气动爬绳机器人的研究

1、气动爬绳机器人的研究摘 要     本文提出了一种以气压驱动的蠕动爬绳机器人的设计方案，该方案以气缸的运动带动机器人夹持机构实现对绳索的夹紧。然后通过爬升气缸的收缩和伸长来实现机器人的爬升动作。系统控制部分采用AT89S52单片机为控制核心，为了方便对机器人的控制，通过无线遥控模块对机器人的运动状态进行遥控。   关键词：爬绳；蠕动；机器人       ABSTRACT The paper presents a design schem

2、e of robot which is driven by gas. In this scheme,the crank structure is driven by the piston clutches the rope.Two crank structure are approached by a latex driver ,which can felx under pressure .When the crank structure and latex driver operate together,robot can squirms up and down .The MCU AT89s

3、52 is used as the core of the control system.In order to control the proposed robot conveniently,Telecom module is applied to operate its kinematic state.  Key words: Climbing-rope ; Peristalsis; robot 目 录摘要IABSTRACTII1绪论11.1机器人发展状况 11.2机器人的应用 11.3课题背景和研究意义 21.4本课题的发展状况 31.5本课题要求完成的工作 42总体设计 62

4、.1爬行器的功能分析 62.2爬行器总体构成设计 62.3系统的工作原理和控制原理 72.3.1系统工作步骤说明 72.3.2系统的气动控制原理 83机械结构设计93.1机械机构总体布置说明93.2各部件的设计计算93.2.1爬行器上下面板的选择和布置93.2.2连接螺栓的设计计算103.2.3爬行器的重量计算104气动系统设计 124.1气动系统的选择计算 124.2气动系统的选择计算 124.3夹紧气缸力学分析 135控制系统部分 165.1控制系统方案说明 165.2 AT89S52单片机 165.3单片机驱动部分 195.4无线数据收发模块功能介绍 195.4.1无线数据收发模块电路图

5、 195.4.2程序流程图 235.5传感器的选择和试验 24结论25参考文献26致谢27附录281. 绪论 1.1机器人发展状况随着现代工业的蓬勃发展，特别是进入二十世纪以来微电子技术的飞速发展使得机器人技术也有了长足的发展。在工业生产中，军工中越来越广泛的使用机器人来替代人的工作，这样不但提高了工业生产的效率而且机器人把人从一些比较恶劣的工作环境中解脱出来，改善了人们的工作环境。在航天工业中机器人更是发挥着不可替代的作用，给人类探索宇宙做出了巨大贡献。机器人的使用水平是一个国家工业化发展的水平的一个标志。在我国实现全自动化生产线的企业还很少，但是机器人自动化生产线在西方一些国家早已经普及，

6、所以生产效率大大提高从而经济得到了迅猛发展。机器人的历史并不算长，1959年美国英格伯格和德沃尔制造出世界上第一台工业机器人，机器人的历史才真正开始。近百年来发展起来的机器人，大致经历了三个成长阶段第一代机器人属于示教再现型, 即人手把着机械手，把应当完成的任务做一遍，或者人用“示教控制盒”发出指令，让机器人的机械手臂运动，一步步完成它应当完成的各个动作。20世纪70年代，第二代机器人开始有了较大发展，第二代机器人则对外界环境实用阶段，并开始普及。第三代机器人是智能机器人，它不仅具有感觉能力，而且还具有独立判断和行动的能力，并具有记忆、推理和决策的能力，因而能够完成更加复杂的动作。1.2 机器

7、人的应用当前国际机器人界都在加大科研力度，进行机器人共性技术的研究，并朝着智能化和多样化方向发展。主要研究内容集中在以下几个方面： 一工业机器人操作机结构的优化设计技术：探索新的高强度轻质材料，进一步提高负载/自重比，同时机构向着模块化、可重构方向发展。二机器人控制技术：重点研究开放式，模块化控制系统，人机界面更加友好，语言、图形编程界面正在研制之中。机器人控制器的标准化和网络化，以及基于PC机网络式控制器已成为研究热点。编程技术除进一步提高在线编程的可操作性之外，离线编程的实用化将成为研究重点。三多传感系统：为进一步提高机器人的智能和适应性，多种传感器的使用是其问题解决的关键。其研究热点在于

8、有效可行的多传感器融合算法，特别是在非线性及非平稳、非正态分布的情形下的多传感器融合算法。另一问题就是传感系统的实用化。四机器人的结构灵巧，控制系统愈来愈小，二者正朝着一体化方向发展。五机器人遥控及监控技术，机器人半自主和自主技术，多机器人和操作者之间的协调控制，通过网络建立大范围内的机器人遥控系统，在有时延的情况下，建立预先显示进行遥控等。多智能体（multi-agent）调控制技术：这是目前机器人研究的一个崭新领域。主要对多智能体的群体体系结构、相互间的通信与磋商机理，感知与学习方法，建模和规划、群体行为控制等方面进行研究。智能机器人是具有感知、思维和行动功能的机器，是机构学、自动控制、计

