正弦諧振微小機器人設(shè)計構(gòu)思范文

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摘要：本構(gòu)想旨在設(shè)計一種利用正弦諧振進行運動的微小機器人，可以應(yīng)用于如化工中管道檢查等對于工作條件要求較高的領(lǐng)域中，多個微小機器人可以協(xié)同工作，具有較高的工作效率。此外，本文講述的微小機器人在設(shè)計上還有著多個減小震蕩與滑移損失的設(shè)計，進一步地降低了運動損耗，大大拓展了這種微小機器人的推廣領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：正弦諧振；小機器人；協(xié)同工作

引言

隨著國家工業(yè)的發(fā)展與進步，制造業(yè)的不斷提升使管道的建設(shè)和利用也得到了迅速的發(fā)展，尤其是細(xì)小工業(yè)管道在工業(yè)的各個領(lǐng)域得到了普遍使用。但是，管道系統(tǒng)的安全運行需要穩(wěn)定的管道檢查方法來保證。傳統(tǒng)的管道檢測方法一般采用直接目視或由人工攜帶簡單的工具進行檢查，存在著不安全、破損不易發(fā)現(xiàn)、判斷不準(zhǔn)確等諸多弊病。因此，用機器人技術(shù)對細(xì)小管道進行檢查成為近來人們關(guān)注的熱點。然而，傳統(tǒng)機器人結(jié)構(gòu)復(fù)雜，受尺度效應(yīng)影響小型化后運動效率急劇下降，難以適應(yīng)微型管道的作業(yè)環(huán)境。結(jié)構(gòu)簡單、高效率的微型機器人成為了目前研究開發(fā)的一項重要項目。近年來，隨著諧振運動方式被發(fā)掘，基于振動的微動型運動方式逐漸取代了傳統(tǒng)的線性傳動方式，成為了簡化機器人運動結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)之一，其中正弦波動的諧振運動被視為最為穩(wěn)定的一種微動方式。因此我們想利用正弦諧振的方式設(shè)計一款不需要傳統(tǒng)傳動部件的微型管道機器人，并且能夠搭載一些小型的傳感器進行管道檢測工作。目前諧振式小機器人普遍存在由于柔性腿彎曲時與管道壁面發(fā)生相對滑移以及各柔性腿震動產(chǎn)生的機械能損失，致使微型機器人的運動效率降低，為了減少這種由于滑移和震蕩所造成的損失，我們結(jié)合專業(yè)中所研究的葉輪機葉片減震方法——加入輪緣凸臺減震來減少柔性腿的剛性震動來增加機器人的共振能量，探究是否能增加諧振式管道機器人的移動速度。另外，依據(jù)現(xiàn)有研究數(shù)據(jù)在柔性腳與機體夾角60°時，最易達到共振，機器人前行速度最高，因此我們擬通過染料實驗法測定柔性足壓縮和舒張時——即處于正弦波π/2和3π/2周期點時柔性足與管道接觸部位，并在下壓區(qū)域增加阻尼涂料，消除運動時柔性足與管壁的相對滑移，提高運動效率。

1硬件及控制部分設(shè)計

1.1電機的控制及機器人運動原理

采用最簡單的NE555P芯片產(chǎn)生PWM波對電機進行控制，通過miniLC51A降壓芯片將電壓穩(wěn)定至5V為PWM波發(fā)生電路，利用電路中的電阻比來調(diào)控電機轉(zhuǎn)速的大小，電機上專配一個飛輪，將旋轉(zhuǎn)的動能轉(zhuǎn)化為勢能，經(jīng)由柔性足的擺動再轉(zhuǎn)化為提供軸向速度的動能。目前國內(nèi)已經(jīng)有高校進行過正弦諧振式運動的研究，其結(jié)果顯示當(dāng)飛輪正常流暢地運轉(zhuǎn)時的柔性足的擺動接近正弦運動。并且，我們查閱了相關(guān)資料，研究了針對柔性足角度與機體成不同夾角的情況下機器人運動速度的統(tǒng)計實驗的實驗數(shù)據(jù)，實驗顯示在接近50°到60°夾角的情況下諧振達到機體固有頻率時速度最快。

1.2自主設(shè)計并制作電源管理模塊

利用開關(guān)穩(wěn)壓電源芯片，分別對主控芯片、驅(qū)動模塊和電機供電，并加入保護電路，目前我們小組已經(jīng)設(shè)計出微型保護電路，正在嘗試使用多層PCB電路板，設(shè)計的實驗用穩(wěn)壓電路板已經(jīng)正常工作并給參加多項比賽的輪式機器人單片機供電，性能穩(wěn)定，制作大小限制在20mm×20mm以內(nèi)的微型電路板。

