除冰機器人優(yōu)制材料

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1、 除冰機器人 一 機器人研究的背景意義 近年來，我國南方各地連年發(fā)生大雪災(zāi)，給國家和人民帶來了不可估量的損失，尤其是對輸電設(shè)施的影響，許多高壓線鐵塔因為覆冰被壓塌，高壓線因為覆冰被壓斷，大家都知道，我們生活在經(jīng)濟高速發(fā)展的工業(yè)社會，而電對于如今的社會來說無疑可以和水的作用持衡，斷電后很多機器設(shè)備，娛樂場所，車站，機場將無法正常運行，這個危害是驚人的，長時間的停電還會導致騷亂，所以保證電力設(shè)施穩(wěn)定正常的運行是極其重要的。具體到高壓線覆冰，我們需要將高壓線覆冰及時的清除，避免高壓設(shè)施因為覆冰過重而被壓倒。 很多高壓線除冰的方法已經(jīng)被研究出來或正在研究中，比如電流融化法，敲擊法，銑削法，這幾

2、種方法各有千秋，我們的機器人采用夾冰和割冰的方案，完全適應(yīng)高壓線的兩種覆冰狀況，下圖為樣機圖片 二 機器人的相關(guān)設(shè)計介紹 2.2爬桿方案設(shè)計 首先要解決的問題是機器人沿著高壓線前行的方式，有兩種：一種是采用輪子，就像小汽車在公路上前進一樣，讓機器人也這樣沿著高壓線前進，但純粹的滾動，輪子很有可能會打滑，甚至遇到一些接線頭或者防震錘之類的障礙將無法過去，但好處是可以將機器人的重力完全分擔在輪子上，且可以連續(xù)前行，如下圖所示： 另一種就是模仿蟲子爬行的方式蠕動爬行，即兩個夾緊機構(gòu)交替夾緊，配合伸縮機構(gòu)的伸縮動作，間歇性的前行，這種方式不存在打滑的現(xiàn)象，但兩個夾緊機構(gòu)交替的承擔著整個機器

3、人的重力，使得重力成為機器人安全工作的最大隱患，如下圖所示： 綜上所述，我們采用兩種方式結(jié)合的方案，即輪子負責承擔重力，而夾緊機構(gòu)牢牢的夾緊高壓線，打滑和越障的問題也迎刃而解，最重要的是我們可以利用夾緊機構(gòu)夾的動作將冰夾碎，對于上面圖片4的覆冰情況我們利用伸縮機構(gòu)強大的推力將梳齒狀冰條割去，如下圖所示： 機器人前進動作簡要： 開始 夾緊機構(gòu)1，2同時執(zhí)行夾緊動作 夾緊機構(gòu)1執(zhí)行放松動作 伸縮

4、機構(gòu)執(zhí)行伸開動作 夾緊機構(gòu)1執(zhí)行夾緊動作 夾緊機構(gòu)2執(zhí)行放松動作 伸縮機構(gòu)執(zhí)行縮回動作 夾緊機構(gòu)2執(zhí)行夾緊動作 其次要確定的是驅(qū)動能源，是用蓄電池帶動電機或者電磁閥，還是直接利用發(fā)動機，考慮到機器人是高空作業(yè)，當然是越輕越好，但是發(fā)動機與蓄電池相

5、比，蓄電池的重量要輕的多，而且蓄電池的攜帶也比發(fā)動機所使用的油要方便的多，故最終決定采用蓄電池，以下的設(shè)計都是在這個大框架下進行的。 確定了大概的方向后我們就得詳細的確定一下具體的實現(xiàn)機構(gòu)，前面已經(jīng)說過，機器人是交替的夾緊高壓線，再配合伸縮動作就可以沿線爬行，不言而喻，機器人主要包括兩個夾緊機構(gòu)和一個伸縮機構(gòu)，下面就來討論一下這兩種機構(gòu)： 2.2.1夾緊機構(gòu) 機器人爬行的是粗細不均勻的覆冰高壓線，所以夾緊機構(gòu)必須能適應(yīng)直徑隨時可能會變化的高壓線。夾緊機構(gòu)主要有以下幾個方案： 1. 利用四桿機構(gòu)，比如曲柄搖桿機構(gòu)或者平行四邊形機構(gòu)，可是這種機構(gòu)效率太低，行程太短，占用空間太大，很難滿足我

