全國大學(xué)生機(jī)械產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)大賽作品說明書概要.doc

全國大學(xué)生數(shù)字化機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)大賽作品說明書聚會(huì)用快速布場機(jī)器人作者:王騰丁振宇時(shí)貝超(排名不分先后指導(dǎo)老師:朱衍飛學(xué)校:合肥工業(yè)大學(xué)2目錄作品背景 (4作品特點(diǎn) (4作品結(jié)構(gòu) (5作品工作原理 (51.攀爬系統(tǒng)工作原理 (6爬壁機(jī)構(gòu)工作原理 (6跨墻壁攀爬工作原理 (92.懸掛橫幅系統(tǒng)工作原理 (93.控制系統(tǒng)工作原理 (94.供電系統(tǒng)工作原理 (125.傳感器系統(tǒng)工作原理 (136.電機(jī)系統(tǒng)工作原理 (157.功能系統(tǒng)工作原理 (15作品主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn) (16作品市場潛在價(jià)值 (17參考文獻(xiàn) (18附錄 (19一,作品背景現(xiàn)代社會(huì),人與人之間交流越來越頻繁,交流的形式也多種多樣,其中,聚會(huì)作為極為重要的一種形式,已越來越被人們青睞。聚會(huì),就要有聚會(huì)的場合。聚會(huì)的場合不同于教學(xué),辦公場合那樣有固定的場合,它是隨著聚會(huì)的內(nèi)容,聚會(huì)的人員,聚會(huì)的時(shí)間,聚會(huì)的地點(diǎn)而決定的。而日常生活中所能提供的場所又相對(duì)固定,那么可以解決人們與日俱增的聚會(huì)次數(shù),多種多樣的聚會(huì)形式和固定單調(diào)的聚會(huì)場所之間的矛盾么?答案是肯定的。隨著科技的飛速發(fā)展,機(jī)器人技術(shù)正在悄悄改變著我們的生活。爬墻機(jī)器人作為機(jī)器人家族中重要的分支,已被越來越多的人所重視。我們將先進(jìn)的機(jī)器人技術(shù)用于解決實(shí)際生活中的問題,基于爬墻機(jī)器人工作原理,設(shè)計(jì)出聚會(huì)用快速布場機(jī)器人,可以很好的解決這樣的問題。二,作品特點(diǎn)1.內(nèi)置儲(chǔ)存卡和音響,用戶可將聚會(huì)時(shí)所需的音樂拷貝至儲(chǔ)存卡中,再由機(jī)器人沿室內(nèi)墻壁爬至天花板,用機(jī)器人強(qiáng)大的吸力將自己牢牢固定在天花板上,這時(shí)機(jī)器人就成為了一個(gè)高品質(zhì)的音響,可為用戶聚會(huì)時(shí)提供全環(huán)繞,堪比舞廳的音樂環(huán)境。2.可平穩(wěn)地在各種墻壁上自由移動(dòng),遇墻角可自動(dòng)翻轉(zhuǎn),由一墻壁跨至另一墻壁。3.擁有強(qiáng)大的燈光輔助系統(tǒng),在需要進(jìn)行聚會(huì)時(shí),由機(jī)器人附著在天花板上,啟動(dòng)燈光輔助系統(tǒng),可迅速營造出用戶所想要的聚會(huì)氣氛。4.在聚會(huì)時(shí),有時(shí)需要懸掛橫幅。本機(jī)器人自帶掛橫幅支持功能。自帶伸縮臂和橫幅掛鉤。從此懸掛橫幅無局限。5.具有長時(shí)間續(xù)航功能,來自于本身所用的大容量鋰電池包。連續(xù)工作6小時(shí)以上沒有問題,可支持幾場聚會(huì)的連續(xù)使用。同時(shí)電池可拆卸,聚會(huì)時(shí)更無后顧之憂。6.產(chǎn)品拆卸方便,安裝便捷,配有專用防塵塞,機(jī)器不用時(shí),可將腿部拆下,裝上防塵塞,保護(hù)機(jī)器且易于儲(chǔ)存。7.體積小,便于攜帶,且防水抗風(fēng)防塵,經(jīng)久耐用。8.預(yù)留功能接口,用戶可根據(jù)自己的實(shí)際需要加裝其他工具(如加裝攝像頭,可在聚會(huì)時(shí)進(jìn)行全程錄像等。