全国大学生机械产品数字化设计大赛作品说明书

全国大学生数字化机械产品设计大赛

作品说明书

聚会用快速布场机器人

作者：王腾丁振宇时贝超（排名不分先后）

指导老师：朱衍飞

学校：合肥工业大学

2

目录

作品背景 (4)

作品特点 (4)

作品结构 (5)

作品工作原理 (5)

1.攀爬系统工作原理 (6)

①爬壁机构工作原理 (6)

②跨墙壁攀爬工作原理 (9)

2.悬挂横幅系统工作原理 (9)

3.控制系统工作原理 (9)

4.供电系统工作原理 (12)

5.传感器系统工作原理 (13)

6.电机系统工作原理 (15)

7.功能系统工作原理 (15)

作品主要创新点 (16)

作品市场潜在价值 (17)

参考文献 (18)

附录 (19)

一，作品背景

现代社会，人与人之间交流越来越频繁，交流的形式也多种多样，其中，聚会作为极为重要的一种形式，已越来越被人们青睐。

聚会，就要有聚会的场合。聚会的场合不同于教学，办公场合那样有固定的场合，它是随着聚会的内容，聚会的人员，聚会的时间，聚会的地点而决定的。而日常生活中所能提供的场所又相对固定，那么可以解决人们与日俱增的聚会次数，多种多样的聚会形式和固定单调的聚会场所之间的矛盾么？

答案是肯定的。随着科技的飞速发展，机器人技术正在悄悄改变着我们的生活。爬墙机器人作为机器人家族中重要的分支，已被越来越多的人所重视。我们将先进的机器人技术用于解决实际生活中的问题，基于爬墙机器人工作原理，设计出聚会用快速布场机器人，可以很好的解决这样的问题。

二，作品特点

1.内置储存卡和音响，用户可将聚会时所需的音乐拷贝至储存卡中，再由机器人沿室内墙壁爬至天花板，用机器人强大的吸力将自己牢牢固定在天花板上，这时机器人就成为了一个高品质的音响，可为用户聚会时提供全环绕，堪比舞厅的音乐环境。

2.可平稳地在各种墙壁上自由移动，遇墙角可自动翻转，由一墙壁跨至另一墙壁。

3.拥有强大的灯光辅助系统，在需要进行聚会时，由机器人附着在天花板上，启动灯光辅助系统，可迅速营造出用户所想要的聚会气氛。

4.在聚会时，有时需要悬挂横幅。本机器人自带挂横幅支持功能。自带伸缩臂和横幅挂钩。从此悬挂横幅无局限。

5.具有长时间续航功能，来自于本身所用的大容量锂电池包。连续工作6小时以上没有问题，可支持几场聚会的连续使用。同时电池可拆卸，聚会时更无后顾之忧。

6.产品拆卸方便，安装便捷，配有专用防尘塞，机器不用时，可将腿部拆下，装上防尘塞，保护机器且易于储存。

7.体积小，便于携带，且防水抗风防尘，经久耐用。

8.预留功能接口，用户可根据自己的实际需要加装其他工具（如加装摄像头，可在聚会时

进行全程录像等）。

9.用户可用手柄进行远程操控，操作方便。

三，作品结构

本作品主要包括攀爬系统，供电系统，悬挂横幅系统，功能系统（包括灯光辅助系统，用户预留功能接口，照相机，音响等），传感器系统，控制系统，电机系统七大系统组成。

作品三维效果图如图所示：

四，作品工作原理

1.攀爬系统工作原理

①爬壁机构工作原理

使用在履带上装吸盘来实现机器在墙壁上攀爬。使用履带是为了保证爬行的速度。使用吸盘是为了保证足够的吸力。吸盘由真空泵加单片机进行控制。当机器在墙壁上进行攀爬时，履带保持不停转动，真空泵在单片机的控制下，控制履带前端的吸盘的吸力逐渐变小，在履带后端的吸盘履带的吸力逐渐变大，这样，保证吸盘吸附和履带移动互不影响，同时进行。

