根據錨具的工作性能,則初選錨具氣缸內徑為,活塞桿直徑為〔參照氣缸內徑推薦系列值選擇氣缸的行程為10mm,由由生產廠家提供的產品樣本挑選一種合適的氣缸類型為10S-6SR-SD-2000,錨具氣缸采用后端螺栓固定的方式裝到氣缸的支架上。標準大氣壓P0=1.013×Pa氣缸工作壓力P=0.6×Pa錨具氣缸在一分鐘內往復運動次數與主氣缸相同,也是16單個氣缸所需的壓力空氣流量為Q0====7.707單個氣缸所需的自由空氣流量為Q=Q=Q0=7.707一對主氣缸所需的自由空氣流量為2Q=4.3夾緊氣缸力學分析夾緊氣缸選擇型號為MAL20x160,其具體參數為： 活塞直徑：?20mm 最大行程：160mm受力計算：根據設計要求,機器人最大負重可達20Kg,機器人自重約為25Kg建立上部夾緊機構的力學模型：圖4.1爬行器受力分析圖符號說明：f：摩擦力Fn加緊氣缸1提供的推力Fn’加緊氣缸2:圓桿的支反力由于兩氣缸型號相同,大小完全一樣,故Fn=Fn’Mg:機構自身重力F’機構負重本計算采用簡化算法,其中將機器人的重力作用點移到圖示位置在垂直方向建立平衡方程;所以：單側所受摩擦力又：查表得摩擦系數u=0.5對氣缸進行受力分析：其中,圖4.2氣缸受力分析圖建立平衡方程： 其中S=0.02x0.02=0.0004為大氣壓強1.01xPa 所以： 0.602Mpa<0.7MPa符合設計要求,型號選擇正確。 根據主氣缸與錨具氣缸的容積流量〔包括在錨具氣缸回路中附設的儲氣罐的容積,由生產廠家的產品樣本中選擇所用的氣源。選定氣源型式為風冷移動式,額定排氣壓為0.7Mpa,額定排氣量為：綜合以上氣動系統(tǒng)和氣缸的參數計算和源氣件設計選型,可以總結歸納出主氣缸與錨具氣缸各項能參數,列表如表4-1所示表4-1氣缸性能參數表項目氣缸總長/mm額定氣壓/MPa氣缸伸出力/N氣缸回縮力/N氣缸大小腔速比伸縮氣缸1500.6315792132701.19加緊氣缸100.6315792132701.19根據氣動系統(tǒng)的額定流量,選定氣動閥的型號一對主氣缸自由空氣流量為0.544m/min；壓縮空氣流量為0.0919m/min。一對錨具氣缸自由空氣流量為0.00554m/min,壓縮空氣流量為0.000925m/min。在在主氣缸回路中,管道中所有的空氣壓縮流量為；在脫錨氣缸回路中,管道內所有壓縮空氣流量為。在總氣動回路中,根據所選定的器源的自由空氣流量為,即等同于壓縮空氣流量產品樣本和選擇原則,確定減壓閥、單向閥、分水過濾器的有效通徑都是10mm。對主氣缸回路選用,通徑為8mm的三位五通雙電控電磁閥,并且?guī)в袛嚯姾笫謩舆M行控制的功能。對錨具氣缸選用：通徑為6mm的兩位五通單電控電磁閥并且?guī)в袛嚯姾笫謩舆M行控制功能。在主氣缸回路中,從閥組到氣缸的進出氣管采用紫銅硬管,通徑為8mm在錨具氣缸回路中,從閥組到固定與上體地上錨具氣缸的進出氣管采用紫銅硬管；從閥組到固定與下體地下錨具氣缸的進出氣管采用紫銅硬管通徑為6mm。氣管管路接頭處采用插入式管接頭,它的膠管內徑與所用的氣管的內徑一致。根據圖所式的氣動控制系統(tǒng)圖,考慮到爬行器在繩索上進行升降運動,設計確定從地面氣源接至系統(tǒng)回路總進氣管的管路采用塑料軟管,以減輕氣管的重量和降低成本,氣管內徑為8mm,長度根據爬行器實際使用時的爬行高度來確定。5控制系統(tǒng)部分5.1控制系統(tǒng)方案說明爬行器必須能夠實現沿繩索方向的運動要求,根據前面的設計,可以確定通過氣缸進排氣的伸縮過程帶動爬行其整體步進式向上攀升或向下滑動。由于氣缸運動具有連續(xù)性的特點,涉及采用編程簡單,成本低廉,性能全面的單片機控制。輸入部分：它收集并保存被控對象是及運動的數據和信息邏輯部分：處理輸入部分所取得的信息,并按照被控對象世紀的動作要求做出反應輸出部分：提供正在被控制的許多裝置中,那幾個設備需要實施操作處理。地面遙控器遙控信號地面遙控器遙控信號接收器手動開關輸入開關電路單片機放大電路氣動控制電磁閥磁性氣缸主氣缸位置檢測傳感器圖5.1爬行器控制流程圖5.2AT89S52單片機AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術制造,與工業(yè)80C51產品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程,亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上,擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash,使得AT89S52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。AT89S52具有以下標準功能：8k字節(jié)Flash,256字節(jié)RAM,32位I/O口線,看門狗定時器,2個數據指針,三個16位定時器/計數器,一個6向量2級中斷結構,全雙工串行口,片內晶振及時鐘電路。另外,AT89S52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作,支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下,CPU停止工作,允許RAM、定時器/計數器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下,RAM內容被保存,振蕩器被凍結,單片機一切工作停止,直到下一個中斷或硬件復位為止。圖5.289s52的封裝圖VCC:電源GND:地P0口：P0口是一個8位漏極開路的雙向I/O口。