9、算机、人工智能、光电技术、传感技术、通讯技术、仿真技术等多种学科和技术的综合成果。智能机器人做为新一代生产和服务工具，在制造领域和非制造领域占有更广泛、更重要的位置，这对人类开辟新的产业，提高生产与生活水平具有十分现实的意义。1.3课题背景和研究意义近几年来，锁着我国国民经济的发展，高层建筑日益发展，公路运输，特别是桥梁的发展很快。其中一种极富想象力的桥梁结构形式斜拉桥，由于具有许多优越性能，在近年来脱颖尔出，得到了广泛的推广和使用。据不完全统计，仅1995年我国就建造了40余座，近几年更是形成高潮。在我们的城市济南，也先后在黄河上矗立起了黄河大桥和二桥等斜拉桥。这些大桥的建设，很好地推动了国

10、民经济的发展目前对这种斜拉桥拉索的施工示意图如图1.1所示图1.1 目前斜拉桥维护的施工方式 在这种桥梁机构中，拉索是其主要的受力构件，也是核心部件。绳索地施工作业成为斜拉桥桥梁工程的主要内容，其中拉索的涂装等作业的施工质量对保证桥梁的安全和使用寿命乃至桥梁的外观都是十分重要的。它可以是大桥缆索免遭因长期日晒雨淋而锈蚀断裂，又可以是雄伟的外观得以美化，展现其现代化桥梁的魅力，在实用的基础上增加旅游资源。在对拉索的施工作业包括日常检修维护中，目前国内缺乏一种能够在斜拉桥拉索上自行爬行运载人员和各种作业用机械的爬行器，因此在拉索上进行各种作业的难度大、安全性差难以提高施工质量和施工效率。另外，在斜

11、拉桥拉索的日常维护以及意外情况的处理中，也急需一种能够验拉锁负重爬行运载人员和物品的使用爬行器。研制这样的斜拉桥拉索作业用负重爬行器不仅是目前斜拉桥施工和日常维护所急需，同时对于开拓我国施工现场实际应用的高空自动升降做作业设备也有着重要意义。此外，随着我国城镇人口的增加，城市中高层建筑得到了迅速的发展，高层建筑已经越来越的出现在我们的视线中，它们已经成为我们城市中得一道亮丽的风景线，随着高层建筑的发展，也产生了许多问题。其玻璃幕墙表面的清理、表面瓷砖的喷涂，以及一些表面的维护也摆到了人们的面前，目前解决这问题大多靠人工方式，人们坐在高层垂下的绳索上，靠手工擦洗表面，也就是人们俗称得“蜘蛛人“，

12、这种靠人工的方法安全性差，成本高，劳动强度大，工作效率低，所以研究验绳索方向运动地爬行器，来对绳索悬索以及高空管道的的喷涂、清洗、检修，有着极为广泛的应用情景和市场潜力。它可以有效地提高高空操作施工的质量和安全性，并大大减轻了施工人员的劳动强度，更好地为我们的经济服务。最后，我国教学用品的发展及其迅速，随着大学学生的扩招，教学用具的使用也会越来越多，但相应的，对于很重要的一门科目机电一体化来说，却缺少一种典型的示教工具，作为最典型的机电一体化产品-机器人就现状来说，成本高，功能较少，很多机器人做完一次试验就会很长时间的闲置起来，造成了极大的浪费，而我们可以将该爬升器作为典型的机电一体化产品来用

13、于教学，这样就会贴近学生，贴近相关专业。故该气动爬升器的研制可以更好填补教育市场的空白，有着很好的经济效应和社会效应。1.4本课题的发展状况通过对该课题的国内外相关论文的研究，总结出目前对生缆爬升器的一些特点1.利用齿轮互相咬合夹紧绳索攀爬图1.2 齿轮啮合爬绳器以下为设计的几个重点： （）点跟点都是齿轮，但是功能除了互相咬合带动整个机构上升外，最重要的是其两个轴心，绳子爬升所需的摩擦力就是来自于这两个轴的，但是在跟机器人的机器手臂相比之下夹力可能稍嫌不足，但是齿轮必须咬合不能松脱所以整个重点就在于轴心部分的调校，将考虑设计为可以调整大小的轴心 （）另外要说的是点，这个点是一个卡锁，设计的重点