9.用戶可用手柄進(jìn)行遠(yuǎn)程操控,操作方便。三,作品結(jié)構(gòu)本作品主要包括攀爬系統(tǒng),供電系統(tǒng),懸掛橫幅系統(tǒng),功能系統(tǒng)(包括燈光輔助系統(tǒng),用戶預(yù)留功能接口,照相機(jī),音響等,傳感器系統(tǒng),控制系統(tǒng),電機(jī)系統(tǒng)七大系統(tǒng)組成。作品三維效果圖如圖所示: 四,作品工作原理1.攀爬系統(tǒng)工作原理爬壁機(jī)構(gòu)工作原理使用在履帶上裝吸盤來實(shí)現(xiàn)機(jī)器在墻壁上攀爬。使用履帶是為了保證爬行的速度。使用吸盤是為了保證足夠的吸力。吸盤由真空泵加單片機(jī)進(jìn)行控制。當(dāng)機(jī)器在墻壁上進(jìn)行攀爬時(shí),履帶保持不停轉(zhuǎn)動(dòng),真空泵在單片機(jī)的控制下,控制履帶前端的吸盤的吸力逐漸變小,在履帶后端的吸盤履帶的吸力逐漸變大,這樣,保證吸盤吸附和履帶移動(dòng)互不影響,同時(shí)進(jìn)行。關(guān)于吸盤的設(shè)計(jì):本作品吸盤使用真空式吸盤。真空吸盤又稱真空吊具或真空吸嘴。真空吸盤品種多樣,橡膠制成的吸盤可在高溫下進(jìn)行操作,由硅橡膠制成的吸盤非常適于抓住表面粗糙的制品;由聚氨酯制成的吸盤則很耐用。另外,為避免制品的表面被劃傷,還可以選擇由丁腈橡膠或硅橡膠制成的帶有波紋管的吸盤。用戶可根據(jù)實(shí)際情況選擇吸盤的種類。真空吸盤的工作原理:首先將真空吸盤通過接管與真空設(shè)備(本作品選擇真空泵接通,然后與待提升物接觸,起動(dòng)真空設(shè)備抽吸,使吸盤內(nèi)產(chǎn)生負(fù)氣壓,從而將待提升物吸牢,即可開始搬送待提升物。當(dāng)待提升物搬送到目的地時(shí),平穩(wěn)地充氣進(jìn)真空吸盤內(nèi),使真空吸盤內(nèi)由負(fù)氣壓變成零氣壓或稍為正的氣壓,真空吸盤就脫離待提升物,從而完成了提升搬送重物的任務(wù)。真空吸盤的特點(diǎn):易使用。不管被吸物體是什么材料做的,只要能密封,不漏氣,均能使用。相比較而言,電磁吸盤就不行,它只能用在磁性材料上。無污染。真空吸盤特別環(huán)保,不會(huì)污染環(huán)境,沒有光、熱,電磁等產(chǎn)生。不傷工件。真空吸盤由于是橡膠材料所造,吸取或者放下工件不會(huì)對(duì)工件造成任何損傷。而掛鉤式吊具和鋼纜式吊具就不行。在一些行業(yè),對(duì)工件表面的要求特別嚴(yán)格,他們只能用真空吸盤。真空吸盤吸力計(jì)算:一個(gè)吸盤產(chǎn)生的吸附力:公式: 式中:W-吸附力,NP-吸盤內(nèi)真空度(相對(duì)壓力,PaA-吸盤的有效吸附面積,mf-安全系數(shù)通常取吸盤的有效吸附面積為吸盤面積的80%左右,真空度取最大值的90%左右。安全系數(shù)隨使用條件而異。水平吸附時(shí)取f4,垂直吸附時(shí)取f8.安全系數(shù)除上述條件之外,還應(yīng)該考慮以下因素:(1工作吸附表面的粗糙度。(2工作表面是否有油脂附著。(3工作移動(dòng)的加速度。(4工作重心與吸附作用線是否重合。(5工件的材料。要根據(jù)實(shí)際情況再增加1-2倍。根據(jù)本產(chǎn)品實(shí)際需要,我們選擇真空度最大值可達(dá)91%,使用壓力為3MPa的真空發(fā)生器。由實(shí)際情況可知,本產(chǎn)品工作時(shí)一部分時(shí)間為水平吸附,一部分時(shí)間為垂直吸附,f取8,整體機(jī)身重取3Kg,有效吸附面積取吸盤面積的80%,真空度取90%,吸盤有效吸附面積取48mm,g取9.8m/s,將有關(guān)數(shù)據(jù)帶入公式可得需要同時(shí)起作用50個(gè)吸盤。而本產(chǎn)品為了保證安全性,同時(shí)起作用的真空吸盤數(shù)量是大于50個(gè)的。