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，控制全套图纸加153893706AbstractInviewoftheexpensiveofmunicipalsewerdredging,thedifficultofmunicipalsewerdredging,andthesewercantdredgethoroughly.Thegroupproposethedesignoftherobotofmunicipalsewerdredging.Usingtheliquidnitrogenwhichcarriedbytherobottoreducethestrengthandthehardnessofthebulkhead.Assistingthecuttingmechanicalarmtocutthebulkheadintotinypieceswhichcanbewashedawayonitsownbysewagewatersothatcanachieveabettereffect.Therobotdesignedbythegrouphasbettertrafficability,strongerstabilityandhigherintelligentthanthetraditionalandunintelligentone. 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：Dredgingrobot,intelligentdegree,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