14、也是在于如何使齿轮可以紧紧的夹住绳子，并且可以视绳子的粗细予以调整 （）然后最重要的就是点了，当夹剧都设计完成整个机构是否上升的动力就来自整个机构的马达，跟机器人比较之下机器人的动力来自整个设计杆子的收缩，而我们的机构则是直接将马达连接上齿轮用链条或皮带驱动，当然为了有更大的输出功率整个马达转速不能太快而且整个机构的重量也是如何选择这颗马达的主要考量，至少在传动之后的公必须足以支撑整个机构上升所以在选择材料上要考虑一下用通电的方式然后搭配传感器跟夹具，但是这个方法所需要可以支撑整个机构上升的电流很大，虽然可以考虑使用放大器但毕竟不保险，因为所需要的电流很大，但是电磁感应的技术是一个值得另外思考

15、的方法，另外就是要在夹具上作选择运用马达直接把绳子卷起来（1） 直接设计将绳子绕一个符合马达大小的圆圈，将马达安至于其中使整个马达顺此圆圈线段爬升（2）利用电磁感应所产生的吸力跟斥力使机构上升下降，藉由通过螺旋管所产生的磁力将整个机构往上推，更进一步的改变电流的方向可以改变整个机构移动的方向。此设计的一个重点在于下图的防滑机构：图1.3防滑装置此防滑机构原理为当绳子平顺移动时两边的滚珠会平顺的转动，可是假如有忽然间掉落的情形时瞬间产生的速度将迫使滚珠与绳子及两边夹的更紧以达到固定只滑的效果，此原理同安全带。1.5本课题要求完成的工作综合以上国内外爬升机器人的技术发展现状和出于实用上的考虑，所设

16、计的爬行器要求能在绳索方向上爬行，而且要承受一部分的载荷，包括爬绳器自重、施工设备绳索与地面呈90度，爬行器还应该可以采用多种操纵控制方式和运动方式，具有一定的爬行速度，爬行器运行适应不能破坏绳索的表面，即对其最大平均压强有着严格的限制，同时还要求爬行器具有重量轻、结构紧凑，便于演示和示教，从而应用于教学演示，小规模施工作业中。本题目的设计工作内容为：研制一台能自动爬杆的机器人。要求对其机构设计和动力进行计算机构设计、机构运动。机器人的设计部分包括：运动学、动力计算等。具体内容为：1、机器人的总体方案设计；2、机器人夹持机构及其控制系统的设计，折合A1的手工绘图2张；3、机器人爬升机构设计；4

17、、进行单片机控制系统设计；5、完成全部系统的安装调试工作该机器人的设计规格为：1、可搬运重量：最大2Kg；2、爬行速度大约为4m/min；3、动力部件为气缸，爬升气缸行程大于30cm；2总体设计2.1爬行器的功能分析爬行器的主要功能是能够自行再拉索上负重爬行，为此爬行起必须能够获得足够的沿拉索方向的牵引力和动力装置。作为一种承载式自动爬行装置，其上升与下降运动为直线运动，该装置的主运动和辅助运动都宜采用直线运动，因此设计采用具有循环往复运动特点的油缸或气缸较为有利。这样，既利于获得连续或单步两种爬升方式，又可以方便地进行手动、自动遥控操纵。但由于爬行器在绳索上最大的爬升高度为10米，如果采用液

18、压传动作为动力，油液的传送、油管的布置和现场施工中液压有的获得都是难以解决的问题，此外，液压有的中量也会对爬行器整体重量产生巨大影响。所以，根据爬行器功能要求，本设计确定采用气压传动作为爬行器动力，完全可以满足最大荷重2kg要求，也有利于使爬行器自重控制在范围内，同时气源又可以满足清洗、喷涂等作业的用气需要。出于工作效率上的考虑，爬行速度对上行要求达到4m/min,下行时要达到5m/min，其速度可以手动设定，故设计确定采用单片机。它的特点体现在体积小，重量轻，成本低，变成简单，容易掌握。配合安装与气缸上进行行程控制的电磁阀可以很容易地实现爬行器运动控制要求。 爬行器要求自动进行上、下运动，运

19、动时要求能够支撑与重力方向，因此爬行器轴向力获得以及如何稳定沿拉索移动而不会倒退时一个关键问题。设计考虑利用气缸所产生的压力从而克服重力来实现爬行动作。同时考虑爬行器不能脱离绳索，故必须设计以夹紧装置，本设计通过两组对称布置的加紧锚片，这样可以使锚片对绳索的径向力互相抵消，不会造成对绳索的附加载荷，较之采用其他结构类型也减少对绳索的磨损。爬行器锚片具有两片对称的夹具组成，锚片对称布置，工作是类似钳子夹在绳索上，动力靠两组对称的薄壁气缸提供，该结构可以实现锚片的往复运动，从而实现对绳索加紧和松开。伸缩机构可以与之配合运动，从而使该爬升机构可以无障碍的沿绳索上升，下降，从而完成爬升的动作。因为沿绳

