《機械創(chuàng)新設(shè)計》課程設(shè)計(1)機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計說明書-爬壁機器人磁吸附機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計

《機械創(chuàng)新設(shè)計》課程設(shè)計(1)機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計說明書爬壁機器人磁吸附機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計摘要：本設(shè)計由基于DSP28335單片機的電機控制系統(tǒng)和磁吸附式爬壁機器機構(gòu)組成。采用推桿電機使磁鐵部分保持與墻面的距離產(chǎn)生吸附力，使機器人能夠安全地吸附在墻壁表面。并使用力傳感器來測力，其中力傳感器即是支撐結(jié)構(gòu)，又是測力結(jié)構(gòu)。關(guān)鍵詞：磁吸附系統(tǒng)；機器人設(shè)計；爬壁機器人；力傳感器主要創(chuàng)新點：1、磁吸附結(jié)構(gòu)。利用釹鐵硼材料的磁鐵，其優(yōu)異的磁性能而被稱為“磁王”，能夠產(chǎn)生很大的吸附力。2、推桿電機結(jié)構(gòu)。使用推桿電機，能使電機的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為推桿的直線運動，具有結(jié)構(gòu)緊湊，推力大等優(yōu)點。3、采用TI公司28系列DSP，能夠?qū)崿F(xiàn)更加復(fù)雜的控制算法，從而更好的實現(xiàn)機器人的運動控制。目錄機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計任務(wù)書 1課程設(shè)計評語 2摘要 31． 緒論 51.1引言 51.2工作目的 51.3工作要求 51.4工作步驟 52． 機構(gòu)設(shè)計 62.1磁鐵選材設(shè)計 62.2磁吸附力測量機制的設(shè)計 62.3推桿電機的選擇 72.4壓力傳感器的選擇 83． 控制系統(tǒng)設(shè)計 93.1AD模塊選擇 93.2推桿電機控制系統(tǒng)： 104． 機構(gòu)各部分的設(shè)計和選材 114.1推桿電機支撐板 114.2推桿電機固定架 125． 結(jié)論 136． 設(shè)計后的感想 137． 參考文獻(xiàn) 14

