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1、除冰机器人一 机器人研究的背景意义近年来，我国南方各地连年发生大雪灾，给国家和人民带来了不可估量的损失，尤其是对输电设施的影响，许多高压线铁塔因为覆冰被压塌，高压线因为覆冰被压断，大家都知道，我们生活在经济高速发展的工业社会，而电对于如今的社会来说无疑可以和水的作用持衡，断电后很多机器设备，娱乐场所，车站，机场将无法正常运行，这个危害是惊人的，长时间的停电还会导致骚乱，所以保证电力设施稳定正常的运行是极其重要的。具体到高压线覆冰，我们需要将高压线覆冰及时的清除，避免高压设施因为覆冰过重而被压倒。很多高压线除冰的方法已经被研究出来或正在研究中，比如电流融化法，敲击法，铣削法，这几种方法各有千秋，
2、我们的机器人采用夹冰和割冰的方案，完全适应高压线的两种覆冰状况，下图为样机图片二 机器人的相关设计介绍2.2爬杆方案设计首先要解决的问题是机器人沿着高压线前行的方式，有两种：一种是采用轮子，就像小汽车在公路上前进一样，让机器人也这样沿着高压线前进，但纯粹的滚动，轮子很有可能会打滑，甚至遇到一些接线头或者防震锤之类的障碍将无法过去，但好处是可以将机器人的重力完全分担在轮子上，且可以连续前行，如下图所示：另一种就是模仿虫子爬行的方式蠕动爬行，即两个夹紧机构交替夹紧，配合伸缩机构的伸缩动作，间歇性的前行，这种方式不存在打滑的现象，但两个夹紧机构交替的承担着整个机器人的重力，使得重力成为机器人安全工作
3、的最大隐患，如下图所示：综上所述，我们采用两种方式结合的方案，即轮子负责承担重力，而夹紧机构牢牢的夹紧高压线，打滑和越障的问题也迎刃而解，最重要的是我们可以利用夹紧机构夹的动作将冰夹碎，对于上面图片4的覆冰情况我们利用伸缩机构强大的推力将梳齿状冰条割去，如下图所示： 机器人前进动作简要：开始 夹紧机构1，2同时执行夹紧动作 夹紧机构1执行放松动作 伸缩机构执行伸开动作 夹紧机构1执行夹紧动作 夹紧机构2执行放松动作 伸缩机构执行缩回动作 夹紧机构2执行夹紧动作其次要确定的是驱动能源，是用蓄电池带动电机或者电磁阀，还是直接利用发动机，考虑到机器人是高空作业，当然是越轻越好，但是发动机与蓄电池相比
4、，蓄电池的重量要轻的多，而且蓄电池的携带也比发动机所使用的油要方便的多，故最终决定采用蓄电池，以下的设计都是在这个大框架下进行的。确定了大概的方向后我们就得详细的确定一下具体的实现机构，前面已经说过，机器人是交替的夹紧高压线，再配合伸缩动作就可以沿线爬行，不言而喻，机器人主要包括两个夹紧机构和一个伸缩机构，下面就来讨论一下这两种机构：2.2.1夹紧机构机器人爬行的是粗细不均匀的覆冰高压线，所以夹紧机构必须能适应直径随时可能会变化的高压线。夹紧机构主要有以下几个方案：1. 利用四杆机构，比如曲柄摇杆机构或者平行四边形机构，可是这种机构效率太低，行程太短，占用空间太大，很难满足我们所确定的工作环境
5、，如下图所示： 2. 直接利用曲柄滑块机构，它实质上是曲柄摇杆机构的演化，所以或多或少的存在着上面的问题，但比上面的方案简单多了，如下图所示： 3. 进一步将曲柄滑块机构的连杆改成绳子，即采用绳轮，绳子的一端系在夹手上，另一端系在绳轮上，绳轮一转动，绳子就会绕在绳轮上，进而拉近两个夹手之间的距离，即完成夹冰的动作，之后，绳轮反转，两个夹手被弹簧弹回，绳轮的转动角度决定夹手之间的距离，如下图所示：2.2.2 伸缩机构1 曲柄滑块机构这种方案速度快，行程范围取决于曲柄的长度，但速度不均匀，如下图所示： 2 齿轮齿条这种机构占用的体积大，且重量太大，这对高空作业的机器人是极其不利的，如下图所示： 3
6、 丝杠这种机构省力，但带来的缺点就是传动比太大，以至于机器人的爬行速度太慢，如下图所示：综上所述，考虑到我们的机器人的功能，不需要伸缩均匀，故选择曲柄滑块机构。2.3设计计算 2.3.1夹紧机构中的绳轮是用电机带动的，这个电机不需要整周转，所以夹冰以及保证机器人能够安全工作的夹紧力决定了电机的参数。下面具体的计算一下： 上图为机器人夹冰的示意图，我们将结冰后的高压线近似成圆柱状，考虑到冰是脆的，它的抗压强度在不同的结冰环境下为0.35.5MPa，而抗剪强度只有抗压强度的一半，所以我们将夹冰部位设计成如下图所示的样子： 这样的设计使得夹手对冰的作用力不仅是压力，而且还有剪切，双管齐下，省力又高效
7、，但考虑到机器人的工作环境，我们决定以压力作为标准确定电机。通过查阅我国各地高压线结冰的厚度，我们确定该机器人工作的最大冰柱直径为60mm，即冰层厚度为30mm ，取最大力62牛来确定电机。即F（拉1）=F（拉2）=62N绳轮的直径我们确定为20MM，这样电机的M（min ）=2*F（拉1）*0.01=1.24N.M考虑到电机不需要整周转，且需要准确的定位和强大的保持力矩，故选用舵机作为绳轮的驱动电机，通过查资料确定选用辉盛舵机作MG996，它的具体参数如下：驱动力矩：1.32N保持力矩：10.50N重量：78g体积：42*38*25mm2.3.2伸缩机构电机的选择 曲柄顺时针转动，即伸缩机构