6、們所確定的工作環(huán)境，如下圖所示： 2. 直接利用曲柄滑塊機構(gòu)，它實質(zhì)上是曲柄搖桿機構(gòu)的演化，所以或多或少的存在著上面的問題，但比上面的方案簡單多了，如下圖所示： 3. 進一步將曲柄滑塊機構(gòu)的連桿改成繩子，即采用繩輪，繩子的一端系在夾手上，另一端系在繩輪上，繩輪一轉(zhuǎn)動，繩子就會繞在繩輪上，進而拉近兩個夾手之間的距離，即完成夾冰的動作，之后，繩輪反轉(zhuǎn)，兩個夾手被彈簧彈回，繩輪的轉(zhuǎn)動角度決定夾手之間的距離，如下圖所示： 2.2.2 伸縮機構(gòu) 1 曲柄滑塊機構(gòu) 這種方案速度快，行程范圍取決于曲柄的長度，但速度不均勻，如下圖所示：

7、 2 齒輪齒條 這種機構(gòu)占用的體積大，且重量太大，這對高空作業(yè)的機器人是極其不利的，如下圖所示： 3 絲杠 這種機構(gòu)省力，但帶來的缺點就是傳動比太大，以至于機器人的爬行速度太慢，如下圖所示： 綜上所述，考慮到我們的機器人的功能，不需要伸縮均勻，故選擇曲柄滑塊機構(gòu)。 2.3設(shè)計計算 2.3.1夾緊機構(gòu)中的繩輪是用電機帶動的，這個電機不需要整周轉(zhuǎn)，所以夾冰以及保證機器人能夠安全工作的夾緊力決定了電機的參數(shù)。 下面具體的計算一下： 上圖為機器人夾冰的示意圖，我們將結(jié)冰后的高壓線近似成圓柱狀，考慮到冰是脆的，它的抗壓強度在不同的結(jié)

8、冰環(huán)境下為0.3—5.5MPa，而抗剪強度只有抗壓強度的一半，所以我們將夾冰部位設(shè)計成如下圖所示的樣子： 這樣的設(shè)計使得夾手對冰的作用力不僅是壓力，而且還有剪切，雙管齊下，省力又高效，但考慮到機器人的工作環(huán)境，我們決定以壓力作為標準確定電機。 通過查閱我國各地高壓線結(jié)冰的厚度，我們確定該機器人工作的最大冰柱直徑為60mm，即冰層厚度為30mm ，取最大力62牛來確定電機。 即F（拉1）=F（拉2）=62N 繩輪的直徑我們確定為20MM，這樣電機的M（min ）=2*F（拉1）*0.01=1.24N.M 考慮到電機不需要整周轉(zhuǎn)，且需要準確

9、的定位和強大的保持力矩，故選用舵機作為繩輪的驅(qū)動電機，通過查資料確定選用輝盛舵機作MG996，它的具體參數(shù)如下： 驅(qū)動力矩：1.32N 保持力矩：10.50N 重量：78g 體積：42*38*25mm 2.3.2伸縮機構(gòu)電機的選擇 曲柄順時針轉(zhuǎn)動，即伸縮機構(gòu)縮時受力分析圖如下： 曲柄逆時針轉(zhuǎn)動，即伸縮機構(gòu)伸時受力分析圖如下： F（割）是指機器人在遇到冰的狀態(tài)為冰條時，割斷冰條所需要的力，該機器人所割冰條直徑可以達到10mm，割冰示意圖如下： 1為高壓線，2為冰條，3為機器人夾緊機構(gòu)中安裝夾手的鋁合金板，它充當著割冰刀子的角色。