1.3采用STM32F103C8T6芯片進行整體機器人的控制

采用STM32F103CBT6芯片（之后簡稱為stm32芯片）及只保留必要引腳的最小工作臺處理記錄傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并控制電機以及NRF24L01工作。

1.4實驗時采用NRF24L01高速率通信

基于串口通信的原理，實現(xiàn)多機器人之間的通信。自主制定通信協(xié)議，實現(xiàn)錯誤回傳機制，大大降低電路及傳輸過程中干擾因素所帶來的影響。由于巨大的數(shù)據(jù)通訊量，為保障數(shù)據(jù)傳送的實時性，使用115200的波特率，并在上下位機使用相同數(shù)據(jù)包格式，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，并且NRF24L01模塊僅有12mm×18mm大小，剛好可以卡在機器人尾部，目前已經(jīng)完成對于新通訊協(xié)議的編程。

2機械部分設(shè)計

2.1運動組件

諧振式微型機器人由一個微型無刷電機驅(qū)動，微型電機帶動偏心輪旋轉(zhuǎn)，偏心輪的離心力激勵彈性支架產(chǎn)生振動；振動經(jīng)殼體傳遞給柔性足；柔性足與管壁呈一定角度，在振動時其末端與管道壁發(fā)生碰撞和非對稱摩擦，當(dāng)激勵頻率與系統(tǒng)動力學(xué)特性匹配時，機器人在柔性足的推動下產(chǎn)生運動。

2.2柔性足減震凸臺

在柔性足根部與殼體連接處的位置增加減震凸臺，連接各個柔性足，減小機器人運動時的振動，最小化柔性足運動帶來的能量損失，從而增加機器人工作效率，并且具有固定根部的阻尼環(huán)柔性足的更換和安裝流程都會大大簡化。

2.3諧振式管道機器人運動原理

微型管道機器人結(jié)構(gòu)主要包括有微型電機、偏心輪、彈性支架組成的激勵源，節(jié)、前端蓋、后端蓋等結(jié)構(gòu)件和覆蓋外表面的柔性纖毛（柔性足）等。微型電機帶動偏心輪旋轉(zhuǎn)，偏心輪的離心力激勵彈性支架產(chǎn)生振動；振動經(jīng)殼體傳遞給柔性足；柔性足與管壁呈一定角度，在振動時其末端與管道壁發(fā)生碰撞和非對稱摩擦，當(dāng)激勵頻率與系統(tǒng)動力學(xué)特性匹配時，機器人在柔性足的推動下產(chǎn)生運動。偏心輪轉(zhuǎn)動到下方時，通過支撐結(jié)構(gòu)將振動能量傳遞給單向柔性足，機器人下端柔性足和管壁接觸，發(fā)生擠壓，摩擦力增大；上端柔性足與管壁間壓力減小，摩擦力減小，發(fā)生相對滑動。機器人本體向前移動。機器人在管道內(nèi)運行時輸出牽引力的大小和柔性足所受的正壓力、柔性足與管壁之間的摩擦因數(shù)有關(guān)。單向柔性足前后運動摩擦因數(shù)不同，電機旋轉(zhuǎn)時，上下兩端柔性足所受摩擦力相對改變，兩端摩擦力差值越大，機器人輸出牽引力越大。此外，當(dāng)機器人遇到障礙或管道直徑微小變化時能夠?qū)崿F(xiàn)一定程度的柔性調(diào)節(jié)。

2.4微型機器人電機飛輪設(shè)計

微型電機擬采用N50航模電機，電機長度僅15mm，負(fù)載飛輪時電流為2.8A，空載（不接減速箱）轉(zhuǎn)速為40000轉(zhuǎn)/分鐘，配合驅(qū)動可以調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，保證正弦振動的頻率變化范圍能夠包含機體自身的固有頻率。

3結(jié)論

這款微小機器人通過自定義數(shù)據(jù)通信協(xié)議減少誤碼率以及對錯誤信息的處理，不需借助復(fù)雜的傳動裝置便可以實現(xiàn)在管道內(nèi)的運行，不受任何地形的限制，搭配各種傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)對管道內(nèi)氣體成分的采集、管道泄漏的勘察等功能。它配備NRF24L01簡易的高速數(shù)據(jù)傳輸模塊，將經(jīng)由傳感器收集的信息統(tǒng)一傳輸至主機平臺進行綜合處理，提高了作業(yè)效率。此外，我們在微型機器人的柔性足根部添加阻尼盤，使得安裝、維修、更換柔性足時流程大大簡化，并且減小柔性足自身振動所消耗的能量，增加正弦波共振的能量，提高運動效率。

參考文獻：

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［3］李旻,章亞男,龔振邦.微小機器人的移動方式［J］.光學(xué)精密工程,2000(04):303-308.

作者：李源 張麗 單位：西北工業(yè)大學(xué)動力與能源學(xué)院