毕业设计（论文）-市政下水道疏通机器人设计（全套图纸三维）

市政下水道疏通机器人设计说明书 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：二一三年九月二十日二一三年十月九日  共叁周中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CY8C3866AXI-040芯片为控制核心，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 In view of the expensive of municipal sewer dredging, the difficult of municipal sewer dredging, and the sewer cant dredge thoroughly. The group propose the design of the robot of municipal sewer dredging. Using the liquid nitrogen which carried by the robot to reduce the strength and the hardness of the bulkhead. Assisting the cutting mechanical arm to cut the bulkhead into tiny pieces which can be washed away on its own by sewage water so that can achieve a better effect. The robot designed by the group has better trafficability, stronger stability and higher intelligent than the traditional and unintelligent one. This robot,which takes CY8C3866AXI-040 as control core,and make transducer feedback signal as control goal.Control the mechanisms and parts in harmony ,such as the six-jaw structure,mechanical arm,and upper-arm,etc.The steady working operation and good dredge effect content are achieved taking advantanges of this creative mechanical structure.Key words：Dredging robot, intelligent degree, control.目录引言1一、 产品设计背景及市场分析21.1产品设计背景21.2市场分析3二、 产品概述4三、 产品硬件设计原理53.1六足结构63.2脚部贴合73.3液氮及喷射臂原理83.4机械臂9四、 软件设计114.1模块化设计114.2主板模块芯片控制114.4单片机置步汇编程序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。第一章 产品设计背景及市场分析1.1产品设计背景在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1.1所示。图1.1 厦门市内涝                       图1.2 江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1.2所示。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。1.2市场分析  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。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，CY8C3866AXI-040芯片控制，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，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。第三章 产品硬件设计原理3.1六足结构3.1.1六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。 3.1.2六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3-1所示。图 3-1步态图                                 图3-2步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3-2。2,4,6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。3.1.3步进电机的选择图3-3步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4V6V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1ms2ms之间，而低电平时间应在5ms到20ms之间，下表表示出一个典型的20ms周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图3-4步进电机位移图3-5步进电机内部结构本组所采用42BYG250-45型号的步进电机，机身长45mm，前轴22-M5圆，后轴12-M5圆，转矩0.38牛米，电流0.6，电阻17欧姆，电感13.8，出线串4，重量0.35KG。3.2脚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3-6,图3-7所示，该脚部采用3脚趾（两外一内）连杆机构配合避震的设计。3.2.1脚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 3-7锡安机器人脚部避震图 3-6锡安机器人3.2.2脚部贴合本组设计脚结构，最大向内弯曲角135如图3-8，最大向外弯曲角 -35如图3-8,3-9。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 3-9脚趾最小弯曲角图3-8脚趾最大弯曲角3.3液氮及喷射臂原理3.3.1设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。3.3.2液态氮的性质表3-1  液氮性质明细表名称氮（液化的）；液氮分子式N2危险货物编号22006理化性质外观与性状  无色极低温液体，无气味。熔点()   -209.8；沸点()  -195.6；相对密度(水=1)  0.81/-196相对密度(空气=1)  0.97；饱和蒸气压(kPa)   1026.42173溶解性  微溶于水、乙醇。临界温度()  -147；临界压力(MPa)  3.40燃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2.2类不燃气体，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。3.3.3使用原理实验表明，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 3-10机器人液氮喷射装置3.4机械臂3.4.1机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 3-11机械臂3.4.2机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20180如图3-12、3-13所示。小臂工作范围：图 3-13大手臂最大弯曲角图 3-12小手臂最大弯曲角计算 机械臂（大臂）不碰撞条件20 < z E < 1802( x E - 210) 2 y E < 159. 38  2( x E - 210) 2 y E z E  159. 38 2( x D - 210) 2 y D  2( x D - 210) 2 y D zD < 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.不做位姿预测, 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。第四章 电路与软件设计4.1模块化设计4.1.1模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、PCB的布局布线设计。最后整合到一个PCB上。缩短单板的设计周期；便于设计的重利用口模块化的电路，其原理图和PCB可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。   4.1.2模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。图 4-1主板控制模块4.2 主板模块芯片控制其中， TPS5430是DCDC电源芯片，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，PSOC芯片采用5伏供电，所以使用LM1117将5伏转为3.3伏。