20、索爬行的特殊性，其应急的安全措施必不可少，在断电，断气等故障下故本设计设计一手动制动器，使手动制动器以绳索之间摩擦缓慢下滑。该爬行器制成可以套在绳索的机构，为避免对绳索形成附加载荷，选择左右对称式布置，使爬行其实力均衡，运动可靠稳定，爬行器设有连接件，可以转载一部分负重物，已完成其他功能之用。2.2 爬行器总体构成设计 根据爬行器的构成和功能以及所要实现的工作要求，总结以上分析，可以归纳出爬行器有以下特点：(1)采用气动传动，可以为爬行器动力。(2)锚具与绳索接触应力小，不致破坏绳索的表面涂层。(3)气动回路从设计上保证上、下加紧气缸在任何时候都至少有一个保持加紧状态。(4)爬行器采用现场部件

21、拆装方式，便于运输和携带。(5)采用计算机控制，可自动连续爬行或单步爬行，操作十分方便。(6)自身重量尽可能的小使爬行更加方便。由以上所列出的爬行器的主要特点，构思出爬行器总体设计 如图2.1所示在该结构中，爬行器由左右伸缩气缸A1和A2以及与之相连的上体及下体组成。爬行器上体由上体架，加紧锚具组成，下体由下体架及架紧锚具组成上、下体架由硬铝充当，可以充分的减轻自身重量。锚具是由两片对称布置并由气缸作为动力的薄壁气缸组成，锚片内侧带非金属材料聚氨酯衬垫，以减少对绳索的损伤。聚氨酯衬垫和锚片通过胶水与锚片粘结，锚片与聚氨酯之间应保持联结良好，不发生相对滑移。否则影响加紧性能。锚具的夹紧气缸通过螺

22、栓与上、下体板联结再伸缩气缸运动时可以随其联动。伸缩气缸是本装置的主动力装置， 图2.1 气动爬绳器人通过主气缸的伸缩使爬行器的上体和下体发生相对运动，并借助上下锚具的加紧实现爬升器的上行或下行。2.3系统的工作原理和控制原理2.3.1系统工作步骤说明根据上述爬行其总体结构与部件设计要实现爬行器的上升、下降，拟定将系统运动分解成以下的工作步骤。气动上行工作过程：爬行器正常上行工作时，系统中部件的运动状态由单片机通过电磁阀调节，其工作过程如下：（1）下面锚具气缸伸出，下锚具夹紧，上面锚具气缸回缩，上锚具松开，左右主气缸杆伸出，爬行器上体上行。（2）上面锚具气缸伸出，上锚具夹紧，下面锚具气缸回缩，

23、下锚具松开，左右主气缸杆回缩（气缸体伸出），爬行器下体上行。重复以上动作1. 气动下行工作过程爬行器正常下行工作时，系统中部件的运动状态由单片机通过电磁阀调节，其工作过程如下：（1）上面锚具气缸伸出，上锚具夹紧，下面锚具气缸回缩，下锚具松开，左右主气缸杆伸出（气缸体伸出），爬行器下体下行。（2）下面锚具气缸伸出，下锚具夹紧，上面锚具气缸回缩，上锚具松开，左右主气缸杆回缩，爬行器上体下行重复以上动作2.3.2系统的气动控制原理根据以上特点分析和工作步骤分析，本装置气动控制系统如图2.2所示，整个气动控制系统有三个回路组成，它们并联结在气动主回路上与地面气源相连。这三个回路包括主气缸回路和上下脱锚

24、气缸回路。电磁阀由单片机编程控制，实现系统的连续或单步爬行动作，配合安装于气缸上的进行气缸行程精确控制的传感器，可以很容易地实现爬行器运动控制要求。主气缸回路、上脱锚气缸回路、下脱锚气缸回路作为三个并联的回路由地面气源供气，其运动各自独立，互不干涉。系统有无线遥控操作，可以方便的在不同场合运动。图2.2气动控制系统3机械结构设计3.1机械机构总体布置说明爬行器机械部分的结构参见各零件图，其中包括爬行器上体（上顶板），爬行器下体（下底板），上下锚具、锚具支架、竖直导杆、竖直导筒、平行导杆等，还有起降低磨损作用的聚四氟乙烯衬垫的。总体布置图反映了机械结构个部件的装配情况和位置关系，可以粗略的表达爬