緒論1.1引言爬壁機器人發(fā)展起于日本,由于它特殊的壁面運動能力,1966年自研發(fā)以來它被廣泛應(yīng)用于民用和軍事領(lǐng)域,上世紀(jì)80年代中葉之后國外多個發(fā)達(dá)國家開始相繼對它展開研究,并初步研發(fā)了第一代樣機。我國起步要晚一些。進入現(xiàn)代社會后，面對現(xiàn)在日益嚴(yán)峻的恐怖活動，爬壁機器人對于監(jiān)測恐怖活動，打擊我國恐怖勢力有很大幫助。它能夠克服自身重力實現(xiàn)在復(fù)雜的環(huán)境比如垂直的壁面、天花板、玻璃瓷磚面等實現(xiàn)運動，通過攜帶多種裝備實現(xiàn)特種作業(yè)。這大大拓展了機器人的運動領(lǐng)域。目前國內(nèi)外爬壁機器人朝著多功能、低能耗、智能化的方向發(fā)展。1.2工作目的掌握論文涉及到知識和理論并進行應(yīng)用，根據(jù)本論文所提到的方案進行設(shè)計，設(shè)計一種具有創(chuàng)新性的磁鐵吸附機構(gòu)1.3工作要求按論文要求，設(shè)計部分主要是磁吸附系統(tǒng)的設(shè)計1.4工作步驟第一、查閱相關(guān)的文獻(xiàn)資料，收集本論文所需要的文件資料；第二、根據(jù)收集的資料自行設(shè)計機器人硬件部分，并調(diào)試改進；第三、學(xué)習(xí)收集的資料，進行電路模塊的設(shè)計，并通過實驗驗證方案可行性；完成論文一篇，并整理所有相關(guān)的文獻(xiàn)資料，最后按要求裝訂成冊。1.5本章總結(jié)本章主要介紹各類爬壁機器人的背景和發(fā)展史，總結(jié)爬壁機器人可行性方案，初步提出設(shè)計思路和設(shè)計方案，說明工作目的、工作要求和工作步驟，擬定整體設(shè)計方案。機構(gòu)設(shè)計2.1磁鐵選材設(shè)計 磁吸附吸盤機構(gòu)的磁鐵選材方案有兩個：方案一選用永磁鐵：永磁鐵的優(yōu)點：吸力大，不會出現(xiàn)突然沒有磁力的故障，使用起來更可靠。永磁鐵的缺點：吸力不會突然消失，所以從墻面上拿下來時需要使用較大的力，調(diào)節(jié)磁力只能通過調(diào)整磁鐵到墻面的距離。方案二選用電磁鐵:電磁鐵的優(yōu)點：可以只在工作狀態(tài)產(chǎn)生磁力，拿取較為方便。吸力的調(diào)整可以通過改變電流的大小，調(diào)整起來較為方便。電磁鐵的缺點：如果出現(xiàn)故障，那么爬壁機器人會直接掉下來。市面上的電磁鐵有效距離都太小，一般都是零距離，即電磁鐵的一面幾乎貼合墻面才能產(chǎn)生足夠的吸力，很難解決在行進過程中的損壞性摩擦問題。綜合各方面考慮，我們最終選用了永磁鐵。對于永磁鐵的選型，我們選用了釹鐵硼磁性材料。釹鐵硼磁性材料具有極高的磁能積和矯頑力，同時高能量密度的優(yōu)點，性價比高，具良好的機械特性。釹鐵硼磁性材料因其優(yōu)異的磁性能而被稱為“磁王”。 2.2磁吸附力測量機制的設(shè)計該部分使用了四塊磁鐵，把四塊磁鐵固定在鐵板上，固定時把相鄰兩塊磁鐵的NS極反向，以使磁感線閉合，由于鐵板是良好的導(dǎo)磁體，可以起到很好地隔磁作用，能夠保護鐵板上方的元器件不受磁場力的干擾。牛眼輪的設(shè)計安裝是為了防止發(fā)生因磁場力過大，而導(dǎo)致磁鐵直接吸到墻面上而拿不下來的情況，故它具有保持磁鐵與壁面最小安全距離的重要作用。直線導(dǎo)桿是在該部分上下移動時提供定位導(dǎo)向的作用。圖1 爬壁機器人俯視圖 圖2磁吸附式吸盤機構(gòu)爆炸視圖2.3推桿電機的選擇大載荷推桿電機是提供磁鐵部分上下運動的核心動力部分。推桿電機機體固定端通過電機支架固定在車體支撐板上，推桿伸縮端與磁鐵部分的直聯(lián)構(gòu)件相連接，推桿電機的伸縮運動，帶動整個磁鐵部分上下運動，從而達(dá)到調(diào)節(jié)磁鐵與壁面之間距離的目的。我們選用推桿電機的參數(shù)為：最大負(fù)載1500N;推桿行進速度為5mm/s;有效行程為20mm。1.選擇行程和安裝距離：首先,要確認(rèn)電動推桿在您的設(shè)備上的需要推拉的距離;其次,要確認(rèn)您的設(shè)備所能容納電動推桿的最合理的尺寸。2.確認(rèn)負(fù)載和速度：通過考慮電動推桿使用的具體情景，比較各個電動推桿的規(guī)格，來選擇合適的推桿。3.決定電壓或選擇控制器：選擇電動推桿的具體工作電壓，目前可選擇12、24、36V、48V該方式主要自己提供設(shè)計的控制系統(tǒng)或PLC線路來控制推桿。4.依照電動推桿電機標(biāo)定的電壓規(guī)格輸入直流電壓，供應(yīng)之直流電壓能提供最大