而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 4-2步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）4.3电源模块系统采用两个9V的大容量电池供电，通过电源芯片转换为所需的电源，其中控制板供电电源如图4-3所示。图 4-3电源模块4.4单片机置步汇编程序（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ASM程序;-HOMEEQU  14             ；伺服马达回到中点时间常数BACKEQU  3               ；伺服马达反转时间常数FOR     EQU  25              ；伺服马达正转时间常数; -；遥控器按键16比较码CODE_K1  EQU  19H            ；机器人前进比较码CODE_K2  EQU  18H            ；机器人后退比较码CODE_K3  EQU  0AH            ；机器人左转比较码CODE_K4  EQU  09H            ；机器人右转比较码CODE_K5  EQU  0BH            ；机器人回到中点比较码CODE_K6  EQU  14H            ；机器人行走启动进比较码; -IRCOM EQU  30H               ；红外线信号解码数据放置变量起始地址COM      EQU  32H               ；比较第3字节变量; -IRIN EQU  P3.2                ；红外关闭左侧伺服马达CLR  DJR                      ；关闭右侧伺服马达    CALL  LED_BL                 ；发光二极管闪烁，表示程序开始执行    CALL  GO_HOME              ；全部伺服马达回到中点    CALL  LED_BL                 ；发光二极管闪烁，表示机器人准备完毕CALL  QD                     ；运行行走启动子程序，摆好行走姿态SETB  IRIN                 ；红外线信号IR输入位设为高电平，准备接收红外信号LOOP:MOV  R0,#IRCOM            ；设置IR解码起始地址CALL  IR_IN                  ；进行IR解码CALL  OP                     ；进行解码比较，并控制机器人动作     JMP LOOP                     ；继续循环执行; -DELAY:MOV R6,#50              ；10ms延时子程序D1: MOV R7,#99    DJNZ  R7,$    DJNZ  R6,D1    DJNZ  R5,DELAY    RET; -LED_BL:  MOV R1,#4                  ；发光二极管闪烁子程序LE1:      CPL  WLED                 ；发光二极管反向          MOV  R5,#10             CALL  DELAY               ；进行100ms延时     DJNZ  R1,LE1     RET; -DEL:                                  ；0.1ms延时子程序    MOV  R5,#1DELAY1:    MOV  R6,#2E1:    MOV  R7,#22E2:    DJNZ  R7,E2    DJNZ  R6,E1    DJNZ  R5,DELAY1    RET; -IR_IN:                                 ；红外解码子程序I1:JNB  IRIN,I2                      ；等待红外IR信号出现JMP  I1I2:MOV  R4,#20                      ；发现红外IR信号，延时一下I20:CALL  DELDJNZ  R4,I20JB  IRIN,I1                        ；确认红外IR信号出现I21:JB  IRIN,I3                        ；等待IR变为高电平CALL  DELJMP  I21I3:MOV  R3,#0                       ；8位数清0LL:JNB  IRIN,I4                      ；等待IR变为低电平CALL  DELJMP  .LLI4:JB  IRIN,I5                        ；等待IR变为高电平CALL  DELJMP  I4I5:MOV  R2,#0                       ；0.1ms 计数L1:CALL  DELJB  IRIN,N1                       ；等待IR变为高电平MOV  A,#8                        ；设置减数为8CLR  C                           ；清除借位标志CSUBB  A,R2                       ；判断高低位MOV  A,R0                     ；取出内存中原先数据RRC  A                           ；右移指令，将借位标志C右移进入A寄存器中   MOV  R0, A                     ；将数据写入内存中   INC  R3                          ；处理完成一位，R3 1（R3计数）CJNE  R3,#8, LL                   ；循环处理8位MOV  R3,#0                    ；R3清0INC  R0                          ；处理完成1个字节，R0 1（R0计数）CJNE  R0,#34H, LL                 ；循环收集到4个字节JMP  OK                         ；至完成返回N1:INC  R2                          ；R2 1（R2计数）CJNE  R2,#30, L1                  ；0.1ms 计数过长，时间到自动离开OK:RET                              ；完成返回; -OP:                                         执行解码动作子程序MOV  A,COMCJNE  A,#CODE_K5, A1        ；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CALL  LED_BL                ；发光二极管闪烁CALL  GO_HOME             ；执行回到中点CALL  LED_BL               ；发光二极管闪烁RETA1:MOV  A,COMCJNE  A,#CODE_K1, A2            ；对解码进行比较，看是否是前进指令，否就转至下一项比较CALL  GO_FOR                   ；执行前进     RETA2:MOV  A,COMCJNE  A,#CODE_K2, A3            ；对解码进行比较，看是否是后退指令，否就转至下一项比较     CALL  GO_BACK                 ；执行后退     RETA3:      LMOV  A,COMCJNE  A,#CODE_K3, A4            ；对解码进行比较，看是否是左转指令，否就转至下一项比较     CALL  GO_L                     ；执行左转     RETA4:      R     MOV  A,COM    CJNE  A,#CODE_K4, A5            ；对解码进行比较，看是否是右转指令，否就转至下一项比较     CALL  GO_R                     ；执行右转RETA5:MOV  A,COMCJNE  A,#CODE_K6, A6            ；对解码进行比较，看是否是行走启动指令，否就转至下一项CALL  LED_BL                    ；发光二极管闪烁     CALL  QD                        ；执行行走启动CALL  LED_BL                    ；发光二极管闪烁  RETA6:   RET                                ；返回; -GO_HOME:   MOV  R3,#15              ；机器人回中点子程序H1: CALL  HOME1 DJNZ  R3,H1      RET ; -DJL_FOR:      SETB  DJL              ；左侧电机正转子程序      MOV  R4,#FORFL1:  CALL  DEL      DJNZ  R4,FL1      CLR  DJL          MOV  R4,#(200-FOR)FL2:  CALL  DEL      DJNZ &