关于吸盘的设计：

本作品吸盘使用真空式吸盘。真空吸盘又称真空吊具或真空吸嘴。真空吸盘品种多样，橡胶制成的吸盘可在高温下进行操作，由硅橡胶制成的吸盘非常适于抓住表面粗糙的制品；由聚氨酯制成的吸盘则很耐用。另外，为避免制品的表面被划伤，还可以选择由丁腈橡胶或硅橡胶制成的带有波纹管的吸盘。用户可根据实际情况选择吸盘的种类。

真空吸盘的工作原理：

首先将真空吸盘通过接管与真空设备(本作品选择真空泵）接通,然后与待提升物接触,起动真空设备抽吸,使吸盘内产生负气压,从而将待提升物吸牢,即可开始搬送待提升物。当待提升物搬送到目的地时,平稳地充气进真空吸盘内,使真空吸盘内由负气压变成零气压或稍为正的气压,真空吸盘就脱离待提升物,从而完成了提升搬送重物的任务。

真空吸盘的特点：

①易使用。不管被吸物体是什么材料做的，只要能密封，不漏气，均能使用。相比较而言，电磁吸盘就不行，它只能用在磁性材料上。

②无污染。真空吸盘特别环保，不会污染环境，没有光、热，电磁等产生。

③不伤工件。真空吸盘由于是橡胶材料所造，吸取或者放下工件不会对工件造成任何损伤。而挂钩式吊具和钢缆式吊具就不行。在一些行业，对工件表面的要求特别严格，他们只能用真空吸盘。

真空吸盘吸力计算：

一个吸盘产生的吸附力：

公式：

式中：W--吸附力，N

P--吸盘内真空度（相对压力），Pa

A--吸盘的有效吸附面积，m3

f--安全系数

通常取吸盘的有效吸附面积为吸盘面积的80%左右，真空度取最大值的90%左右。安全系数随使用条件而异。水平吸附时取f≥4，垂直吸附时取f≥8.安全系数除上述条件之外，还应该考虑以下因素：

（1）工作吸附表面的粗糙度。

（2）工作表面是否有油脂附着。

（3）工作移动的加速度。

（4）工作重心与吸附作用线是否重合。

（5）工件的材料。

要根据实际情况再增加1-2倍。

根据本产品实际需要，我们选择真空度最大值可达91%，使用压力为3MPa的真空发生器。由实际情况可知，本产品工作时一部分时间为水平吸附，一部分时间为垂直吸附，f取8，整体机身重取3Kg，有效吸附面积取吸盘面积的80%，真空度取90%，吸盘有效吸附面积取48mm2，g取9.8m/s2，将有关数据带入公式可得需要同时起作用50个吸盘。而本产品为了保证安全性，同时起作用的真空吸盘数量是大于50个的。在同一墙面上攀爬时同时起作用吸盘可达到100个以上，在跨墙壁攀爬时，最小吸力情况下同时作用吸盘可达50个以上，既满足的了对吸力的要求又符合对经济性的要求。在机器爬至用户指定位置之后，位于机器腹部的固定吸附装置会放下，固定吸附装置上附有吸附材料，吸附材料贴紧天花板，为机器提供吸附力，既可以提升整体机器的安全性，又减小了对履带吸盘吸附能力的要求，从而降低相关电机运行的功率，提高了机器的续航能力。

示意图：

腿

固定吸附装置

②跨墙壁攀爬工作原理：

当传感器感应到机器需要跨越墙壁攀爬时，位于机器运行前方的两只机械臂抬起，跨越至另外的墙壁上时，履带转动，带动机器向前运动，吸附稳定之后，机器后方两只机器臂在抬起，离开原墙壁，跨越至新墙壁，吸附稳定后，即完成跨越墙壁攀爬的动作。运用四只机械臂来完成跨越墙壁的动作，机器可运行稳定，且前进，后退，转弯均可，动作灵活。