在同一墻面上攀爬時(shí)同時(shí)起作用吸盤可達(dá)到100個(gè)以上,在跨墻壁攀爬時(shí),最小吸力情況下同時(shí)作用吸盤可達(dá)50個(gè)以上,既滿足的了對(duì)吸力的要求又符合對(duì)經(jīng)濟(jì)性的要求。在機(jī)器爬至用戶指定位置之后,位于機(jī)器腹部的固定吸附裝置會(huì)放下,固定吸附裝置上附有吸附材料,吸附材料貼緊天花板,為機(jī)器提供吸附力,既可以提升整體機(jī)器的安全性,又減小了對(duì)履帶吸盤吸附能力的要求,從而降低相關(guān)電機(jī)運(yùn)行的功率,提高了機(jī)器的續(xù)航能力。示意圖: 腿 固定吸附裝置跨墻壁攀爬工作原理:當(dāng)傳感器感應(yīng)到機(jī)器需要跨越墻壁攀爬時(shí),位于機(jī)器運(yùn)行前方的兩只機(jī)械臂抬起,跨越至另外的墻壁上時(shí),履帶轉(zhuǎn)動(dòng),帶動(dòng)機(jī)器向前運(yùn)動(dòng),吸附穩(wěn)定之后,機(jī)器后方兩只機(jī)器臂在抬起,離開原墻壁,跨越至新墻壁,吸附穩(wěn)定后,即完成跨越墻壁攀爬的動(dòng)作。運(yùn)用四只機(jī)械臂來完成跨越墻壁的動(dòng)作,機(jī)器可運(yùn)行穩(wěn)定,且前進(jìn),后退,轉(zhuǎn)彎均可,動(dòng)作靈活。2.懸掛橫幅系統(tǒng)工作原理在機(jī)器的左右耳上各裝有兩個(gè)伸縮桿。伸縮桿由單片機(jī)和電機(jī)控制。用戶通過單片機(jī)控制電機(jī),電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),帶動(dòng)和電機(jī)相連的齒輪轉(zhuǎn)動(dòng),齒輪和一齒條相嚙合,齒輪轉(zhuǎn)動(dòng),使齒條向前向后運(yùn)動(dòng),從而帶動(dòng)伸縮桿向前,向后運(yùn)動(dòng)。在最內(nèi)層的桿子上裝有掛鉤,方便用戶懸掛橫幅或彩帶。示意圖: 3.控制系統(tǒng)工作原理綜合考慮控制距離遠(yuǎn)近,控制方法,控制效果之后,我們決定運(yùn)用單片機(jī)為主要控制元件,再為單片機(jī)加上通信接口,聯(lián)通手柄,提供給用戶使用。其中手柄右上方紅色指示燈為工作指示燈,工作時(shí),指示燈亮起。主界面的上下左右按鍵分別控制機(jī)械的上下左右運(yùn)動(dòng)。當(dāng)機(jī)器運(yùn)行到用戶滿意的地點(diǎn)時(shí),按下OK按鍵,機(jī)器將吸附在該位置。手柄兩側(cè)的OUT,IN按鍵用來控制安裝在機(jī)器上的伸縮桿的伸出和縮入。特點(diǎn):1.控制穩(wěn)定,可靠,且功耗低,成本也相對(duì)較小。2.為單片機(jī)加上通信接口后,單片機(jī)可和手柄進(jìn)行交互,即用戶可通過手柄控制機(jī)器運(yùn)行。3.操作簡單,易上手?？刂葡到y(tǒng)主要部件如圖所示:單片機(jī): 手柄: 4.供電系統(tǒng)工作原理機(jī)器的供電系統(tǒng)是為機(jī)器上所有系統(tǒng)提供能源的系統(tǒng),通常小型或微型機(jī)器人采用直流電源作為電源。在充分考慮到本作品的體積,尺寸,重量,使用時(shí)間,電機(jī)等主要耗能元件數(shù)量等的限制后,我們決定使用鋰電池作為供電系統(tǒng)的主要部件。本產(chǎn)品內(nèi)安裝兩個(gè)鋰電池,一個(gè)安裝在箱體內(nèi),為機(jī)器整體運(yùn)動(dòng)提供電能,另一個(gè)安裝在機(jī)器內(nèi)部的托盤底部,專門為功能系統(tǒng)提供電能。鋰電池特點(diǎn):具有相對(duì)于其他種類電池更高的能量重量比,能量體積比。電壓相對(duì)較高。自放電小,可長時(shí)間存放。鋰電池內(nèi)不含諸如鎘,鉛,汞之類有害金屬,無污染。循環(huán)壽命高,在正常條件下,鋰電池充放電周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他種類電池。