机械创新设计课程考核

1、机械创新设计课程考核方式考核方式平时出勤情况+课程设计课程设计题目：设计一机器，完成下列任务之一窗户玻璃清洁管道油烟清洗楼梯清扫餐具清洗要求：以不超过3人为一个设计小组，完成设计任务。设计任务1. 设计说明书一份，应包括设计思想、功能实现、设计参数确定、必要的计算。2. 3D虚拟样机动画（不超过3分钟）3. 设计图纸（装配图和零件图各一张，内容和规格自定）。.指导教师：孔凡凯，佟岳军作品内容简介该楼梯清扫机器人基于阿基米德螺线、双摇杆结构制作，体现了一种上下楼梯自动化的全新理念，让困扰人类上千年的上下楼梯作业不在困难，也方便了给那些行动不便的残疾人上下楼。由于阿基米德螺线线形，该楼梯清扫机器人

2、拥有出奇的平稳性，可以提供一种爬楼梯的移动工作平台。与以往的爬楼机相比，三角轮形式的一般很难有一个安稳的工作平台，而靠辅助升降装置的爬楼机在上下楼梯时运动连续性很差。这么一比较，该爬楼机的优点也就更加明显了：这就是依靠阿基米德螺线轮形可以平稳的连续的前进。这样一来，由其支撑的装置就可以很好的工作，不产生太大的震荡及变速问题，也就是说，它的功能是提供稳定的工作平台，供其他装置或者试验使用，这也正是它的前景所在。比如说，该平台可以大大方便楼层间的搬运工作，也可以用于助残等领域，这次试验中用于楼梯清扫，也取得了很好的效果。1 研制背景及意义随着社会的发展，科技的进步，一系列新科技应用在人们的日常生活

3、中。上下楼梯自动化的研究也趋于热门。现有的爬楼机大都是利用三角形复合轮子或利用专门的升降装置完成爬楼功能，存在运动不稳定或运动不连续的问题。我们受齿轮啮合原路启发，想到一种利用渐开线轮型爬楼的方法，后来又进一步改用阿基米德螺线轮型，进而设计了一种新型爬楼机，并在此基础上制作了楼梯清扫机器人。该类型爬楼机体现了一种上下楼梯自动化的全新理念，运动平稳连续，让困扰人类上千年的上下楼梯作业不在困难，也方便了给那些行动不便的残疾人上下楼。由于它出奇的平稳性，该爬楼机还可已提供一种爬楼梯的移动工作平台，也大大方便了上下楼梯搬运。用于楼梯清扫工作，正是该爬楼机的应用方法之一。2 设计方案爬楼方案如图1所示，

4、线段AB的长度等于楼梯高度，而曲线ACB的长度等于楼梯面的宽度，自A点开始，沿着曲线ACB方向，与楼梯面接触，由于长度关系，当B点与楼梯接触时，正好该阶楼梯面的终了点接触，同时A点开始与下一阶楼梯面的开始点接触，如此循环，完成爬楼过程。此即基本爬楼原理。 图1 模拟轮型-爬楼原理基本原理确定以后，剩下的问题是ACB段曲线的线型选择。在这个问题上，有过两种方案：渐开线和阿基米德螺线。由于一开始受渐开线型齿轮啮合原理启发，才想到这种爬楼原理，因此计划用渐开线做为轮子的外轮廓。但在后来研究中发现阿基米德螺线有一个特点是半径的增加与角度的增加成正比关系，用在爬楼过程中，体现为：当轮子匀速转动

5、时，轮子轴线位置匀速上升，即轮子运动时在竖直方向上实现匀速运动，这无疑增加了爬楼机运动的平稳性，因此改用阿基米德螺线作为爬楼机轮子的外轮廓。 按照这个方案，轮子每转动一周，爬楼机爬过一阶楼梯，同理，也可以改为n阶楼梯，即将圆周分为n段，每段对应的拥有直线段AB和曲线段ACB，第i段分别记作AiBi,AiCiBi。此时当第i段的B点即Bi点与楼梯接触时，第i+1段的A点，即Ai+1点与下一阶楼梯开始点接触，继续爬楼过程。以此为基础，综合考虑，进一步改进该方案，确定方案为n=3，即每转动一周爬过三阶楼梯（如图2）。 图2 阿基米德螺线型三叶轮图纸3 设计计算3.1 阿基米德螺线轮型的尺寸