2.悬挂横幅系统工作原理

在机器的左右耳上各装有两个伸缩杆。伸缩杆由单片机和电机控制。用户通过单片机控制电机，电机转动，带动和电机相连的齿轮转动，齿轮和一齿条相啮合，齿轮转动，使齿条向前向后运动，从而带动伸缩杆向前，向后运动。在最内层的杆子上装有挂钩，方便用户悬挂横幅或彩带。

示意图：

3.控制系统工作原理

综合考虑控制距离远近，控制方法，控制效果之后，我们决定运用单片机为主要控制元件，再为单片机加上通信接口，联通手柄，提供给用户使用。其中手柄右上方红色指示灯为工作指示灯，工作时，指示灯亮起。主界面的上下左右按键分别控制机械的上下左右运动。当机器运行到用户满意的地点时，按下OK按键，机器将吸附在该位置。手柄两侧的OUT,IN按键用来控制安装在机器上的伸缩杆的伸出和缩入。

特点：

1.控制稳定，可靠，且功耗低，成本也相对较小。

2.为单片机加上通信接口后，单片机可和手柄进行交互，即用户可通过手柄控制机器运行。

3.操作简单，易上手。

控制系统主要部件如图所示：

①单片机：

②手柄：

4.供电系统工作原理

机器的供电系统是为机器上所有系统提供能源的系统，通常小型或微型机器人采用直流电源作为电源。在充分考虑到本作品的体积，尺寸，重量，使用时间，电机等主要耗能元件数量等的限制后，我们决定使用锂电池作为供电系统的主要部件。本产品内安装两个锂电池，一个安装在箱体内，为机器整体运动提供电能，另一个安装在机器内部的托盘底部，专门为功能系统提供电能。

锂电池特点：

①具有相对于其他种类电池更高的能量重量比，能量体积比。

②电压相对较高。

③自放电小，可长时间存放。

④锂电池内不含诸如镉，铅，汞之类有害金属，无污染。

⑤循环寿命高，在正常条件下，锂电池充放电周期远远超过其他种类电池。

⑥电池在充放电循环过程中，无电池容量减少的现象。

⑦充电快速，方便。

锂电池如图所示：

5.传感器系统工作原理

在充分考虑到成本，精度，距离等问题后，我们决定使用微型红外线测距传感器和微型光电传感器。

①微型红外线测距传感器工作原理：

红外测距传感器具有一对红外信号发射与接收二极管，利用的红外测距传感器（例如LDM301型等）发射出一束红外光，在照射到物体后形成一个反射的过程，反射到传感器后接收信号，然后利用CCD图像处理接收发射与接收的时间差的数据。经信号处理器处理后计算出物体的距离。运用其工作原理，机器在墙壁上爬行时，持续检测自身和墙壁的距离，发现和墙壁的距离很近时，将信息反馈到控制系统单片机中，由单片机发出指令控制机器各项部件，自动完成跨墙壁攀爬动作。

特点：

首先，其可实现远距离测量，在无反光板和反射率低的情况下也可以测量较远的距离。

且有同步输入端，可多个传感器同步测量。测量范围广，响应时间短。另外，其外形设计紧凑，价格便宜，易于安装，便于操作。

微型红外传感器如图所示：

②微型光电传感器工作原理：

光电传感器在一般情况下，有三部分构成，它们分别是：发送器，接收器和检测电路。

发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源与半导体光源，发光二极管，激光二极管及红外发射二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器有光电二极管，光电三极管，光电池组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面时检修电路，它能滤出有效信号和应用该信号。运用其工作原理，在机器悬挂横幅时，一端机器会发出光信号，机器发出信号的一端称为A面，另一端机器在相同位置会有光信号接收器，机器接收信号的一端称为B面，当一机器从横幅一端发出的信号被在横幅另一端的机器接收时，说明两机器处于同一高度，横幅呈水平挂置。

特点：

检测距离长，对检测物体的限制少，且由于光本身为高速，传感器的电路都由电子零件构成，所以响应时间短，分辨率高，可对微小物体的位置进行高精度检测，且为非接触式检测，也便于调整。