電池在充放電循環(huán)過程中,無電池容量減少的現(xiàn)象。充電快速,方便。鋰電池如圖所示: 5.傳感器系統(tǒng)工作原理在充分考慮到成本,精度,距離等問題后,我們決定使用微型紅外線測距傳感器和微型光電傳感器。微型紅外線測距傳感器工作原理:紅外測距傳感器具有一對(duì)紅外信號(hào)發(fā)射與接收二極管,利用的紅外測距傳感器(例如LDM301型等發(fā)射出一束紅外光,在照射到物體后形成一個(gè)反射的過程,反射到傳感器后接收信號(hào),然后利用CCD圖像處理接收發(fā)射與接收的時(shí)間差的數(shù)據(jù)。經(jīng)信號(hào)處理器處理后計(jì)算出物體的距離。運(yùn)用其工作原理,機(jī)器在墻壁上爬行時(shí),持續(xù)檢測自身和墻壁的距離,發(fā)現(xiàn)和墻壁的距離很近時(shí),將信息反饋到控制系統(tǒng)單片機(jī)中,由單片機(jī)發(fā)出指令控制機(jī)器各項(xiàng)部件,自動(dòng)完成跨墻壁攀爬動(dòng)作。特點(diǎn):首先,其可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測量,在無反光板和反射率低的情況下也可以測量較遠(yuǎn)的距離。且有同步輸入端,可多個(gè)傳感器同步測量。測量范圍廣,響應(yīng)時(shí)間短。另外,其外形設(shè)計(jì)緊湊,價(jià)格便宜,易于安裝,便于操作。微型紅外傳感器如圖所示: 微型光電傳感器工作原理:光電傳感器在一般情況下,有三部分構(gòu)成,它們分別是:發(fā)送器,接收器和檢測電路。發(fā)送器對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射光束,發(fā)射的光束一般來源與半導(dǎo)體光源,發(fā)光二極管,激光二極管及紅外發(fā)射二極管。光束不間斷地發(fā)射,或者改變脈沖寬度。接收器有光電二極管,光電三極管,光電池組成。在接收器的前面,裝有光學(xué)元件如透鏡和光圈等。在其后面時(shí)檢修電路,它能濾出有效信號(hào)和應(yīng)用該信號(hào)。運(yùn)用其工作原理,在機(jī)器懸掛橫幅時(shí),一端機(jī)器會(huì)發(fā)出光信號(hào),機(jī)器發(fā)出信號(hào)的一端稱為A面,另一端機(jī)器在相同位置會(huì)有光信號(hào)接收器,機(jī)器接收信號(hào)的一端稱為B面,當(dāng)一機(jī)器從橫幅一端發(fā)出的信號(hào)被在橫幅另一端的機(jī)器接收時(shí),說明兩機(jī)器處于同一高度,橫幅呈水平掛置。特點(diǎn):檢測距離長,對(duì)檢測物體的限制少,且由于光本身為高速,傳感器的電路都由電子零件構(gòu)成,所以響應(yīng)時(shí)間短,分辨率高,可對(duì)微小物體的位置進(jìn)行高精度檢測,且為非接觸式檢測,也便于調(diào)整。微型光電傳感器如圖所示: 6.電機(jī)系統(tǒng)工作原理:在本作品上,有驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī),有控制伸縮桿伸縮的電機(jī)等各種用途的電機(jī)數(shù)十個(gè)。電機(jī)系統(tǒng)在是驅(qū)動(dòng)機(jī)械產(chǎn)品的核心系統(tǒng)。鑒于本產(chǎn)品外形微小,且要方便掌握機(jī)器行進(jìn)的距離,所以使用小型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等類型電機(jī)來完成主要驅(qū)動(dòng)任務(wù)。步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn):由于每步的精度在百分之三到百分之五,而且不會(huì)將一步的誤差積累到下一步因而有較好的位置精度和運(yùn)動(dòng)的重復(fù)性。優(yōu)秀的起停和反轉(zhuǎn)響應(yīng)。