作為輸出口,每位能驅動8個TTL邏輯電平。對P0端口寫"1"時,引腳用作高阻抗輸入。當訪問外部程序和數據存儲器時,P0口也被作為低8位地址/數據復用。在這種模式下,P0具有內部上拉電阻。在flash編程時,P0口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗時,輸出指令字節(jié)。程序校驗時,需要外部上拉電阻。P1口：P1口是一個具有內部上拉電阻的8位雙向I/O口,p1輸出緩沖器能驅動4個TTL邏輯電平。對P1端口寫"1"時,內部上拉電阻把端口拉高,此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時,被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因,將輸出電流〔IIL。此外,P1.0和P1.2分別作定時器/計數器2的外部計數輸入〔P1.0/T2和時器/計數器2的觸發(fā)輸入〔P1.1/T2EX,具體如下表所示。在flash編程和校驗時,P1口接收低8位地址字節(jié)。引腳號第二功能P1.0T2〔定時器/計數器T2的外部計數輸入,時鐘輸出P1.1T2EX〔定時器/計數器T2的捕捉/重載觸發(fā)信號和方向控制P1.5MOSI〔在系統(tǒng)編程用P1.6MISO〔在系統(tǒng)編程用P1.7SCK〔在系統(tǒng)編程用P2口：P2口是一個具有內部上拉電阻的8位雙向I/O口,P2輸出緩沖器能驅動4個TTL邏輯電平。對P2端口寫"1"時,內部上拉電阻把端口拉高,此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時,被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因,將輸出電流〔IIL。在訪問外部程序存儲器或用16位地址讀取外部數據存儲器〔例如執(zhí)行MOVX@DPTR時,P2口送出高八位地址。在這種應用中,P2口使用很強的內部上拉發(fā)送1。在使用8位地址〔如MOVX@RI訪問外部數據存儲器時,P2口輸出P2鎖存器的內容。在flash編程和校驗時,P2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號。P3口：P3口是一個具有內部上拉電阻的8位雙向I/O口,p2輸出緩沖器能驅動4個TTL邏輯電平。對P3端口寫"1"時,內部上拉電阻把端口拉高,此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時,被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因,將輸出電流〔IIL。P3口亦作為AT89S52特殊功能〔第二功能使用,如下表所示。在flash編程和校驗時,P3口也接收一些控制信號。RST:復位輸入。晶振工作時,RST腳持續(xù)2個機器周期高電平將使單片機復位?？撮T狗計時完成后,RST腳輸出96個晶振周期的高電平。特殊寄存器AUXR<地址8EH>上的DISRTO位可以使此功能無效。DISRTO默認狀態(tài)下,復位高電平有效。ALE/PROG：地址鎖存控制信號〔ALE是訪問外部程序存儲器時,鎖存低8位地址的輸出脈沖。在flash編程時,此引腳〔PROG也用作編程輸入脈沖。在一般情況下,ALE以晶振六分之一的固定頻率輸出脈沖,可用來作為外部定時器或時鐘使用。然而,特別強調,在每次訪問外部數據存儲器時,ALE脈沖將會跳過。如果需要,通過將地址為8EH的SFR的第0位置"1",ALE操作將無效。這一位置"1",ALE僅在執(zhí)行MOVX或MOVC指令時有效。否則,ALE將被微弱拉高。這個ALE使能標志位〔地址為8EH的SFR的第0位的設置對微控制器處于外部執(zhí)行模式下無效。PSEN:外部程序存儲器選通信號〔PSEN是外部程序存儲器選通信號。當AT89S52從外部程序存儲器執(zhí)行外部代碼時,PSEN在每個機器周期被激活兩次,而在訪問外部數據存儲器時,PSEN將不被激活。EA/VPP:訪問外部程序存儲器控制信號。為使能從0000H到FFFFH的外部程序存儲器讀取指令,EA必須接GND。為了執(zhí)行內部程序指令,EA應該接VCC。在flash編程期間,EA也接收12伏VPP電壓。XTAL1:振蕩器反相放大器和內部時鐘發(fā)生電路的輸入端。XTAL2:振蕩器反相放大器的輸出端。5.3單片機驅動部分控制系統(tǒng)采用單片機控制電磁閥的方式來實現,采用三極管作為功率放大元件原理圖如5.3所示：圖5.3單片機驅動電磁閥電路上圖就是控制電磁閥的示意圖,我們只是畫出了一路輸出的情況,又圖可知：電磁閥由三級管驅動,當單片機的輸出口輸出高電平是電磁閥就會導通,則氣缸就會伸長,當單片機輸出低電平時電磁閥就會閉合,則氣缸就會收縮,這樣我們通過單片機的控制就實現了爬升的動作。5.4無線數據收發(fā)模塊功能介紹無線數據收發(fā)模塊電路圖無線數據傳輸廣泛地運用在車輛監(jiān)控、遙控、遙測、小型無線網絡、無線抄表、門禁系統(tǒng)、小區(qū)傳呼、工業(yè)數據采集系統(tǒng)、無線標簽、身份識別、非接觸RF智能卡、小型無線數據終端、安全防火系統(tǒng)、無線遙控系統(tǒng)、生物信號采集、水文氣象監(jiān)控、機器人控制、無線232數據通信、無線485/422數據通信、數字音頻、數字圖像傳輸等領域中。圖5.4數據發(fā)射模塊的電路圖圖5.5數據接收模塊的電路圖SP發(fā)射模塊主要技術指標：

