市政下水道疏通机器人设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 I 市政下水道疏通机器人 设计说明书 学 院： 机电工程 系 学生姓名： 指导教师： 设计说明 时间： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 文摘要 针对市政下水道疏通贵、疏通难、疏通不彻底等问题，本组提出设计“市政下水道疏通机器人” 。机器人 采用自身携带的液态氮降低堵塞物强度硬度的方法，辅助切割机械臂将堵塞物打成极小的碎块，可自行被下水道水流冲走，以达到疏通效果。 本小 组设计的机器人相对于传统非智能设备具有通过性好，稳定性强，智能化程度高，市场需求广泛的特点。极大的减少了人工费用，节约时间，且疏通效果良好。机器人采用 以传感器反馈信号为控制目标， 对仿生的六足结构及其机械臂、上臂等原件进行协调控制 。配合具有创新意识的机械结构来实现机器人的稳定运行，完成工作内容，达到疏通效果。 关键字：疏通机器人，智能程度，控制 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 n of of of t of of by to of to be on by so a by as as in as of 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 录 引言 1 一、 产品设计背景 及市场分析 2 品设计背景 2 场分析 3 二、 产品概述 4 三、 产品 硬件 设计原理 5 足结构 6 部贴合 7 氮及喷射臂原理 8 械臂 9 四、 软件设计 11 块化设计 11 板模块芯片控制 11 片机置步汇编程序 13 五、 产品有限元分析 22 六、 结论 25 七、 参考文献 26 八、 致谢 27 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 V 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 第一章 引言 本研究主题范围内 ， 国内外已有文献资料综述；研究工作在提高科学技术水平、促进国民经济发展、推动社会进步中的理论意义、应用背景或实用价值； 此说明 书 是以文 本 的方式对 “市政下水道机器人” 进行相对的详细表述 。该 产品说明书 本着 实事求是 的原则 ， 来 全面、明确地 介绍“市政下水道机器人” 品用途、性质、性能、原理、构造、规格、使用方法、保养维护、注意事项等内容而写的准确、简明的文字材料。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2 第一章 产品设计背景及市场分析 品设计背景 在 2013年 5月由于台风等因素，厦门发生 多年不遇的城市内涝，如图 示 。 图 门市内涝 图 浙沿海地区内涝 同年 10月由于台风“菲特 ”致使江浙一带，多地 沿海城市 内涝，如图 示 。 然而造成城市内涝的原因不仅仅是过大的降水量，市政下水道因堆积物堵塞而不能快速排水也是很大的一个因素。 随着社会的发展，城市的现代化建设，大量的市政下水道（排放路面积水）被安装在路面下。每逢有大量降水降雪时，政府部门都提前组织疏通、清理下水道，而在疏通、清理时会遇到很棘手的问题，如：管道规格参差不齐，形状各异，某些管道甚至无法进人，现有清理工具无法实现完全疏通，人工疏通价格高昂。因此由于以上原因造成的疏通不利，导致了在暴雨来临之时，路面成河，地下商场及停车场更是惨不忍睹，据不完全统计， 每年因为下水不利造成的直接损失高达数十亿元（人民币）。由此背景，本组构思设计一台智能的市政下水道疏通机器人，以解决市政下水道疏通贵，疏通难等问题。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 场分析 我国国内市场上的下水道疏通设备是早年设计生产的传统设备，只能起到辅助人工疏通的作用，在 疏通下水道时要花费高昂的人力成本，且传统设备具有使用局限性大，疏通效果差的缺点 。 本组所设计的“下水道疏通机器人”具有智能化程度高、疏通效果好的特点。可极大的减少人力成本，提高疏通效果，在大量降水来临之前，做好疏通工作，减少内涝损失。现市场上有个别公司倡导 只能疏通机器人的使用，将来可能会有极大的市场需求。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 4 第二章 产品概述 本组所设计的机器人结构匀称，使用及改装功能强大。