1、1大学生创新实验项目（UIRP）研究报告项 目 名 称 自 动 清 洗 机 器 人项 目 负 责 人 武 春 阳院（系）专业、年级 机械学院 机自 06 级 联系电话 13474591436指导老师 郭鹏程夏钰填表日期 2010 年 5 月 29 日自动清洗机器人2设计者：武春阳，张逸，柯雷，刘可鑫，高阳指导老师：郭鹏程夏钰（陕西理工学院机械工程训练中心，汉中 723003）作品内容简介随着经济的不断发展，许多高楼大厦平地而起，但同时又带来了另一个问题，那就是大厦的清洗，目前还主要靠人工清洗，可是人工清洗不但危险性很高，而且效率低，所以我们制作了一台自动清洗机器人，主要用来清洗高楼玻璃幕墙，代
2、替人工清洗，它的原型就是爬杆机器人，仿照虫子跨在两根绳子上蠕动爬行，主要包括两个夹紧机构，一个伸缩机构，清洗部分主要是用直流电机带动的高速旋转的滚子，在机器人沿着绳子轨道蠕动爬行的过程中，滚子与墙面在滚子架的推力下紧密接触，高速旋转的滚子将墙面清洗干净。1 机器人研究的背景意义经常见到高楼的半中间吊着人在那里刷墙，洗墙，看着实在叫人揪心，万一绳子断了或者人不小心摔下来，那后果可想而知，所以我们就想到要研究一种自动清洗机器人，让机器人代替人去完成这些工作，国内有专门的清洗公司，但所使用的工具都没法将人从这中危险繁杂的工作中替换出来。2 机器人的相关设计介绍2.1 机器人工作环境介绍以下是全国高楼
3、幕墙清洗的资料：3图 1图 24图 32.2 方案设计机器人沿着绳子轨道前行的方式有两种：一种是采用轮子，就像小汽车在公路上前进一样，让机器人也这样沿着绳子轨道前进，但纯粹的滚动，轮子很有可能会打滑，甚至有可能机器人会掉下来，如下图所示：图 4另一种就是模仿虫子爬行的方式蠕动爬行，即两个夹紧机构交替夹紧，配合伸缩机构的伸缩动作，间歇性的前行，这种方式不存在打滑的现象，如下图所示：图 5机器人前进动作简要：开始 夹紧机构 1，2 同时执行夹紧动作 夹紧机构 1 执行放松动作伸缩机构执行伸开动作5夹紧机构 1 执行夹紧动作夹紧机构 2 执行放松动作伸缩机构执行缩回动作夹紧机构 2 执行夹紧动作确定
4、了大概的方向后我们就得详细的确定一下具体的实现机构，前面已经说过，机器人是交替的夹紧绳子轨道，再配合伸缩动作就可以沿轨道爬行，不言而喻，机器人主要包括两个夹紧机构和一个伸缩机构，下面就来讨论一下这两种机构。2.2.1 夹紧机构夹紧机构主要有以下几个方案：1. 利用四杆机构，比如曲柄摇杆机构或者平行四边形机构，可是这种机构效率太低，行程太短，占用空间太大，很难满足我们所确定的工作环境，如下图所示：图 72. 直接利用曲柄滑块机构，它实质上是曲柄摇杆机构的演化，所以或多或少的存在着上面的问题，但比上面的方案简单多了，如下图所示：图 83. 进一步将曲柄滑块机构的连杆改成绳子，即采用绳轮，绳子的一端
5、系在夹手上，另一端系在绳轮上，绳轮一转动，绳子就会绕在绳轮上，进而拉近两个夹手之间的距离，之后，绳轮反转，两个夹手被弹簧弹回，绳轮的转动角度决定夹手之间的距离，如下图所示：6图 92.2.2 伸缩机构1 曲柄滑块机构这种方案速度快，行程范围取决于曲柄的长度，速度不均匀，如下图所示：图 102 齿轮齿条这种机构占用的体积大，且重量太大，这对高空作业的机器人是极其不利的，如下图所示：7图 113 丝杠这种机构省力，但带来的缺点就是传动比太大，以至于机器人的爬行速度太慢，如下图所示：图 12综上所述，考虑到我们的机器人的功能，不需要伸缩均匀，故选择曲柄滑块机构。2.3 设计计算2.3.1 夹紧机构中
6、电机的选择夹紧机构中的绳轮是用电机带动的，这个电机不需要整周转下面具体的计算一下： F图 13图 14 8F拉 拉图 15 通过初步的估算，我们确定该机器人最重为 3kg，但为了保证机器人的绝对安全，取 62 牛来确定电机。即 F 拉 1=F 拉 2=62N绳轮的直径我们确定为 20mm，这样电机的 Mmin =2F 拉 10.01=1.24N.M考虑到电机不需要整周转，且需要准确的定位和强大的保持力矩，故选用舵机作为绳轮的驱动电机，通过查资料确定选用辉盛舵机作 MG996，它的具体参数如下：驱动力矩：1.32N保持力矩：10.50N重量：78g体积：413825mm2.3.2 伸缩机构电机的
