正弦谐振微小机器人设计构思范文

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摘要：本构想旨在设计一种利用正弦谐振进行运动的微小机器人，可以应用于如化工中管道检查等对于工作条件要求较高的领域中，多个微小机器人可以协同工作，具有较高的工作效率。此外，本文讲述的微小机器人在设计上还有着多个减小震荡与滑移损失的设计，进一步地降低了运动损耗，大大拓展了这种微小机器人的推广领域。

关键词：正弦谐振；小机器人；协同工作

引言

随着国家工业的发展与进步，制造业的不断提升使管道的建设和利用也得到了迅速的发展，尤其是细小工业管道在工业的各个领域得到了普遍使用。但是，管道系统的安全运行需要稳定的管道检查方法来保证。传统的管道检测方法一般采用直接目视或由人工携带简单的工具进行检查，存在着不安全、破损不易发现、判断不准确等诸多弊病。因此，用机器人技术对细小管道进行检查成为近来人们关注的热点。然而，传统机器人结构复杂，受尺度效应影响小型化后运动效率急剧下降，难以适应微型管道的作业环境。结构简单、高效率的微型机器人成为了目前研究开发的一项重要项目。近年来，随着谐振运动方式被发掘，基于振动的微动型运动方式逐渐取代了传统的线性传动方式，成为了简化机器人运动结构的关键技术之一，其中正弦波动的谐振运动被视为最为稳定的一种微动方式。因此我们想利用正弦谐振的方式设计一款不需要传统传动部件的微型管道机器人，并且能够搭载一些小型的传感器进行管道检测工作。目前谐振式小机器人普遍存在由于柔性腿弯曲时与管道壁面发生相对滑移以及各柔性腿震动产生的机械能损失，致使微型机器人的运动效率降低，为了减少这种由于滑移和震荡所造成的损失，我们结合专业中所研究的叶轮机叶片减震方法——加入轮缘凸台减震来减少柔性腿的刚性震动来增加机器人的共振能量，探究是否能增加谐振式管道机器人的移动速度。另外，依据现有研究数据在柔性脚与机体夹角60°时，最易达到共振，机器人前行速度最高，因此我们拟通过染料实验法测定柔性足压缩和舒张时——即处于正弦波π/2和3π/2周期点时柔性足与管道接触部位，并在下压区域增加阻尼涂料，消除运动时柔性足与管壁的相对滑移，提高运动效率。

1硬件及控制部分设计

1.1电机的控制及机器人运动原理

采用最简单的NE555P芯片产生PWM波对电机进行控制，通过miniLC51A降压芯片将电压稳定至5V为PWM波发生电路，利用电路中的电阻比来调控电机转速的大小，电机上专配一个飞轮，将旋转的动能转化为势能，经由柔性足的摆动再转化为提供轴向速度的动能。目前国内已经有高校进行过正弦谐振式运动的研究，其结果显示当飞轮正常流畅地运转时的柔性足的摆动接近正弦运动。并且，我们查阅了相关资料，研究了针对柔性足角度与机体成不同夹角的情况下机器人运动速度的统计实验的实验数据，实验显示在接近50°到60°夹角的情况下谐振达到机体固有频率时速度最快。

1.2自主设计并制作电源管理模块

利用开关稳压电源芯片，分别对主控芯片、驱动模块和电机供电，并加入保护电路，目前我们小组已经设计出微型保护电路，正在尝试使用多层PCB电路板，设计的实验用稳压电路板已经正常工作并给参加多项比赛的轮式机器人单片机供电，性能稳定，制作大小限制在20mm×20mm以内的微型电路板。