1。通訊方式：調幅AM

2。工作頻率：315MHZ/433MHZ

3。頻率穩(wěn)定度：±75KHZ

4。發(fā)射功率：≤500MW

5。靜態(tài)電流：≤0.1UA

6。發(fā)射電流：3～50MA

7。工作電壓：DC3～12VSP接收模塊主要技術指標：

1。通訊方式：調幅AM

2。工作頻率：315MHZ/433MHZ

3。頻率穩(wěn)定度：±200KHZ

4。接收靈敏度：－106DBM

5。靜態(tài)電流：≤5MA

6。工作電流：≤5MA

7。工作電壓：DC5V

8。輸出方式：TTL電平SP接收模塊的工作電壓為5伏,靜態(tài)電流4毫安,它為超再生接收電路,接收靈敏度為－105dbm,接收天線最好為25～30厘米的導線,最好能豎立起來。接收模塊本身不帶解碼集成電路,因此接收電路僅是一種組件,只有應用在具體電路中進行二次開發(fā)才能發(fā)揮應有的作用,這種設計有很多優(yōu)點,它可以和各種解碼電路或者單片機配合,設計電路靈活方便。單片機對接收模塊的干擾單片機模擬2262時一般都很正常,然而單片機模擬2272解碼時通常會發(fā)現遙控距離縮短很多,這是因為單片機的時鐘頻率的倍頻都會對接收模塊產生干擾,51系列單片機工作的時候,會產生比較強的電磁輻射,頻率范圍在9MHZ-900MHZ,因此它會影響任何此頻率內的無線接收設備的靈敏度,解決的方法是盡量降低CPU晶體的頻率。測試表明：在1M晶體的輻射強度,只有12M晶體時的1/3,因此,如果把晶體頻率選擇在500K以下,可以有效降低CPU的輻射干擾。另外一個比較好的方法是：將接收模塊通過一個3芯屏蔽電纜〔地,+5V,DATA,屏蔽線的地線懸空將模塊引出到離開單片機2米以外,則不管51CPU使用那個頻率的晶體,這種干擾就會基本消除。對于PIC單片機,則沒有上述輻射干擾?？梢匀我馐褂谩＿€可以改用頻點較高的接收頻率,如433MHz就可增加遙控距離,或者需要采用一些抗干擾措施來減小干擾。比如單片機和遙控接收電路分別用兩個5伏電源供電,將DF接收板單獨用一個78L05供電,單片機的時鐘區(qū)遠離DF接收模塊,降低單片機的工作頻率,中間加入屏蔽等。接收模塊和51系列單片機接口時最好做一個隔離電路,能較好地遏制單片機對接收模塊的電磁干擾。SP接收模塊工作時一般輸出的是高電平脈沖,不是直流電平,所以不能用萬用表測試,調試時可用一個發(fā)光二極管串接一個3K的電阻來監(jiān)測SP模塊的輸出狀態(tài)。SP無線數據模塊和PT2262/PT2272等專用編解碼芯片使用時,連接很簡單只要直接連接即可,傳輸距離比較理想,一般能達到800米以上,圖5.5收發(fā)模塊電路圖圖5.6接收模塊和單片機接口程序流程圖5.5傳感器的選擇和試驗氣缸位置傳感器采用開關型霍爾傳感器,通過它檢測主氣缸的位置信息,并將此信號傳送到單片機控制其中進行程序控制,傳感器中的霍耳集成電路利用半導體硅材料的霍爾效應制成的,能把磁信號轉換成電信號器輸出的電信號隨感應強度的增減呈開關狀態(tài)。