微型光电传感器如图所示：

6.电机系统工作原理：

在本作品上，有驱动机械臂转动的电机，有控制伸缩杆伸缩的电机等各种用途的电机数十个。电机系统在是驱动机械产品的核心系统。鉴于本产品外形微小，且要方便掌握机器行进的距离，所以使用小型步进电动机等类型电机来完成主要驱动任务。

步进电机的优点：

①由于每步的精度在百分之三到百分之五，而且不会将一步的误差积累到下一步因而有较好的位置精度和运动的重复性。

②优秀的起停和反转响应。

③由于没有电刷，可靠性较高，因此电机的寿命仅仅取决于轴承的寿命。

④电机的响应仅由数字输入脉冲确定，因而可以采用开环控制，这使得电机的结构可以比较简单而且控制成本。

⑤仅仅将负载直接连接到电机的转轴上也可以极低速的同步旋转。

⑥由于速度正比于脉冲频率，因而有比较宽的转速范围。

产品上所用电动机示意图：

7.功能系统工作原理：

本作品将用于实现功能的主要部件集成在一块托板上，而托板不用时，为收缩在箱体内部的状态，等需要机器实现功能时，托板经放置在箱体底部的锥齿轮传动机构伸出箱体。

主要功能部件

控制托板升起，降落的锥齿轮机构

五，作品主要创新点

1.本作品既可在各种粗糙度不同的墙壁上自由攀爬，能满足各种聚会场合的需要。

2.可实现平稳的跨墙壁攀爬。

3.运用独特的履带式爬墙壁方式，既保证了攀爬的速度，又保证了攀爬的稳定性。

4.体积小，功耗低，成本可控，且运行时进行了噪音控制，无明显噪音。

5.预留用户功能接口，用户可根据实际情况加装具体功能用具，真正达到“一机多用”的“多功能化”要求。

6.加装单片机，为用户提供方便的控制方式，运用现代传感器控制技术，大大提高了产品的自动化程度。

7.机构拆装方便，在平时机器不同时，可将攀爬机构卸下，在漏出的机械臂接口处塞上防尘塞，轻松对机械进行防护和保养。

六，作品市场潜在价值

随着中国社会的高速发展，沟通和交流成为不可缺少的社会活动。而聚会作为承载沟通和交流的媒介，已发挥着越来越重要的作用。想要举办一次成功的聚会，会场的布置至关重要。我们认为，现代聚会的会场布置要满足：布置快速，布置安全，布置精美三大要求。而我们设计的聚会用快速布场机器人正是为了达到这种要求而诞生的。

聚会用快速布场机器人布场迅速，美观，安全，用户还可根据具体需要启动辅助布场模式，随时随地提供给用户一个满意的聚会场所。

本作品实现产品化生产后，可以各大高校，行政机构等聚会发生密集区为主要市场，一般要布置一个中等大小的会场需产品10个左右，由于产品体积小，操作简单，且易于储存安放，一般单位为实现日常会场布置任务可购置百台左右，由此可见，产品市场缺口巨大，潜在商机无限。

七，参考文献

1.孙志礼，冷兴聚，魏严刚等主编，机械设计.沈阳：东北大学出版社2000

2.哈尔滨工业大学理论力学教研组编.理论力学.北京：高等教育出版社1993

3.孙恒，陈作模主编.机械原理.北京：高等教育出版社2000

4.机械零件设计手册（第二版）/中册，东北工学院《机械零件设计手册》编写组编，冶金工业出版社1982.1

5.朱东梅，胥北澜.画法几何及机械制图[M],高等教育出版社，2000

6.黄常艺，严晋强.机械工程测试技术基础[M],机械工艺出版社，2005

7.陈伯雄，董仁扬，张云飞，等，Autodesk Inventor Professional2012机械设计实战教程[M].北京：化学工业出版社，2013

8.唐湘民，朱大勇，等，Autodesk Inventor有限元分析与运动仿真详解.北京：机械工业出版社，2009

八，附录

附录A部分主要零件有限元分析结果贴图附录B原动机选型