1.3采用STM32F103C8T6芯片进行整体机器人的控制

采用STM32F103CBT6芯片（之后简称为stm32芯片）及只保留必要引脚的最小工作台处理记录传感器传输的数据，并控制电机以及NRF24L01工作。

1.4实验时采用NRF24L01高速率通信

基于串口通信的原理，实现多机器人之间的通信。自主制定通信协议，实现错误回传机制，大大降低电路及传输过程中干扰因素所带来的影响。由于巨大的数据通讯量，为保障数据传送的实时性，使用115200的波特率，并在上下位机使用相同数据包格式，确保数据传输的准确性，并且NRF24L01模块仅有12mm×18mm大小，刚好可以卡在机器人尾部，目前已经完成对于新通讯协议的编程。

2机械部分设计

2.1运动组件

谐振式微型机器人由一个微型无刷电机驱动，微型电机带动偏心轮旋转，偏心轮的离心力激励弹性支架产生振动；振动经壳体传递给柔性足；柔性足与管壁呈一定角度，在振动时其末端与管道壁发生碰撞和非对称摩擦，当激励频率与系统动力学特性匹配时，机器人在柔性足的推动下产生运动。

2.2柔性足减震凸台

在柔性足根部与壳体连接处的位置增加减震凸台，连接各个柔性足，减小机器人运动时的振动，最小化柔性足运动带来的能量损失，从而增加机器人工作效率，并且具有固定根部的阻尼环柔性足的更换和安装流程都会大大简化。

2.3谐振式管道机器人运动原理

微型管道机器人结构主要包括有微型电机、偏心轮、弹性支架组成的激励源，节、前端盖、后端盖等结构件和覆盖外表面的柔性纤毛（柔性足）等。微型电机带动偏心轮旋转，偏心轮的离心力激励弹性支架产生振动；振动经壳体传递给柔性足；柔性足与管壁呈一定角度，在振动时其末端与管道壁发生碰撞和非对称摩擦，当激励频率与系统动力学特性匹配时，机器人在柔性足的推动下产生运动。偏心轮转动到下方时，通过支撑结构将振动能量传递给单向柔性足，机器人下端柔性足和管壁接触，发生挤压，摩擦力增大；上端柔性足与管壁间压力减小，摩擦力减小，发生相对滑动。机器人本体向前移动。机器人在管道内运行时输出牵引力的大小和柔性足所受的正压力、柔性足与管壁之间的摩擦因数有关。单向柔性足前后运动摩擦因数不同，电机旋转时，上下两端柔性足所受摩擦力相对改变，两端摩擦力差值越大，机器人输出牵引力越大。此外，当机器人遇到障碍或管道直径微小变化时能够实现一定程度的柔性调节。

2.4微型机器人电机飞轮设计

微型电机拟采用N50航模电机，电机长度仅15mm，负载飞轮时电流为2.8A，空载（不接减速箱）转速为40000转/分钟，配合驱动可以调节电机转速，保证正弦振动的频率变化范围能够包含机体自身的固有频率。

3结论

这款微小机器人通过自定义数据通信协议减少误码率以及对错误信息的处理，不需借助复杂的传动装置便可以实现在管道内的运行，不受任何地形的限制，搭配各种传感器能够实现对管道内气体成分的采集、管道泄漏的勘察等功能。它配备NRF24L01简易的高速数据传输模块，将经由传感器收集的信息统一传输至主机平台进行综合处理，提高了作业效率。此外，我们在微型机器人的柔性足根部添加阻尼盘，使得安装、维修、更换柔性足时流程大大简化，并且减小柔性足自身振动所消耗的能量，增加正弦波共振的能量，提高运动效率。

参考文献：

［1］解旭辉,王宏刚,徐从启.微小管道机器人机构设计及动力学分析［J］.国防科技大学学报,2007(06):98-101.

［2］王耀华,左仁贵.国内外微小管道机器人的研究现状［J］.机械设计,2010,27(12):1-5+17.

［3］李旻,章亚男,龚振邦.微小机器人的移动方式［J］.光学精密工程,2000(04):303-308.

作者：李源 张丽 单位：西北工业大学动力与能源学院