机器分为五部分，分别是：机械臂（带 双向 旋转切割器）、上手臂、底盘及包装外壳、内部元件（电学元件及驱动元件）、仿生六足结构。 所有元件均由 蓄电池供电， 传感器反馈信号为控制目标，对仿生的六足结构及其机械臂、上臂等原件进行协调控制，六足结构和特殊的脚能充分适应管道弧形内壁。 行进时可翻越小的障碍物。遇较大堆积物时，开始疏通作业，首先用自身携带的液态氮将堆积物迅 速冷却，使其硬度、强度都大幅下降，其次用机械臂的旋转切割疏通器，将堆积物切割、打碎，当水流来时自然会将很小块的下水道堵塞物冲走，从而达到疏通效果。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 5 第三章 产品硬件设计原理 足结构 足结构的优势 传统的轮式或履带不适用于山地和多障碍地面 以及管道内行进 , 而六足机器人可以在这些路面 和管道内 行走，拐弯，跨越 障碍 物 ， 六足 结构 的足部落脚点的面积小的特点使其对坑洼山地的机动性和适应性更强 ,具有更高的 越障能力 ,同时能保持机器人整体平衡度 。在机器人上装配的机械手，可以方便 作业， 完成人所不能完成的任务。 足步态模式 三角步态是六足机器人的两组腿（身体一侧的前足、后足与另一侧的中足），即处于支撑三角形上的三条腿的动作完全一样，均处于摆动相或均处于支撑相。本组设计机器人的三角步态运动 如图 3 3态图 图 3态电平图 以下为详细三角步态解释： 机器人开始运动时，首先左侧 1,3,右侧 5 号腿构成三角形支架，以保证机器人重心在处于三角形内，具有稳定性，不易摔倒。右侧的 4,6 号腿和左侧的 2 号腿抬起，准备向前摆动 如图 32,4,6 号摆动腿向前跨步。由于 2,4,6 号腿的跨步摆动支撑腿 1,3,5 进行了一定角度的摆动，在支撑机器人本体的同事，机器人机体也向前运动半个步长 S。机器人集体前进半步长 S 后，摆动 2,4,6 迅速放下，接替 1,3,5 号腿形成新的三角支撑，是机器人的重心位置稳定处于 2,4,6 三条支撑腿所构成的三角支架内， 1,3， 5 号支撑腿已抬起进入摆动状态，做好向前跨步的准备， 1,3,5 号摆动腿向前跨步摆动， 2,4,6 号支撑腿一边支撑本体一边带动机器人机体使其又向前运动半个步长 S，以上运动为一个整个周期。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 6 进电机 的选择 图 3进结构框图 采用步进电机驱动，该电机可以一个角度一个角度旋转，步进电机的调速是通过控制电机的频率来获得的。一般控制信号频率越高，电机转的越快，频率越低，转的越慢。 标准的置步电机有三条控制线，分别为：电源、地及控制。电源线与地线用于提供内部的直流马达及控制线路所需的能源，电压通常介于 4V 6V 之间。 输入一个周期性的正向脉冲信号，这个周期性脉冲信号的高电平时间通常在12间，而低电平时间应在 5 20间，下表表示出一个典型的20期性脉冲的正脉冲宽度与置步电机的 输出臂位置的关系： 图 4 本组所采用 42号的步进电机，机身长 45轴 22后轴 12 ，转矩 流 阻 17欧姆，电感 线串 4，重量 图 3进电机位移 图 3进电机内部结构 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 设计原理 本组设计的机器人脚灵感来源于西安机器人的脚 如图 3 3该脚部采用 3脚趾（两外一内）连杆机构配合避震的设计。 部避震 在机器人步行过程中，脚部落地瞬间会产生较大 冲击力，极易对 机 体造成损害 ，所以步行机器人在脚部通常都会装有避震机构。避震系统根据工作方式不同可分为主动悬挂和被动悬挂。 主动悬挂采用液压或者气压装置，根据信号，主动对产生的震动进行吸收。被动悬挂一般采用 弹簧和阻尼器等装置，来被动吸收运动过程中所产生的震动。本组采用被动悬挂以减少脚部复杂度，加强机械工作稳定性。 图 3安机器人 部贴合 本组设计脚结构，最大向内弯曲角 135 如图 3大向外弯曲角 如图 3该结构可有效的贴合下水道内壁 ， 在任何尺寸的管道 内壁， 最小贴合面积高达 72%，这极大的增加了足部抓地力，给机器人机身提供良好的稳定性。 图 3安机器人脚部避震 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 8 图 3趾最大弯曲角 氮及喷射臂 原理 计思路 本组在作品设计过程中，调查到，市政下水道内堵塞物通常是由树枝树叶以及塑料袋等垃圾组成。而此类堵塞物中，有硬有软，有的 强硬 坚固，有的 富有弹性，如何使其变得易碎易切割，成了本组所研究的方向之一。 