10、 下面我們就來具體的計算一下割斷10mm冰條需要多大的力 假設(shè)高壓線直徑為60mm,這種情況下鋁合金板與高壓線之間的距離最短，即作為懸臂梁的冰條，鋁合金作用力的作用點離懸臂梁的固定點是最近的，所以計算出來的力也是最大的。 另外，選冰的抗拉強度為最大值2.75MP，即[i]=2.75MP，如下圖所示： F（1），F(xiàn)（2）為鋁合金板對冰柱的推力 冰柱直徑為10mm，故 W=3.14*d*d*d/32 =3.14*0.01*0.01*0.01/32 =0.000000098 冰柱1或2的力矩圖如下： M（max)=F(1)*L(1) 由式子i=M/W得

11、 M(max)=F(1)*L(1) =[i]*W 故 F(1)=[i]*W/L(1) =2750000*0.000000098/0.01 =26.95N 故 F(割)=2*F(1) =53.9N 顯然，伸縮機構(gòu)伸時比縮時所需要的驅(qū)動力要大，所以我們只需要計算伸時所需要的驅(qū)動力，如下圖： 因為作為滑塊的直線軸承與導桿之間的摩擦系數(shù)很小，故忽略連桿對滑塊的豎直分力，以及機器人的重力造成的摩擦力 這樣，滑塊受到的總阻力F

12、(阻)= F(割)=53.9N 通過計算我們得出需要電機的最小驅(qū)動力矩為M=1.215N.M 考慮到高壓線割冰的不規(guī)則情況，以及在高壓線有一定坡度的情況，我們需要選擇力矩大一些的電機，故選用舵機MG996，具體參數(shù)如下： 質(zhì)量：78g 體積：41*38*25 力矩：1.32N.M 電壓：6V 控制方法：PWM 2.3.3校核 1.夾緊機構(gòu)繩輪軸的校核，如圖所示： 兩條繩子對繩輪的拉力幾乎是相等的，故繩子對繩輪軸的作用幾乎只有扭矩，如下圖所示： T=128*0.01 =1.28N.M 扭矩圖如下； 繩輪軸最細的地方直徑為6，材料為45鋼

13、 45鋼的許用應(yīng)力[i]=40MP 由強度條件 i=T/W =16*T/(3.14*D*D*D) =16*1.28/(3.14*0.006*0.006*0.006) =30.1MP<[i] 故該軸是安全的。 前面已經(jīng)提到，繩輪軸上只有扭矩，軸承只起到支架的作用，所以只需要滿足軸徑大小即可，按軸的尺寸，我們選用內(nèi)徑為8mm的深溝球軸承。 2. 安裝夾手的鋁合金板的校核 鋁合金的許用應(yīng)力[i]=150ＭＰ 如圖所示 由機器人的重力所產(chǎn)生的力矩作用面與鋁合金板重合，鋁合金板寬80mm，而機器人重2.5Kg，鋁合金板遠遠可以克服機器人重力所產(chǎn)生的力矩。 F（3），F(xiàn)(

14、4)的作用點在兩個直線軸承上，簡化后受力圖如下： F（3），F(xiàn)(4)平行于鋁合金板，F(xiàn)（1），F(xiàn)（2）垂直于鋁合金板，F(xiàn)（3），F(xiàn)(4)所產(chǎn)生的力矩與F（1），F(xiàn)（2）所產(chǎn)生的力矩平衡，且F（3）=F(4)，F(xiàn)（1）=F（2） 由平衡式 F（3）*20=F（2）*45得F(3)=126 N 由于兩個支點之間的距離很短，所以兩個支點之間的鋁合金板的應(yīng)力很小，我們只需要校核F（2）作用端的懸臂，如下圖所示： F（2max）=62N M（max）=62*0.045 =2.79N.M W=b*h*h/6 =0.04*0.003*0.003

15、/6 =0.00000006 ｉ=M(max)/W =2.79/0.00000006 =46.5MP<[i] 故鋁合金板滿足強度條件 3. 夾緊機構(gòu)中兩個導桿的選擇與校核 桿2和桿1的受力情況完全相同，故只需要校核其中一個，我們選桿1 忽略鋁合金板和夾手的重力，如下圖所示： F(1)為桿1配套的直線軸承對桿1的作用力 前面在夾緊機構(gòu)中的鋁合金板的校核中，F(xiàn)(3)就是圖中的F(1），故 F(1)=126N L是個變化的值，取最大值55mm 故M(max)=F(1)*L(max) =6.93N.M W=3.14*d*d*d/32

