除冰機(jī)器人一 機(jī)器人研究的背景意義近年來，我國(guó)南方各地連年發(fā)生大雪災(zāi)，給國(guó)家和人民帶來了不可估量的損失，尤其是對(duì)輸電設(shè)施的影響，許多高壓線鐵塔因?yàn)楦脖粔核?，高壓線因?yàn)楦脖粔簲?，大家都知道，我們生活在?jīng)濟(jì)高速發(fā)展的工業(yè)社會(huì)，而電對(duì)于如今的社會(huì)來說無疑可以和水的作用持衡，斷電后很多機(jī)器設(shè)備，娛樂場(chǎng)所，車站，機(jī)場(chǎng)將無法正常運(yùn)行，這個(gè)危害是驚人的，長(zhǎng)時(shí)間的停電還會(huì)導(dǎo)致騷亂，所以保證電力設(shè)施穩(wěn)定正常的運(yùn)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(shí)的清除，避免高壓設(shè)施因?yàn)楦脖^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，這幾種方法各有千秋，我們的機(jī)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(jī)圖片二 機(jī)器人的相關(guān)設(shè)計(jì)介紹2.2爬桿方案設(shè)計(jì)首先要解決的問題是機(jī)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(jìn)一樣，讓機(jī)器人也這樣沿著高壓線前進(jìn)，但純粹的滾動(dòng)，輪子很有可能會(huì)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(jī)器人的重力完全分擔(dān)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(dòng)爬行，即兩個(gè)夾緊機(jī)構(gòu)交替夾緊，配合伸縮機(jī)構(gòu)的伸縮動(dòng)作，間歇性的前行，這種方式不存在打滑的現(xiàn)象，但兩個(gè)夾緊機(jī)構(gòu)交替的承擔(dān)著整個(gè)機(jī)器人的重力，使得重力成為機(jī)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(fù)責(zé)承擔(dān)重力，而夾緊機(jī)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(jī)構(gòu)夾的動(dòng)作將冰夾碎，對(duì)于上面圖片4的覆冰情況我們利用伸縮機(jī)構(gòu)強(qiáng)大的推力將梳齒狀冰條割去，如下圖所示： 機(jī)器人前進(jìn)動(dòng)作簡(jiǎn)要：開始 夾緊機(jī)構(gòu)1，2同時(shí)執(zhí)行夾緊動(dòng)作 夾緊機(jī)構(gòu)1執(zhí)行放松動(dòng)作 伸縮機(jī)構(gòu)執(zhí)行伸開動(dòng)作 夾緊機(jī)構(gòu)1執(zhí)行夾緊動(dòng)作 夾緊機(jī)構(gòu)2執(zhí)行放松動(dòng)作 伸縮機(jī)構(gòu)執(zhí)行縮回動(dòng)作 夾緊機(jī)構(gòu)2執(zhí)行夾緊動(dòng)作其次要確定的是驅(qū)動(dòng)能源，是用蓄電池帶動(dòng)電機(jī)或者電磁閥，還是直接利用發(fā)動(dòng)機(jī)，考慮到機(jī)器人是高空作業(yè)，當(dāng)然是越輕越好，但是發(fā)動(dòng)機(jī)與蓄電池相比，蓄電池的重量要輕的多，而且蓄電池的攜帶也比發(fā)動(dòng)機(jī)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(jì)都是在這個(gè)大框架下進(jìn)行的。確定了大概的方向后我們就得詳細(xì)的確定一下具體的實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)，前面已經(jīng)說過，機(jī)器人是交替的夾緊高壓線，再配合伸縮動(dòng)作就可以沿線爬行，不言而喻，機(jī)器人主要包括兩個(gè)夾緊機(jī)構(gòu)和一個(gè)伸縮機(jī)構(gòu)，下面就來討論一下這兩種機(jī)構(gòu)：2.2.1夾緊機(jī)構(gòu)機(jī)器人爬行的是粗細(xì)不均勻的覆冰高壓線，所以?shī)A緊機(jī)構(gòu)必須能適應(yīng)直徑隨時(shí)可能會(huì)變化的高壓線。夾緊機(jī)構(gòu)主要有以下幾個(gè)方案：1. 利用四桿機(jī)構(gòu)，比如曲柄搖桿機(jī)構(gòu)或者平行四邊形機(jī)構(gòu)，可是這種機(jī)構(gòu)效率太低，行程太短，占用空間太大，很難滿足我們所確定的工作環(huán)境，如下圖所示： 2. 直接利用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，它實(shí)質(zhì)上是曲柄搖桿機(jī)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(jiǎn)單多了，如下圖所示： 3. 