25、行器工作过程中地运动特点和操作控制方式。爬行器机械机构整体可以方便的套在绳索上（改进可选用剖分式），为此，爬行器的上下体之间用套筒和导杆相配合，并用螺纹于上下板固定，能取得良好的导向作用。由于爬行器在绳索上爬行和夹紧，对绳索的表面有一定的磨损，为减少该磨损，在锚具的内侧与绳索接触面上，安装一块聚四氟乙烯衬垫，聚四氟乙烯强度大而刚度小，衬垫与内侧用胶水粘结，并且在配合面上都制成阶梯槽，防止脱落。聚四氟乙烯具有良好的滑动、耐磨性以及摩擦系数很低的特点，是极好的滋润滑材料，用来降低锚具对绳索表面的磨损破坏。为使对衬的锚具在夹持时不发生侧向移动，故在锚具与支架之间加入水平导杆，能起到良好的导向作用。为

26、了尽可能地减轻重量更好的爬升，上下体均采用密度较小的硬铝作为材料，作为爬行七个部件的安装及固定支架。爬行器以上的机械机构在控制系统的协调控制之下实现爬行器的各种运动方式和功能。3.2各部件的设计计算机械部件的设计计算包括：爬行器上下面板的选择和布置；连接螺栓的选用和计算；脱锚机构支架的设计计算；整体结构支架的重量估算。3.2.1爬行器上下面板的选择和布置爬行器上下面板的材料为硬铝，其具体结构参见爬行器的零件图，其机械特能是：爬行器的上下面板通过M8和M20螺母分别与气缸杆以及缸体外连接。爬行器上下板之间靠导筒与导杆之间的配合来导向，以避免由于气缸的筒侧推力而产生的附加弯矩，使爬行器受力不均匀从

27、而造成工作时不稳定和载荷冲击。为考虑重量，故采用硬铝LY12,LY12应用最早的一种标准硬铝，有中等强度，可热处理强化，在淬火和自然淬火下使用，电焊行良好，气焊及氩弧焊时有裂纹倾向热态下可塑性尚好，切削加工型在淬火时效下尚好，耐蚀性不高，用作各种要求中等强度的零件和构件、冲压的连接构件、空气螺旋桨叶片、局部镦粗的零件（如螺栓，螺钉）。考虑到铝的耐磨性差，故需要度一层锌。爬行器锚具与锚具气缸之间靠水平导赶来导向，防止由于气缸产生的扭转而产生的扭矩，采用两导杆来保持器行走过程的方向一致。同样，为考虑整个部件的整体重量和耐磨性差，故需要度一层锌。3.2.2连接螺栓的设计计算根据爬行器的总装配图，各部

28、件采用螺栓固定在爬行器的上下板上。其中各部件上受到的载荷以及螺栓的个数和尺寸大小选择受力情况较不利的三种情况进行较核验算。1.上下锚具座与爬行器的上下板相连的四个螺栓参见爬行器的总装配图，根据设计可知，上下锚具座与爬行器上下面板连接的四个螺栓大小为M8。验算螺栓强度：螺栓承受剪切力，其大小为爬行器所受锚具气缸冲击力F=N;螺栓的剪切面积是S=/4.d.d=3.14/4*8*8=50.24=F/4S=19782/4/50.24=98.4<=100MPa故螺栓强度验算合格。2.主气缸与上下面板连接的四个螺栓参见爬行器的总装配图，根据设计可知，上下锚具座与爬行器上下面板连接的四个螺栓的型号大小

29、为M8和M20。螺栓承受垂直方向的拉伸力，其大小为爬行器所受锚具气缸冲击力F=15892N;螺栓的剪切面积是=F/4S=63<=100MPa故螺栓强度验算合格。螺栓承受垂直方向的拉伸力，其大小为爬行器所=受锚具气缸冲击力F=15892N;螺栓的剪切面积是=F/4S=19782/4/50.24=98.4<=100MPa故螺栓强度验算合格。3.锚具气缸与气缸支架的四个螺栓参见爬行器的总装配图，根据设计可知，上下锚具座与爬行器上下面板连接的四个螺栓的型号大小为M6。螺栓承受垂直方向的拉伸力，其大小为爬行器所受锚具气缸冲击力F=15982N;螺栓的剪切面积是=50.24=F/4S=1978

30、2/4/50.24=98.4<=100MPa故螺栓强度验算合格。3.2.3爬行器的重量估算根据爬行器结构的选择，由表可以查的各个零件的质量：锚具支架理论重量2*0.08028*9.8上顶板的理论重量0.53799*9.8下底板的理论重量0.55530*9.8竖直导杆的理论重量0.05489*4*9.8竖直导筒的理论重量4*0.01764*9.8水平导杆的理论重量0.01225*4*9.8支架的总质量为M=2*0.08+0.5+0.6+0.05*4+0.01*4+0.01*4=1.54Kg总之，所设计的部件能达到了轻便、成本低、便于携带等特点，为机器人的动作实现提供了有利的条件。4气动系统