16、 =0.000000021 i=M(max)/W =330MP<[i] 故遠遠滿足強度要求 考慮到作為導桿，彎曲量即撓度必須很小以使直線軸承的滑動靈活，故選導桿的直徑為6mm,即桿1的直徑為6mm 4. 伸縮機構(gòu)導桿的選擇： 受力分析圖如下： 由力平衡得 F(2)=G*L(1)/L(2) =6.05N F(1)=(L(2)-L(1))*G/L(2) =18.94N M(max)=F(2)*(L(2)-L(1)) =0.43N.M W=3.14*d*d*d/32

17、=0.000000021 i=M/W =90.3MP<[i] 故遠遠滿足強度要求，但考慮到撓度，所以直徑確定為6mm是正確的 2.4機器人硬件設(shè)計 2.4.1以STC89C52單片機為中心的硬件設(shè)計 1.系統(tǒng)總體控制框圖與電路圖的設(shè)計 在本系統(tǒng)的電路中使用了三個舵機來控制夾緊機構(gòu)和伸縮機構(gòu)的運動。通過單片機對不同信號的分析和處理來控制舵機轉(zhuǎn)動方向和的角度，使機器人做出相應(yīng)的動作。 2.舵機控制的實現(xiàn) 舵機的控制一般需要一個20ms左右的時基脈沖，該脈沖的高電平部分一般為0.5ms-2.5ms范圍內(nèi)的角度控制脈沖部分。180度角度伺服對應(yīng)的控制關(guān)系是這樣的： 0.5m

18、s--------------0 1.0ms--------------45 1.5ms--------------90 2.0ms--------------135 2.5ms--------------180 用單片機產(chǎn)生PWM信號來控制舵機在0到180間的任意旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)相應(yīng)的運動要求。 3.遙控系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn) 采用無線發(fā)射模塊PT2272和接收模塊PT2262對機器人進行遙控操作，當機器人接收到遙控命令后就按遙控命令行駛。當發(fā)射模塊和接收模塊具有地址相同時所發(fā)射的數(shù)據(jù)才能被接收到。 無線發(fā)射模塊

19、 無線接收模塊 2.4.2系統(tǒng)硬件電路 三 結(jié)束語 通過對該作品的設(shè)計、加工、制作以及對作品的后期材料的整理，提高了我們團隊的創(chuàng)新設(shè)計能力、動手能力、綜合設(shè)計能力與團隊協(xié)作精神，更為重要的是我們對自己所學的相關(guān)課程有了更深層次的理解和掌握。 另外也從中鍛煉了我們根據(jù)實際需要尋求資源解決問題的能力，磨練了我們的意志，讓我們從心底深深地感覺到作為一名工程人員應(yīng)具備的基本品質(zhì)！ 在此，我們非常感謝我們指導教師的耐心指導，以及學校和大賽組委會給我們提供的這個平臺，我們相信在以后的生活、工作中不論在思想上還是行動上都

20、會有很大的改變！也會把以后的路越走越好，越走越輝煌！ 參考文獻 [1] 濮良貴，紀名剛 機械設(shè)計.第八版 北京：高等教育出版社，2006 [2]童詩白，華成英主編。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)【M】。北京：高等教育出版社，1992.6 [3]李建忠主編。單片機原理及應(yīng)用【第二版】。西安電子科技大學出版社，2008.2 [4] 何立民著. MCS-51系列單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：北京航空航天大學出版社，1989.5 [5]周航慈 .單片機應(yīng)用程序設(shè)計技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學出版社， 2 0 0 2 [6]孫恒,陳作模,葛文杰. 機械原理. 7版. 北京:高等教育出版社,2006. [7]哈爾濱工業(yè)大學理論力學教研室. 理論力學. 6版. 北京:高等教育出版社,2002. [8]劉鴻文. 材料力學. 4版. 北京:高等教育出版社,2004. [9](美)Robert L. Norton. 機械設(shè)計 機器和機構(gòu)綜合分析. 2版. 北京:機械工業(yè)出版社,2002. 25 生活類