8、缩时受力分析图如下：曲柄逆时针转动，即伸缩机构伸时受力分析图如下：F（割）是指机器人在遇到冰的状态为冰条时，割断冰条所需要的力，该机器人所割冰条直径可以达到10mm，割冰示意图如下： 1为高压线，2为冰条，3为机器人夹紧机构中安装夹手的铝合金板，它充当着割冰刀子的角色。下面我们就来具体的计算一下割断10mm冰条需要多大的力假设高压线直径为60mm,这种情况下铝合金板与高压线之间的距离最短，即作为悬臂梁的冰条，铝合金作用力的作用点离悬臂梁的固定点是最近的，所以计算出来的力也是最大的。另外，选冰的抗拉强度为最大值2.75MP，即i=2.75MP，如下图所示：F（1），F（2）为铝合金板对冰柱的推力
9、冰柱直径为10mm，故W=3.14*d*d*d/32 =3.14*0.01*0.01*0.01/32 =0.000000098冰柱1或2的力矩图如下：M（max)=F(1)*L(1)由式子i=M/W得 M(max)=F(1)*L(1) =i*W 故 F(1)=i*W/L(1) =2750000*0.000000098/0.01 =26.95N故 F(割)=2*F(1) =53.9N显然，伸缩机构伸时比缩时所需要的驱动力要大，所以我们只需要计算伸时所需要的驱动力，如下图：因为作为滑块的直线轴承与导杆之间的摩擦系数很小，故忽略连杆对滑块的竖直分力，以及机器人的重力造成的摩擦力这样，滑块受到的总阻力
10、F(阻)= F(割)=53.9N通过计算我们得出需要电机的最小驱动力矩为M=1.215N.M考虑到高压线割冰的不规则情况，以及在高压线有一定坡度的情况，我们需要选择力矩大一些的电机，故选用舵机MG996，具体参数如下：质量：78g体积：41*38*25力矩：1.32N.M电压：6V控制方法：PWM2.3.3校核1.夹紧机构绳轮轴的校核，如图所示： 两条绳子对绳轮的拉力几乎是相等的，故绳子对绳轮轴的作用几乎只有扭矩，如下图所示：T=128*0.01 =1.28N.M扭矩图如下；绳轮轴最细的地方直径为6，材料为45钢45钢的许用应力i=40MP由强度条件 i=T/W=16*T/(3.14*D*D*
11、D)=16*1.28/(3.14*0.006*0.006*0.006)=30.1MPi故该轴是安全的。前面已经提到，绳轮轴上只有扭矩，轴承只起到支架的作用，所以只需要满足轴径大小即可，按轴的尺寸，我们选用内径为8mm的深沟球轴承。2. 安装夹手的铝合金板的校核铝合金的许用应力i=150如图所示 由机器人的重力所产生的力矩作用面与铝合金板重合，铝合金板宽80mm，而机器人重2.5Kg，铝合金板远远可以克服机器人重力所产生的力矩。F（3），F(4)的作用点在两个直线轴承上，简化后受力图如下：F（3），F(4)平行于铝合金板，F（1），F（2）垂直于铝合金板，F（3），F(4)所产生的力矩与F（1）
12、，F（2）所产生的力矩平衡，且F（3）=F(4)，F（1）=F（2）由平衡式 F（3）*20=F（2）*45得F(3)=126 N 由于两个支点之间的距离很短，所以两个支点之间的铝合金板的应力很小，我们只需要校核F（2）作用端的悬臂，如下图所示：F（2max）=62NM（max）=62*0.045 =2.79N.MW=b*h*h/6 =0.04*0.003*0.003/6 =0.00000006=M(max)/W=2.79/0.00000006=46.5MPi故铝合金板满足强度条件3. 夹紧机构中两个导杆的选择与校核 杆2和杆1的受力情况完全相同，故只需要校核其中一个，我们选杆1忽略铝合金板和
13、夹手的重力，如下图所示： F(1)为杆1配套的直线轴承对杆1的作用力前面在夹紧机构中的铝合金板的校核中，F(3)就是图中的F(1），故F(1)=126NL是个变化的值，取最大值55mm故M(max)=F(1)*L(max) =6.93N.MW=3.14*d*d*d/32 =0.000000021i=M(max)/W =330MPi故远远满足强度要求考虑到作为导杆，弯曲量即挠度必须很小以使直线轴承的滑动灵活，故选导杆的直径为6mm,即杆1的直径为6mm4. 伸缩机构导杆的选择：受力分析图如下：由力平衡得 F(2)=G*L(1)/L(2) =6.05N F(1)=(L(2)-L(1)*G/L(2) =18.94NM(max)=F(2)*(L(2)-L(1) =0.43N.MW=3.14*d*d*d/32 =0.000000021i=M/W =90.3MPi故远远满足强度要求，但考虑到挠度，所以直径确定为6mm是正确的2.4机器人硬件设计2.4.1以STC89C52单片机为中心的硬件设计1.系统总体控制框图与电路图的设计在本系统的电路中使用了三个舵机来控制夹紧机构和伸缩机构的运动。通过单片机对不同信号的分析和处理来控制舵机转动方向和的角度，使机器人做出相应的动作。2