6、设计基圆半径确定方法（以n=1为例）：曲线AB上任一点C（如图1），计OC的长度为，OC与OA夹角为，则可设×为一与有关的常数，由处半径的值计算得出：（）所以 h×/再对曲线AB积分得：0(h×/)dx=a解方程得=a/-h/2推广到n>1时可得：c=n×n×h×/=n×a/-h/2本次创新实验设计尺寸为：a =180mm,h=80mm代入前边所的公式得：=90n/-40由此式可知：是n的一次函数，随着n值的增大而增大，所以为了方便试验，同时减小对动力的要求，n值应尽量取较小的值，但不可过小，以方便安装其他机构，兼顾平

7、稳性；故取n=3，此时， c=3×80/2=38.2 mm/rad,=3×180/-80/2=45.9 mm h×/=12.2×+45.9 mm 轮形如图2所示。3.2辅助轮型及传动机构设计考虑到楼梯清扫机器人不可能一直在楼梯上运动，爬完楼梯必然会走上一个平面，因此考虑还需要给该作品增加可以实现平面运动的装置。这需要一种在爬楼时可以不起作用，而到平面上以后才出现的装置。经过长时间的考虑和试验，采用双摇杆结构补圆轮的方法实现此目的。为了运动的平稳，采用双片三叶轮，将双摇杆机构安装在两片三叶轮的中间，即稳定，又有一定的美观性。三叶轮的每一叶均需要一套双摇杆机

8、构，因此三叶轮共需要三套双摇杆结构夹在两片三叶轮之间。每套双摇杆机构都有两种状态：1)非工作状态,如图3所示，此时，双摇杆结构被三叶轮遮挡，三叶轮为工作状态，完成爬楼功能。2)工作状态，如图4和图5所示，短连杆作为主动件，在轴的带动下，从图3所示位置转动到图4所示位置，长圆弧连杆此时撑开，三套连杆的圆弧形连杆组合在一起形成一个圆轮，如图5所示，此时可以完成平面上的运动。此为楼梯清扫机器人的两种运动状态。 图3 双摇杆结构收缩状态 图4 双摇杆撑开状态 图5 全轮的状态两种状态之间的转化通过单片机控制，在现有状态，手动操作控制变换的时间，进一步研究可以增加传感器，自动控制换轮的时间。从

9、三叶轮到圆轮换轮的时间为前轮全部运动到平面上以后，即后轮走完最后一阶楼梯时，此时楼梯清扫机器人停止前行，前轮开始换轮，如实物图7所示。待前轮换轮完毕，楼梯清扫机器人继续前行至后轮完全走上平台，开始后轮的换轮的过程，换轮完毕，楼梯清扫机器人即可沿着平面继续运动，如实物图8所示。从圆轮到三叶轮的转换时间为：楼梯清扫机器人从平面向楼梯运动到合适距离时，停止前行，前轮换轮，之后前行至前轮完全在楼梯上，再开始后轮的换轮过程。楼梯清扫机器人配有两套传动机构，如俯视图（图9）所示，主电机通过齿轮啮合驱动中轴，再由中轴上的四个链轮分别驱动四个三叶轮运动，这是主动力。双摇杆机构分为前后轴两个电机分别驱动，轴的驱

10、动方式也是齿轮啮合，同时通过前后轴两端的三角形与双摇杆结构中的短连杆的三角形孔配合驱动双摇杆机构，每根轴两端的三角形轴段均连接三个短连杆，按照圆周均匀分布，进而驱动三套双摇杆结构。三叶轮连接在空心轴上，二者固连在一起，空心轴外径上安装链轮和轴承，链轮实现前述链传动功能，轴承与轴承座固定在底板的上轴承座配合，确定三叶轮的位置，并保证三叶轮转动灵活性。空心轴内径上也配有轴承，与驱动摇杆的轴（称为内轴）相连。当双摇杆结构处于图示两种位置时，短连杆与三叶轮相对静止，即空心轴相对内轴静止，当双摇杆机构状态变化时，短连杆相对三叶轮转动，此时主电机停止，前轴、后轴电机分别驱动前后内轴转动，短连杆即可相对三叶