本组决定采用液态氮将物体的硬度强度大幅下降，从而变得容易切割。 态氮的 性质 表 3液氮性质明细表 名 称 氮 （液化的）； 液氮 分子式 险货物编号 22006 理化性质 外观与性状 无色极低温液体，无气味 。 熔点 () 沸点 () 相对密度 (水 =1) 196 相对密度 (空气 =1) 饱和蒸气压 ( 173 溶解性 微溶于水、乙醇。临界温度 () 临界压力 ( 烧爆炸危险性 燃烧性 不燃 。 气体比空气重，可能累积在低层空间，造成缺氧。容器漏损时，该液体迅速蒸发造成封闭空间空气中过饱 和，有窒息严重风险。 燃烧分解产物为氮气。较 稳定 。 聚合危害 不存在 。 受热引起压力升高，容器有爆裂危险。周围环境着火时，允许使用各种灭火剂。 包装与储运 危险性类别 属 第 标注 危险货物包装标志 储运注意事项 ： 不燃性压缩气体。储存于阴凉、通风仓间内。仓内温度不宜超过 30 。远离火种、热源。防止阳光直射。防止阳光直射。应与易燃气体、金属粉末分开存放。验收时要注意品名，注意验瓶日期，先进仓的先发用。搬运时轻装轻卸，防止钢瓶及附件破损。 图 3趾最小弯曲角 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 9 用原理 实验表明，液氮喷射可使物体温度瞬 间将至零下一百多度，使其物理性质发生微小的改变，原本硬的物体会降低强度，原本柔软的物体会变硬且变得易碎。本组觉得使用喷射枪，向管道内无法直接切割的堵塞物喷射液氮，使其容易被切割打碎。 图 3器人 液氮喷射装置 械臂 械臂的 概述 机械手臂是目前在机 器 人技术领域中得到最广泛实际应用的 自动化 机械装置，在工业制造、医学治疗、娱乐服务、军事、半导体制造以及太空探索等领域都能见到它的身影。尽管它们的形态各有不同，但它们都有一个共同的特点，就是能够接受指令，精确地定位到三维（或二维）空间上 的某一点进行作业。 图 3械臂 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 10 械臂的工作范围 本组设计的机械臂由主轴，大手臂，小手臂，工作切割钻头几部分组成，其中主轴（连接大手臂）通过伺服电机可 360自由旋转，大臂工作范围 为 20 180如图 33 小臂工作范围 ： 计算 机械臂（大臂）不碰撞条件 20 z E 180 159. 38 2. 5 159. 38 机械 臂在圆台内移动时 , 每改变一个旋转轴的角度都有可能会导致机械臂的某个部位碰壁 , 所以每次移动都要判断是否碰壁然后决定是否移动 所以与前面的移动不同 , 我们并 而选择直接进行向目标点移动 。 每一条指令只改变 。 其中一个旋转轴的角度 , 该角度的改变满足 : 1) 不会产生碰壁 ; 2) 以尽可能大的幅度向目标 点逼近 。 图 3手臂最大弯曲角 图 3手臂最大弯曲 角 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 11 第四章 电路与 软件设计 块化设计 块化设计的优点 在面对多部分复杂电路结构的情况时，模块化设计可以简化设计过程 ，将复杂的电路分解成可重复利用的模块，对模块进行独 立的测试。提高电路设计质量；同时实现团队协同设计口将大的电路划分为较小的模块，各个部分的设计者可以根据策划，并行原理图设计、 布局布线设计。最后整合到一个 短单板的设计周期；便于设计的重利用口模块化的电路，其原理图和 以方便地用于其它设计中，不仅省时，同时可以避免重新设计可能引入的差错。 块化部分 本组设计机器人电路分为 ， 电源模块， 主板模块，红外 传感器 模块，驱动模块，机械臂工作模块 。本说明书着重介绍主板模块，驱动模块，及红外传感器模块 ，电源模块。 板模块 芯片控制 其中， 源芯片，能提供 3 安培的电流输出，可以满足除步进电机以外其他部分的供电要求， 片采用 5伏供电 ，所以使用伏转为 20路步进电机的供电则采用购买的电源模块，能够提供 6安培的持续电流，满足电机的供电要求。 切 每个模块对应两个步进电机，能够很方便的对步进电机进行控制。 