，即額定最大的電流。 圖3推桿電機結(jié)構(gòu)原理圖圖4推桿電機部分爆炸視圖圖5推桿電機伸縮極限位置2.4壓力傳感器的選擇我們可以通過推桿電機的推程計算出磁鐵到墻面的距離，同時可以得出磁鐵產(chǎn)生的總吸附力。但是這種方法不直觀，且計算復(fù)雜，誤差較大，已超出容許范圍，所以我們使用電阻應(yīng)變式力傳感器來測磁鐵吸附力的大小。電阻應(yīng)變式壓力傳感器主要由彈性體、電阻應(yīng)變片電纜線等組成，內(nèi)部線路采用惠更斯電橋，當(dāng)彈性體承受載荷產(chǎn)生變形時，電阻應(yīng)變片（轉(zhuǎn)換元件）受到拉伸或壓縮應(yīng)變片變形后，它的阻值將發(fā)生變化（增大或減?。?，從而使電橋失去平衡，產(chǎn)生相應(yīng)的差動信號，供后續(xù)電路測量和處理。圖6力傳感器工作原理圖我們把力傳感器的一端固定在爬壁機器人機體支撐架上，另一端與被測的磁吸附式吸盤機構(gòu)主體部分固定，這樣就滿足了電阻應(yīng)變式力傳感器的基本測量環(huán)境。然后通過AD轉(zhuǎn)換模塊，將電阻應(yīng)變式力傳感器接收到的模擬信號，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號，并利用單片機進行識別，可以直接讀出磁吸附力的大小。該方法不僅避免了繁雜的公式計算，減小了誤差，還能夠直觀的得到磁吸附力具體數(shù)值。在安全方面，單塊磁鐵的表面磁力可以達(dá)到35kg，4塊磁鐵的整體磁力十分大，考慮到意外情況的發(fā)生，可能出現(xiàn)磁鐵直接吸到墻面上而拿不下來的現(xiàn)象，因此我們在磁鐵部分上設(shè)置了牛眼輪，牛眼輪和磁鐵相間布置于同一塊鐵板上，牛眼輪的是剛性輪，在磁鐵與墻面的距離十分靠近時，牛眼輪會先接觸墻面，使磁鐵無法直接接觸墻面。為了使磁鐵部分上下移動時，保持直線滑動，防止偏移，我們使用了四個豎直向?qū)U來做導(dǎo)向，但倒桿本身并不承受壓力。 圖7壓力傳感器尺寸圖控制系統(tǒng)設(shè)計3.1AD模塊選擇AD模塊工作電壓：4.7-5.5v典型電流12mA體積：長2.9cm*寬1.7cm*高0.4cmA通道對應(yīng)本模塊差分輸入引腳是A+A-A通道在64增益的時候輸入差分電壓范圍是±40mv，在128增益的時候是±20MV。B通道對應(yīng)差分輸入引腳是B+B-，B通道在32增益的時候輸入差分電壓范圍是±80mv.模塊主要特點：●帶金屬屏蔽，強抗干擾，板載2顆47uF膽電容，用料足。

●內(nèi)置單片機，29條指令，功能強大，應(yīng)用廣泛。節(jié)省底層開發(fā)時間，利于產(chǎn)品快速研發(fā)。

●兩路可選擇差分輸入

●片內(nèi)低噪聲可編程放大器，可選增益為32、64和128

●片內(nèi)穩(wěn)壓電路可直接向外部傳感器和芯片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器提供電源

●簡單的RS232串口通訊：所有控制由管腳輸入。

●可選擇10Hz或80Hz的輸出數(shù)據(jù)速率

●同步抑制50Hz和60Hz的電源干擾

●耗電量（含穩(wěn)壓電源電路）：

典型工作電流：12mA

●工作電壓范圍：4.7~5.5V

●工作溫度范圍：-20~+85℃圖8AD模塊示意圖3.2推桿電機控制系統(tǒng)：圖9推桿電機電位計示意圖說明：紅色、黑色為電源線；藍(lán)色為電位器基線白色黃色為變阻線推桿伸長時，藍(lán)、白線阻值逐漸增加，藍(lán)、黃線阻值逐漸減少推桿縮短時，藍(lán)、白線阻值逐漸減小，藍(lán)、黃線阻值逐漸增加機構(gòu)各部分的設(shè)計和選材4.1推桿電機支撐板圖10推桿電機支撐板有限元分析結(jié)果圖選用8mm厚鋁材，材料參數(shù)如下圖11鋁材材料參數(shù)設(shè)計圖4.2推桿電機固定架圖12推桿電機固定座有限元分析結(jié)果圖選用不銹鋼材料加工得到，材料參數(shù)如下：圖13不銹鋼材料參數(shù)設(shè)計圖結(jié)論設(shè)計由基于單片機的推桿電機控制系統(tǒng)和AD模塊力傳感器采集系統(tǒng)。單片機控制推桿電機實現(xiàn)推桿電機的伸縮，實現(xiàn)磁吸附力大小的調(diào)節(jié)，并且直接使用力傳感器測出磁吸附力的大小，避免了繁瑣的計算。設(shè)計后的感想當(dāng)然，本設(shè)計也有不足之處，最大的問題就是自動控制算法方面還不夠完善，沒有到達(dá)非常理想要求。本設(shè)計中我收獲了很多，也學(xué)到了好多，這是我一次非常完整的項目經(jīng)歷，這大大的幫助到我以后的工作，感覺非常有價值。我以后要多多進行類似的設(shè)計工作，使自己的水平跟上一層樓。

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