進(jìn)一步將曲柄滑塊機(jī)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(dòng)，繩子就會(huì)繞在繩輪上，進(jìn)而拉近兩個(gè)夾手之間的距離，即完成夾冰的動(dòng)作，之后，繩輪反轉(zhuǎn)，兩個(gè)夾手被彈簧彈回，繩輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角度決定夾手之間的距離，如下圖所示：2.2.2 伸縮機(jī)構(gòu)1 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)這種方案速度快，行程范圍取決于曲柄的長(zhǎng)度，但速度不均勻，如下圖所示： 2 齒輪齒條這種機(jī)構(gòu)占用的體積大，且重量太大，這對(duì)高空作業(yè)的機(jī)器人是極其不利的，如下圖所示： 3 絲杠這種機(jī)構(gòu)省力，但帶來的缺點(diǎn)就是傳動(dòng)比太大，以至于機(jī)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(jī)器人的功能，不需要伸縮均勻，故選擇曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。2.3設(shè)計(jì)計(jì)算 2.3.1夾緊機(jī)構(gòu)中的繩輪是用電機(jī)帶動(dòng)的，這個(gè)電機(jī)不需要整周轉(zhuǎn)，所以?shī)A冰以及保證機(jī)器人能夠安全工作的夾緊力決定了電機(jī)的參數(shù)。下面具體的計(jì)算一下： 上圖為機(jī)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(qiáng)度在不同的結(jié)冰環(huán)境下為0.35.5MPa，而抗剪強(qiáng)度只有抗壓強(qiáng)度的一半，所以我們將夾冰部位設(shè)計(jì)成如下圖所示的樣子： 這樣的設(shè)計(jì)使得夾手對(duì)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(jī)器人的工作環(huán)境，我們決定以壓力作為標(biāo)準(zhǔn)確定電機(jī)。通過查閱我國(guó)各地高壓線結(jié)冰的厚度，我們確定該機(jī)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(jī)。即F（拉1）=F（拉2）=62N繩輪的直徑我們確定為20MM，這樣電機(jī)的M（min ）=2*F（拉1）*0.01=1.24N.M考慮到電機(jī)不需要整周轉(zhuǎn)，且需要準(zhǔn)確的定位和強(qiáng)大的保持力矩，故選用舵機(jī)作為繩輪的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過查資料確定選用輝盛舵機(jī)作MG996，它的具體參數(shù)如下：驅(qū)動(dòng)力矩：1.32N保持力矩：10.50N重量：78g體積：42*38*25mm2.3.2伸縮機(jī)構(gòu)電機(jī)的選擇 曲柄順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，即伸縮機(jī)構(gòu)縮時(shí)受力分析圖如下：曲柄逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，即伸縮機(jī)構(gòu)伸時(shí)受力分析圖如下：F（割）是指機(jī)器人在遇到冰的狀態(tài)為冰條時(shí)，割斷冰條所需要的力，該機(jī)器人所割冰條直徑可以達(dá)到10mm，割冰示意圖如下： 1為高壓線，2為冰條，3為機(jī)器人夾緊機(jī)構(gòu)中安裝夾手的鋁合金板，它充當(dāng)著割冰刀子的角色。下面我們就來具體的計(jì)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(diǎn)離懸臂梁的固定點(diǎn)是最近的，所以計(jì)算出來的力也是最大的。另外，選冰的抗拉強(qiáng)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(duì)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 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(jī)構(gòu)伸時(shí)比縮時(shí)所需要的驅(qū)動(dòng)力要大，所以我們只需要計(jì)算伸時(shí)所需要的驅(qū)動(dòng)力，如下圖：因?yàn)樽鳛榛瑝K的直線軸承與導(dǎo)桿之間的摩擦系數(shù)很小，故忽略連桿對(duì)滑塊的豎直分力，以及機(jī)器人的重力造成的摩擦力這樣，滑塊受到的總阻力F(阻)= F(割)=53.9N通過計(jì)算我們得出需要電機(jī)的最小驅(qū)動(dòng)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(jī)，故選用舵機(jī)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：PWM2.3.3校核1.夾緊機(jī)構(gòu)繩輪軸的校核，如圖所示： 兩條繩子對(duì)繩輪的拉力幾乎是相等的，故繩子對(duì)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(xì)的地方直徑為6，材料為45鋼45鋼的許用應(yīng)力i=40MP由強(qiáng)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=150如圖所示 由機(jī)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(jī)器人重2.5Kg，鋁合金板遠(yuǎn)遠(yuǎn)可以克服機(jī)器人重力所產(chǎn)生的力矩。