图 4板控制模块 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 12 图 4进控制模块 也可以简单的通过 51单片机模块去控制： （注单片机部分非本组研究成果，为网络文献提供） 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 13 源模块 系统采用两个 9过电源芯片转换为所需的电源，其中控制板供电电源如图 4 图 4源模块 片机置步 汇编程序（此汇编程序为基于 51 单片机的通用六足置步程序，非本组研究成果） 基于 51单片机的六足机器人的行进 ;14 ；伺服马达回到中点时间常数 3 ；伺服马达反转时间常数 25 ；伺服马达正转时间常数 ; 遥控器按键 1 6比较码 19H ；机器人前进比较码 18H ；机器人后退比较码 0 ；机器人左转比较码 09H ；机器人右转比较码 0 ；机器人回到中点比较码 14H ；机器人行走启动进比较码 ; 30H ；红外线信号解码数据放置变量起始地址 32H ；比较第 3字节变量 ; 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 14 ；红外线 ；发光二极管引脚定义 ；中间伺服马达引脚定义 ；左侧伺服马达引脚定义 ；右侧伺服马达引脚定义 ; 0H ；程序代码由地址 0开始执行 ；进入主程序 ; ；关闭中间伺服马达 ；关闭左侧伺服马达 ；关闭右侧伺服马达 ；发光二极管闪烁，表示程序开始执行 ；全部伺服马达回到中点 ；发光二极管闪烁，表示机器人准备完毕 ；运行行走启动子程序，摆好行走姿态 ；红外线信号 备接收红外信号 ；设置 码起始地址 ；进行 码 ；进行解码比较，并控制机器人动作 ；继续循环执行 ; 6,#50 ； 10时子程序 99 1 1,#4 ；发光二极管闪烁子程序 ；发光二极管反向 10 ；进行 100买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 15 ； 1 2 22 2 1 ；红外解码子程序 2 ；等待红外 2: 20 ；发现红外 时一下 20 1 ；确认红 外 3 ；等待 3: 0 ； 8 位数清 0 4 ；等待 4: 5 ；等待 5: 0 ； 数 B 1 ；等待 A,#8 ；设置减数为 8 C ；清除借位标志 C A, ；判断高低位 A, ；取出内存中原先数据 A ；右移指令，将借位标志 寄存器中 A ；将数据写入内存中 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 16 ；处理完成一位， （ 8, ；循环处理 8位 0 ； ；处理完成 1个字节， （ 34H, ；循环收集到 4个字节 ；至完成返回 ； （ 30, ； 数过长，时间到自动离开 ；完成返回 ; P: 执行解码动作子程序 A,A,# ；对解码进行比较，看是否是回到中点指令，否就转至下一项比较 ；发光二极管闪烁 ；执行回到中点 ；发光二极管闪烁 1: A,A,# ；对解码进行比较，看是否是前进指令，否就转至下一项比较 ；执行前进 2: A,A,# ；对解码进行比较，看是否是后退指令，否就转至下一项比较 ；执行后退 3: ;L A,A,# ；对解码进行比较，看是否是左转指令，否就转至下一项比较 ；执行左转 4: ;R A, A,# ；对解码进行比较，看是否是右转指令，否就转至下一项比较 ；执行右转 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 17 A,A,# ；对解码进行比较，看是否是行走启动指令，否就转至下一项 ；发光二极管闪烁 ；执行行走启动 ；发光二极管闪烁 6: ；返回 ; ；各伺服电机回中点控制子程序 1: 1 (2002 15 ；机器人回中点子程序 1 ; ；中间电机正转子程序 (200 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 18 ; ；左侧电机正转子程序 (200 ; ；右侧电机正转子程序 (200 ; ；中间电机反转子程序 (200 ; ；左侧电机反转子程序 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 19 (200 ; ；右侧电机反转子程序 (200 ; 5 ；机器人向前行走子程序 1 10 2 10 3 5 4 10 5 10 6 10 ；机器人向后行走子程序 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 20 10 5 10 10 5 10 ；机器人左转行走子程序 5 10 10 5 10 10 ；机器人右转行走子程序 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 21 5 10 10 5 10 D: 5 ；机器人行走启动子程序 1 5 2 5 3 感器模块 红外解码程序主要工作为等待红外线信号 出现，并跳过引导信号，开始收集连续