由于沒有電刷,可靠性較高,因此電機(jī)的壽命僅僅取決于軸承的壽命。電機(jī)的響應(yīng)僅由數(shù)字輸入脈沖確定,因而可以采用開環(huán)控制,這使得電機(jī)的結(jié)構(gòu)可以比較簡單而且控制成本。僅僅將負(fù)載直接連接到電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上也可以極低速的同步旋轉(zhuǎn)。由于速度正比于脈沖頻率,因而有比較寬的轉(zhuǎn)速范圍。產(chǎn)品上所用電動(dòng)機(jī)示意圖:7.功能系統(tǒng)工作原理： 本作品將用于實(shí)現(xiàn)功能的主要部件集成在一塊托板上，而托板不用時(shí)，為收縮在箱體內(nèi) 部的狀態(tài)，等需要機(jī)器實(shí)現(xiàn)功能時(shí)，托板經(jīng)放置在箱體底部的錐齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)伸出箱體。 主要功能部件 控制托板升起，降落的錐齒輪機(jī)構(gòu) 五，作品主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn) 1.本作品既可在各種粗糙度不同的墻壁上自由攀爬，能滿足各種聚會(huì)場合的需要。 2.可實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的跨墻壁攀爬。 16 3.運(yùn)用獨(dú)特的履帶式爬墻壁方式，既保證了攀爬的速度，又保證了攀爬的穩(wěn)定性。 4.體積小，功耗低，成本可控，且運(yùn)行時(shí)進(jìn)行了噪音控制，無明顯噪音。 5.預(yù)留用戶功能接口，用戶可根據(jù)實(shí)際情況加裝具體功能用具，真正達(dá)到“一機(jī)多用”的 “多功能化”要求。 6.加裝單片機(jī)，為用戶提供方便的控制方式，運(yùn)用現(xiàn)代傳感器控制技術(shù)，大大提高了產(chǎn)品 的自動(dòng)化程度。 7.機(jī)構(gòu)拆裝方便，在平時(shí)機(jī)器不同時(shí)，可將攀爬機(jī)構(gòu)卸下，在漏出的機(jī)械臂接口處塞上防 塵塞，輕松對(duì)機(jī)械進(jìn)行防護(hù)和保養(yǎng)。 六，作品市場潛在價(jià)值 隨著中國社會(huì)的高速發(fā)展，溝通和交流成為不可缺少的社會(huì)活動(dòng)。而聚會(huì)作為承載溝通 和交流的媒介，已發(fā)揮著越來越重要的作用。想要舉辦一次成功的聚會(huì)，會(huì)場的布置至關(guān) 重要。我們認(rèn)為，現(xiàn)代聚會(huì)的會(huì)場布置要滿足：布置快速，布置安全，布置精美三大要求。 而我們?cè)O(shè)計(jì)的聚會(huì)用快速布場機(jī)器人正是為了達(dá)到這種要求而誕生的。 聚會(huì)用快速布場機(jī)器人布場迅速，美觀，安全，用戶還可根據(jù)具體需要啟動(dòng)輔助布場模 式，隨時(shí)隨地提供給用戶一個(gè)滿意的聚會(huì)場所。 本作品實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化生產(chǎn)后，可以各大高校，行政機(jī)構(gòu)等聚會(huì)發(fā)生密集區(qū)為主要市場，一 般要布置一個(gè)中等大小的會(huì)場需產(chǎn)品 10 個(gè)左右，由于產(chǎn)品體積小，操作簡單，且易于儲(chǔ)存 安放，一般單位為實(shí)現(xiàn)日常會(huì)場布置任務(wù)可購置百臺(tái)左右，由此可見，產(chǎn)品市場缺口巨大， 潛在商機(jī)無限。 17 七，參考文獻(xiàn) 1.孫志禮，冷興聚，魏嚴(yán)剛等主編，機(jī)械設(shè)計(jì).沈陽：東北大學(xué)出版社 2000 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