31、设计4.1气动传动的特点根据爬行器的结构特点和使用要求，本设计采用气压传动作为爬行力的动力。气动系统的政设计在第二章做了介绍，其原理图见2.2图。作为一种比较典型的传动方式，气压传动由以下特点：气压传动的关键是压缩空气，它以空气为介质，工作介质表较容易获得，使用后空气排到大气中，处理方便，与液压传动相比，不必设置回收油液的油箱和管道，整体结构紧凑、简单；因为空气的粘度很小，损失很少，便于集中供气和远距离输送，外泄漏不会像液压传动那样严重污染环境；与液压传动相比，气动动作迅速，反应快，维护简单，工作介质清洁不存在介质变质等问题；气压传动工作环境适应性好，可以在而列环境中工作，比其他控制方式优越；

32、气动的成本较低，过载能自动保护。4.2 气动系统的选择计算气压传动各参数的确定：爬行器自重为最大为15.4N, 载重重量为20N，由于采用双主气缸对称布置以减少附加载荷，所以每一个承载主气缸最大承重17.7N。设气缸工作气压值为0.63Mpa,则每一个主气缸所需内径至少是： (4.1)mm。 初选主气缸内径为，或塞杆直径为（参照气缸内径推荐系列值），根据爬行器的上升和下降速度（上升速度：5.0-8.0m/min），选择主气缸行程为。由生产厂家提供的产品样本挑选一种合适的气缸类型为PKIA 20-50S,主气缸采用两端固定的方式安装到爬行器的上下板上。标准大气压 P0=1.013×Pa

33、气缸工作压力 P=0.6×Pa根据爬行器的最大平均速度，气缸在一分钟内往复运动次数是16次单个气缸所需的压力空气流量为Q0= =7.658单个气缸所需的自由空气流量为Q=Q0=7.6一对主气缸所需的自由空气流量为2Q=9.072根据锚具的工作性能，则初选锚具气缸内径为，活塞杆直径为（参照气缸内径推荐系列值）选择气缸的行程为10mm，由由生产厂家提供的产品样本挑选一种合适的气缸类型为10S-6SR-SD-2000,锚具气缸采用后端螺栓固定的方式装到气缸的支架上。标准大气压 P0=1.013×Pa气缸工作压力P=0.6×Pa锚具气缸在一分钟内往复运动次数与主气缸相同，

34、也是16单个气缸所需的压力空气流量为Q0= = =7.707单个气缸所需的自由空气流量为Q= Q=Q0=7.707一对主气缸所需的自由空气流量为2Q=4.3夹紧气缸力学分析夹紧气缸选择型号为MAL20x160，其具体参数为：活塞直径：Ø20mm最大行程：160 mm压力范围：0.1-0.7MP受力计算：根据设计要求，机器人最大负重可达20Kg,机器人自重约为25Kg建立上部夹紧机构的力学模型：图4.1爬行器受力分析图符号说明：f：摩擦力Fn加紧气缸1提供的推力Fn 加紧气缸2:圆杆的支反力由于两气缸型号相同，大小完全一样，故Fn=FnMg:机构自身重力F机构负重本计算采用简化算法，其

35、中将机器人的重力作用点移到图示位置在垂直方向建立平衡方程;所以： 单侧所受摩擦力 又： 查表得摩擦系数 u=0.5 对气缸进行受力分析：其中，图4.2 气缸受力分析图建立平衡方程：其中S=0.02x0.02=0.0004为大气压强1.01xPa所以： 0.602Mpa<0.7MPa符合设计要求，型号选择正确。根据主气缸与锚具气缸的容积流量（包括在锚具气缸回路中附设的储气罐的容积），由生产厂家的产品样本中选择所用的气源。选定气源型式为风冷移动式，额定排气压为0.7Mpa，额定排气量为：综合以上气动系统和气缸的参数计算和源气件设计选型，可以总结归纳出主气缸与锚具气缸各项能参数，列表如表4-1

36、所示 表4-1 气缸性能参数表项目气缸总长/mm额定气压/MPa气缸伸出力/N气缸回缩力/N气缸大小腔速比伸缩气缸1500.6315792132701.19加紧气缸100.6315792132701.19根据气动系统的额定流量，选定气动阀的型号一对主气缸自由空气流量为0.544m/min；压缩空气流量为0.0919 m/min。一对锚具气缸自由空气流量为0.00554m/min，压缩空气流量为0.000925 m/min。在在主气缸回路中，管道中所有的空气压缩流量为 ；在脱锚气缸回路中，管道内所有压缩空气流量为。在总气动回路中，根据所选定的器源的自由空气流量为，即等同于压缩空气流量产品样本和选