霍爾傳感器屬于接近開關,其自身帶放大電路,是一種集成化的敏感器件?；魻杺鞲衅鞴潭ㄅc主氣缸外側.螺桿上某一氣缸行程控制器位置。在爬行動作過程中,當主氣缸的此磁性活塞離開傳感器時,其周圍的磁場強度逐漸增加并使霍爾傳感器的開關狀態(tài)發(fā)生改變；當主氣缸地磁性活塞離開傳感器時,其周圍的磁場強度逐漸減少并使霍爾傳感器恢復到開關狀態(tài)。與干簧傳感器相比較,霍爾集成傳感器在實際應用中有以下特點：<1>無觸點,這是主要的優(yōu)點；<2>長壽命,無磨損部分,壽命時半永久性的<3>高可靠性,可與TTL等電路相媲美;<4>無火花,不產生干擾噪聲；<5>無自激震蕩,抗干擾能力強<6>溫度性能好<7>抗污染能力強,除了磁體以外,任何物體的存在都不影響正常工作；<8>輸出信號實現了數字化,是理想的數字傳感器；<9>結構簡單、堅固、體積小、耐沖擊。而作為接近開關的另一種形式--干簧管,其工作原理是在磁鐵靠近簧片時,通過兩快簧片感應異性磁極從而相互吸,實現開關的開閉動作。干簧管的優(yōu)點是結構簡單,體積小巧,價格便宜。但它的缺點是在于元件的動作依附于觸電的吸合與斷開,通電時的電火花現象和觸電間的抖動效應將會對元件的正常工作產生直接的干擾。這對于爬行器主氣缸的位置控制室及其不利的,并且根據干簧管和霍爾集成傳感器的比較試驗可以發(fā)現,霍爾傳感器對磁鐵接近動作的影響范圍比干簧管小得多,同時它也不會出現干簧管在磁鐵接近過程過程中所出現的"死區(qū)"。結論通過三個月的設計和實驗制作,我完成了氣動爬繩機器人的機械結構部分和控制系統(tǒng)設計。主要包括：1、系統(tǒng)總體方案設計,設計了包括機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng),實現了該機器人的基本動作。2、機器人機械部分三維造型,并應用有限元軟件ANSYS對該機械手的整機及零部件進行了運算與校核。校核表明,設計的機器人能達到預定的設計目標；3、二維平面圖繪制,熟練的應用了CAXA,圖紙正在工廠用于加工該機器人。4、控制系統(tǒng)方案設計,熟練地應用borlandc++上位機軟件,并實現了參數的輸入與統(tǒng)計工作,為該實現了機器人計算機控制；5、程序編制,實現了機器人基本的功能要求。另外：在設計制作中,機械結構的設計加工使我將所學的專業(yè)知識再次鞏固,同時對SolidWorks三維繪圖軟件有了深入的認識。在設計過程中我學會了許多實際中應該注意的細節(jié)問題。數字電路的開發(fā)使我進一步了解了AT89S52單片機,并且深刻體會到從理論到實踐還有許多東西要學?？傊?通過這次畢業(yè)設計使我受益匪淺,學到了許多這次畢業(yè)設計為我以后踏入社會打下了良好的基礎。參考文獻1.成大先主編。機械設計手冊〔1-5卷。第四版。北京：化學工業(yè)出版社。2002

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