11、轮转动，实现换轮过程，当换轮结束，空心轴和内轴继续保持同速，完成爬楼梯或平面运动。同时为了保证两轴之间相对位置的精度，在每一对齿轮的啮合处都添加码盘，反馈对应轴的转动速度和转过的角度，使轴的转动速度更加稳定，位置更加准确。3.3 拖地机构的设计楼梯清扫是这次试验的切入点，主要拖地思想如下：首先，拖地结构增加在楼梯清扫机器人的前端，形成独立状态，不能影响车体的爬楼和其它运动功能；其次，每当车体爬过一阶楼梯，拖地部分工作一次，其余时间，拖地部分不工作。在这样的要求下设计了如图9和图10所示的拖地结构。拖地部件为两块垂直的海绵，长度分别为楼梯长度和楼梯高度，分别擦拭楼梯的平面和竖直面。同时与海绵固结

12、的角铝上安装齿轮齿条机构，是拖地部件可以左右移动，加上限位开关和控制芯片，保证楼梯面能够全部擦拭到位。另外由于爬楼时，拖地部分不工作，需要离开楼梯面，加入连杆结构和丝杆滑块机构，如图10所示，当拖地部分工作时，与丝杠连接的电机转动，驱动丝杠，使滑块上移，在连杆结构作用下，前端拖地部件下移，与楼梯面接触，开始工作。当拖完一阶楼梯面以后，丝杠反转，滑块下移，带动前端拖地部件上升，离开楼梯面，停止工作。3.4控制部分的设计该作品的主控芯片采用飞思卡尔公司的MC9S12DG128单片机，其集成度高，片内资源丰富，接口模块包括8个PWM通道，2个8通道A/D,增强型捕捉定时器，1Mbps的CAN总线等模

13、块；以L298N芯片作为电机驱动，为了获取足够的驱动电流，采用将其内部两个H桥并联的方式，这样做在提高了驱动能力的同时，降低了芯片发热量；反馈装置利用光电编码盘，将其反馈脉冲处理得到电机运行速度与相对位置；控制算法采用改进后的PID控制方法，它由速度闭环控制和位置闭环控制两个部分组成，可以很好的实现控制目的。系统硬件框图如图6所示：  图6 系统硬件框图4 实物照片  图7 楼梯清扫机器人左视图图8 楼梯清扫机器人俯视图  图9 楼梯清扫机器人换轮图  图10 楼梯清扫机器人平面运动图5 创新点及应用本次创新发明的

14、技术亮点就是车轮的设计采用了可连续平稳爬楼的阿基米德螺线轮形和可以实现平地平稳行走的双摇杆机构。 通过对阿基米德线型不完全齿轮的分析研究，设计出该爬楼机的轮形，进一步作出四轮爬楼机实物，在实现平稳连续爬楼梯作业的基础上，进一步完善其自动控制和机械结构，可实现梯段爬梯，平台运动等。 该爬楼机体现了一种上下楼梯自动化的全新理念，让困扰人类上千年的楼梯作业不再困难，也方便了那些行动不便的残疾人上下楼。由于阿基米德螺线半径与角度的线性关系，该爬楼机爬楼时在竖直方向上是匀速运动的，运动连续而且平稳性好，因此可以提供一种爬楼梯的移动工作平台。而与以往的爬楼机相比，三角轮形式的一般很难有一个安稳的工作平台，而靠辅助升降装置的爬楼机在上楼梯时则往往需要停下来完成上升以后，再继续前进。这么一比较，该爬楼机的优点就非常明显了：平稳和连续。这样一来，由其支撑的装置就可以很好的工作，不产生太大的震荡，及变速问题，也就是说，它的功能是为其它装提供好的工作平台，这也正是它的前景所在。本次实验中，其平台上添加了拖地机构，配合可实现水平移动功能的齿轮齿条装置