37、择原则，确定减压阀、单向阀、分水过滤器的有效通径都是10mm。对主气缸回路选用，通径为8mm的三位五通双电控电磁阀，并且带有断电后手动进行控制的功能。对锚具气缸选用：通径为6mm的两位五通单电控电磁阀并且带有断电后手动进行控制功能。在主气缸回路中，从阀组到气缸的进出气管采用紫铜硬管，通径为8mm在锚具气缸回路中，从阀组到固定与上体地上锚具气缸的进出气管采用紫铜硬管；从阀组到固定与下体地下锚具气缸的进出气管采用紫铜硬管通径为6mm。气管管路接头处采用插入式管接头，它的胶管内径与所用的气管的内径一致。根据图所式的气动控制系统图，考虑到爬行器在绳索上进行升降运动，设计确定从地面气源接至系统回路总进气

38、管的管路采用塑料软管，以减轻气管的重量和降低成本，气管内径为8mm，长度根据爬行器实际使用时的爬行高度来确定。5控制系统部分5.1 控制系统方案说明爬行器必须能够实现沿绳索方向的运动要求，根据前面的设计，可以确定通过气缸进排气的伸缩过程带动爬行其整体步进式向上攀升或向下滑动。由于气缸运动具有连续性的特点，涉及采用编程简单，成本低廉，性能全面的单片机控制。输入部分：它收集并保存被控对象是及运动的数据和信息逻辑部分：处理输入部分所取得的信息，并按照被控对象世纪的动作 要求做出反应输出部分：提供正在被控制的许多装置中，那几个设备需要实施操作处理。地面遥控器遥控信号接收器手动开关输入开关电路单片机放大

39、电路气动控制电磁阀磁性气缸主气缸位置检测传感器对本爬行器而言，其输入部分是安装于主气缸的磁电式位置传感器，当主气缸的磁性活塞所设定的位置是，通过活塞的磁场式传感器动作，并输入开关电路式该信号可能被单片机接收的信号传送到输入继电器。再单片机预先编写的并存储视线爬行器各种运动程序。在输入信号传入后，单片机的逻辑控制系统按照程序驱动执行电路。这一输出信号由于比较微弱，在经一套输出放大电路进行信号放大，从而可以驱动各气缸的电磁阀动作，实现主气缸或锚具气缸的伸缩运动。循环执行爬行器上行、下行的各步程序，系统就可以稳定、自动、顺序工作。爬行器的流程图如图5.1所示 图5.1 爬行器控制流程图5.2 AT8

40、9S52单片机AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时

41、钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。 图5.2 89s52的封装图VCC : 电源GND: 地P0 口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；

42、在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。P1 口：P1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p1 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如下表所示。在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。引脚号第二功能P1.0 T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出P1.1 T2E

43、X（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）P1.5 MOSI（在系统编程用）P1.6 MISO（在系统编程用）P1.7 SCK（在系统编程用）P2 口：P2 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR）时，P2 口送出高八位地址。在这种应用中，P2 口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址（如MOVX RI

44、）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。P3 口：P3 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p2 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。RST: 复位输入。晶振工作时，RST脚持续2 个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后，RST 脚

45、输出96 个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下，复位高电平有效。ALE/PROG：地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8 位地址的输出脉冲。在flash编程时，此引脚（PROG）也用作编程输入脉冲。在一般情况下，ALE 以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作将无效。这一位置“1”，ALE 仅在执行MOVX 或MOVC指令时有效。否则，ALE 将被微

46、弱拉高。这个ALE 使能标志位（地址为8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。PSEN:外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号。当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN将不被激活。EA/VPP:访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H 到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。为了执行内部程序指令，EA应该接VCC。在flash编程期间，EA也接收12伏VPP电压。XTAL1:振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2:振荡器反相放大器的输出端

47、。5.3单片机驱动部分控制系统采用单片机控制电磁阀的方式来实现，采用三极管作为功率放大元件原理图如5.3所示：图5.3单片机驱动电磁阀电路上图就是控制电磁阀的示意图，我们只是画出了一路输出的情况，又图可知：电磁阀由三级管驱动，当单片机的输出口输出高电平是电磁阀就会导通，则气缸就会伸长，当单片机输出低电平时电磁阀就会闭合，则气缸就会收缩，这样我们通过单片机的控制就实现了爬升的动作。5.4 无线数据收发模块功能介绍5.4.1无线数据收发模块电路图 无线数据传输广泛地运用在车辆监控、遥控、遥测、小型无线网络、无线抄表、门禁系统、小区传呼、工业数据采集系统、无线标签、身份识别、非接触RF智能卡、小型无