7、选择曲柄顺时针转动，即伸缩机构缩时受力分析图如下： F1243f图 16曲柄逆时针转动，即伸缩机构伸时受力分析图如下： G割图 17 F 割 是指机器人机器人的重力和推动滚子需要的推力的合力9123图 18下面我们就来具体的计算一下需要多大的力F 割 为机器人两部分机体的重力 4F割fM图 19因为作为滑块的直线轴承与导杆之间的摩擦系数很小，故忽略连杆对滑块的竖直分力，以及机器人的重力造成的摩擦力这样，滑块受到的总阻力 F 阻 = F 割 =53.9N通过计算我们得出需要电机的最小驱动力矩为 M=1.215N.M我们需要选择力矩大一些的电机，故选用舵机 MG996，具体参数如下：质量：78g体
8、积：413825力矩：1.32N.M电压：6V控制方法：PWM2.3.3 校核1.夹紧机构绳轮轴的校核，如图所示：图 20两条绳子对绳轮的拉力几乎是相等的，故绳子对绳轮轴的作用几乎只有扭矩，如下图所示：10T电 机 绳 子图 21T=1280.01=1.28N.M扭矩图如下；图 22绳轮轴最细的地方直径为 6，材料为 45 钢45 钢的许用应力=40MP由强度条件 =T/W=16T/(3.14DDD)=161.28/(3.140.0060.0060.006)=30.1MP故该轴是安全的。前面已经提到，绳轮轴上只有扭矩，轴承只起到支架的作用，所以只需要满足轴径大小即可，按轴的尺寸，我们选用内径为
9、 8mm 的深沟球轴承。2. 安装夹手的铝合金板的校核铝合金的许用应力=150如图所示 F3241L=05图 23由机器人的重力所产生的力矩作用面与铝合金板重合，铝合金板宽 80mm，而机器人重 2.5Kg，铝合金板远远可以克服机器人重力所产生的力矩。F 3，F 4的作用点在两个直线轴承上 F3，F 4平行于铝合金板，F1，F 2垂直于铝合金板，F 3，F 4所产生的力矩与 F1，F 2所产生的力矩平衡，且 F3=F4，F 1=F211由平衡式 F 320=F245 得 F3=126N由于两个支点之间的距离很短，所以两个支点之间的铝合金板的应力很小，我们只需要校核 F2作用端的悬臂，如下图所示
10、： 2M=*L45图 24F2max=62NMmax=620.045=2.79N.MW=bhh/6=0.040.0030.003/6=0.00000006=Mmax/W=2.79/0.00000006=46.5MP故铝合金板满足强度条件3. 夹紧机构中两个导杆的选择与校核杆 2 和杆 1 的受力情况完全相同，故只需要校核其中一个，我们选杆 1忽略铝合金板和夹手的重力，如下图所示： FL图 25F1为杆 1 配套的直线轴承对杆 1 的作用力前面在夹紧机构中的铝合金板的校核中，F 3就是图中的 F1，故F1=126NL 是个变化的值，取最大值 55mm12故 Mmax=F1Lmax=6.93N.M
11、W=3.14ddd/32=0.000000021=Mmax/W=330MP故远远满足强度要求考虑到作为导杆，弯曲量即挠度必须很小以使直线轴承的滑动灵活，故选导杆的直径为 6mm,即杆的直径为 6mm2.4 机器人硬件设计2.4.1 以 STC89C52 单片机为中心的硬件设计1.系统总体控制框图与电路图的设计在本系统的电路中使用了三个舵机来控制夹紧机构和伸缩机构的运动，通过单片机对不同信号的分析和处理来控制舵机转动方向和的角度，使机器人做出相应的动作。2.舵机控制的实现舵机的控制一般需要一个 20ms 左右的时基脉冲，该脉冲的高电平部分一般为 0.5ms-2.5ms 范围内的角度控制脉冲部分。
12、180 度角度伺服对应的控制关系是这样的：0.5ms-01.0ms-451.5ms-902.0ms-1352.5ms-180用单片机产生 PWM 信号来控制舵机在 0 到 180间的任意旋转，从而实现相应的运动要求。3.遥控系统的设计实现采用无线发射模块 PT2262 和接收模块 PT2272 对机器人进行遥控操作，当机器人接收到遥控命令后就按遥控命令行驶。当发射模块和接收模块具有地址相同时所发射的数据才能被接收到。参考文献1 濮良贵，纪名刚 机械设计.第八版 北京：高等教育出版社，20062童诗白，华成英主编。模拟电子技术基础【M】 。北京：高等教育出版社，1992.63李建忠主编。单片机原理及应用【第二版】 。西安电子科技大学出版社，2008.2134 何立民著. MCS-51 系列单片机应用系统设计M.北京：北京航空航天大学出版社，1989.55周航慈 .单片机应用程序设计技术M.北京：北京航空航天大学出版社， 2 0026孙恒,陈作模,葛文杰. 机械原理. 7 版. 北京:高等教育出版社,2006.7哈尔滨工业大学理论力学教研室. 理论力学. 6 版. 北京:高等教育出版社,2002.8刘鸿文. 材料力学. 4 版. 北京:高等教育出版社,2004.9(美)Robert L. Norton. 机械设计 机器和机构综合分析. 2 版. 北京:机械工业出版社,2002.