F（3），F(xiàn)(4)的作用點(diǎn)在兩個(gè)直線軸承上，簡(jiǎn)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(gè)支點(diǎn)之間的距離很短，所以兩個(gè)支點(diǎn)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）=62NM（max）=62*0.045 =2.79N.MW=b*h*h/6 =0.04*0.003*0.003/6 =0.00000006=M(max)/W=2.79/0.00000006=46.5MP<i故鋁合金板滿足強(qiáng)度條件3. 夾緊機(jī)構(gòu)中兩個(gè)導(dǎo)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(gè)，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(duì)桿1的作用力前面在夾緊機(jī)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)=126NL是個(gè)變化的值，取最大值55mm故M(max)=F(1)*L(max) =6.93N.MW=3.14*d*d*d/32 =0.000000021i=M(max)/W =330MP<i故遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足強(qiáng)度要求考慮到作為導(dǎo)桿，彎曲量即撓度必須很小以使直線軸承的滑動(dòng)靈活，故選導(dǎo)桿的直徑為6mm,即桿1的直徑為6mm4. 伸縮機(jī)構(gòu)導(dǎo)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) =18.94NM(max)=F(2)*(L(2)-L(1) =0.43N.MW=3.14*d*d*d/32 =0.000000021i=M/W =90.3MP<i故遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足強(qiáng)度要求，但考慮到撓度，所以直徑確定為6mm是正確的2.4機(jī)器人硬件設(shè)計(jì)2.4.1以STC89C52單片機(jī)為中心的硬件設(shè)計(jì)1.系統(tǒng)總體控制框圖與電路圖的設(shè)計(jì)在本系統(tǒng)的電路中使用了三個(gè)舵機(jī)來控制夾緊機(jī)構(gòu)和伸縮機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。通過單片機(jī)對(duì)不同信號(hào)的分析和處理來控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向和的角度，使機(jī)器人做出相應(yīng)的動(dòng)作。2.舵機(jī)控制的實(shí)現(xiàn)舵機(jī)的控制一般需要一個(gè)20ms左右的時(shí)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(duì)應(yīng)的控制關(guān)系是這樣的： 0.5ms-0 1.0ms-45 1.5ms-90 2.0ms-135 2.5ms-180用單片機(jī)產(chǎn)生PWM信號(hào)來控制舵機(jī)在0到180間的任意旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)要求。3.遙控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)采用無線發(fā)射模塊PT2272和接收模塊PT2262對(duì)機(jī)器人進(jìn)行遙控操作，當(dāng)機(jī)器人接收到遙控命令后就按遙控命令行駛。當(dāng)發(fā)射模塊和接收模塊具有地址相同時(shí)所發(fā)射的數(shù)據(jù)才能被接收到。無線發(fā)射模塊 無線接收模塊2.4.2系統(tǒng)硬件電路三 結(jié)束語(yǔ)通過對(duì)該作品的設(shè)計(jì)、加工、制作以及對(duì)作品的后期材料的整理，提高了我們團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力、動(dòng)手能力、綜合設(shè)計(jì)能力與團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，更為重要的是我們對(duì)自己所學(xué)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(shí)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(dǎo)教師的耐心指導(dǎo)，以及學(xué)校和大賽組委會(huì)給我們提供的這個(gè)平臺(tái)，我們相信在以后的生活、工作中不論在思想上還是行動(dòng)上都會(huì)有很大的改變！也會(huì)把以后的路越走越好，越走越輝煌！參考文獻(xiàn)1 濮良貴，紀(jì)名剛 機(jī)械設(shè)計(jì).第八版 北京：高等教育出版社，20062童詩(shī)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，1992.63李建忠主編。單片機(jī)原理及應(yīng)用【第二版】。西安電子科技大學(xué)出版社，2008.24 何立民著. 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