48、线数据终端、安全防火系统、无线遥控系统、生物信号采集、水文气象监控、机器人控制、无线232数据通信、无线485/422数据通信、数字音频、数字图像传输等领域中。图5.4数据发射模块的电路图图5.5数据接收模块的电路图SP发射模块主要技术指标：1。通讯方式：调幅AM2。工作频率：315MHZ/433MHZ3。频率稳定度：±75KHZ4。发射功率：500MW5。静态电流：0.1UA6。发射电流：350MA7。工作电压：DC 312VSP接收模块主要技术指标：1。通讯方式：调幅AM2。工作频率：315MHZ/433MHZ3。频率稳定度：±200KHZ4。接收灵敏度：106DBM5

49、。静态电流：5MA6。工作电流：5MA7。工作电压：DC 5V 8。输出方式：TTL电平SP接收模块的工作电压为5伏，静态电流4毫安，它为超再生接收电路，接收灵敏度为105dbm，接收天线最好为2530厘米的导线，最好能竖立起来。接收模块本身不带解码集成电路，因此接收电路仅是一种组件，只有应用在具体电路中进行二次开发才能发挥应有的作用，这种设计有很多优点，它可以和各种解码电路或者单片机配合，设计电路灵活方便。单片机对接收模块的干扰单片机模拟2262时一般都很正常，然而单片机模拟2272解码时通常会发现遥控距离缩短很多，这是因为单片机的时钟频率的倍频都会对接收模块产生干扰，51系列单片机工作的时

50、候，会产生比较强的电磁辐射，频率范围在9MHZ-900MHZ，因此它会影响任何此频率内的无线接收设备的灵敏度，解决的方法是尽量降低CPU 晶体的频率。测试表明：在1M晶体的辐射强度，只有12M晶体时的1/3，因此，如果把晶体频率选择在500K以下，可以有效降低CPU的辐射干扰。另外一个比较好的方法是：将接收模块通过一个3芯屏蔽电缆（地，+5V，DATA，屏蔽线的地线悬空）将模块引出到离开单片机2米以外，则不管51CPU使用那个频率的晶体，这种干扰就会基本消除。对于PIC单片机，则没有上述辐射干扰。可以任意使用。还可以改用频点较高的接收频率，如433MHz就可增加遥控距离，或者需要采用一些抗干扰

51、措施来减小干扰。比如单片机和遥控接收电路分别用两个5伏电源供电，将DF接收板单独用一个78L05供电，单片机的时钟区远离DF接收模块，降低单片机的工作频率，中间加入屏蔽等。接收模块和51系列单片机接口时最好做一个隔离电路，能较好地遏制单片机对接收模块的电磁干扰。SP接收模块工作时一般输出的是高电平脉冲，不是直流电平，所以不能用万用表测试，调试时可用一个发光二极管串接一个3K的电阻来监测SP模块的输出状态。SP无线数据模块和PT2262/PT2272等专用编解码芯片使用时，连接很简单只要直接连接即可，传输距离比较理想，一般能达到800米以上， 图5.5 收发模块电路图 图5.6接收模块和单片机接

52、口5.4.2 程序流程图5.5传感器的选择和试验气缸位置传感器采用开关型霍尔传感器，通过它检测主气缸的位置信息，并将此信号传送到单片机控制其中进行程序控制，传感器中的霍耳集成电路利用半导体硅材料的霍尔效应制成的，能把磁信号转换成电信号器输出的电信号随感应强度的增减呈开关状态。霍尔传感器属于接近开关，其自身带放大电路，是一种集成化的敏感器件。霍尔传感器固定与主气缸外侧.螺杆上某一气缸行程控制器位置。在爬行动作过程中，当主气缸的此磁性活塞离开传感器时，其周围的磁场强度逐渐增加并使霍尔传感器的开关状态发生改变；当主气缸地磁性活塞离开传感器时，其周围的磁场强度逐渐减少并使霍尔传感器恢复到开关状态。与干簧传感器相比较，霍尔集成传感器在实际应用中有以下特点：(1)无触点，这是主要的优点；(2)长寿命，无磨损部分，寿命时半永久性的(3)高可靠性，可与TTL等电路相媲美;(4)无火花，不产生干扰噪声；(5)无自激震荡，抗干扰能力强(6)温度性能好(7)抗污染能力强，除了磁体以外，任何物体的存在都不影响正常工作；(8)输出信号实现了数字化，是理想的数字传感器；(9)结构简单、坚固、体积小、耐冲击。而作为接近开关的另一种形式-干簧管，其工作原理是在磁铁靠近簧片时，通过两快簧片感应异性磁极从而相互吸，实现开关的开闭动作。