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摘要：本構(gòu)想旨在設(shè)計(jì)一種利用正弦諧振進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的微小機(jī)器人，可以應(yīng)用于如化工中管道檢查等對(duì)于工作條件要求較高的領(lǐng)域中，多個(gè)微小機(jī)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(jī)器人在設(shè)計(jì)上還有著多個(gè)減小震蕩與滑移損失的設(shè)計(jì)，進(jìn)一步地降低了運(yùn)動(dòng)損耗，大大拓展了這種微小機(jī)器人的推廣領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：正弦諧振；小機(jī)器人；協(xié)同工作

引言

隨著國家工業(yè)的發(fā)展與進(jìn)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(gè)領(lǐng)域得到了普遍使用。但是，管道系統(tǒng)的安全運(yùn)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(jìn)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(jī)器人技術(shù)對(duì)細(xì)小管道進(jìn)行檢查成為近來人們關(guān)注的熱點(diǎn)。然而，傳統(tǒng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)復(fù)雜，受尺度效應(yīng)影響小型化后運(yùn)動(dòng)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(jī)器人成為了目前研究開發(fā)的一項(xiàng)重要項(xiàng)目。近年來，隨著諧振運(yùn)動(dòng)方式被發(fā)掘，基于振動(dòng)的微動(dòng)型運(yùn)動(dòng)方式逐漸取代了傳統(tǒng)的線性傳動(dòng)方式，成為了簡化機(jī)器人運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)之一，其中正弦波動(dòng)的諧振運(yùn)動(dòng)被視為最為穩(wěn)定的一種微動(dòng)方式。因此我們想利用正弦諧振的方式設(shè)計(jì)一款不需要傳統(tǒng)傳動(dòng)部件的微型管道機(jī)器人，并且能夠搭載一些小型的傳感器進(jìn)行管道檢測工作。目前諧振式小機(jī)器人普遍存在由于柔性腿彎曲時(shí)與管道壁面發(fā)生相對(duì)滑移以及各柔性腿震動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械能損失，致使微型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)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(jī)葉片減震方法——加入輪緣凸臺(tái)減震來減少柔性腿的剛性震動(dòng)來增加機(jī)器人的共振能量，探究是否能增加諧振式管道機(jī)器人的移動(dòng)速度。另外，依據(jù)現(xiàn)有研究數(shù)據(jù)在柔性腳與機(jī)體夾角60°時(shí)，最易達(dá)到共振，機(jī)器人前行速度最高，因此我們擬通過染料實(shí)驗(yàn)法測定柔性足壓縮和舒張時(shí)——即處于正弦波π/2和3π/2周期點(diǎn)時(shí)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(yùn)動(dòng)時(shí)柔性足與管壁的相對(duì)滑移，提高運(yùn)動(dòng)效率。

1硬件及控制部分設(shè)計(jì)

1.1電機(jī)的控制及機(jī)器人運(yùn)動(dòng)原理

采用最簡單的NE555P芯片產(chǎn)生PWM波對(duì)電機(jī)進(jìn)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(jī)轉(zhuǎn)速的大小，電機(jī)上專配一個(gè)飛輪，將旋轉(zhuǎn)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢能，經(jīng)由柔性足的擺動(dòng)再轉(zhuǎn)化為提供軸向速度的動(dòng)能。目前國內(nèi)已經(jīng)有高校進(jìn)行過正弦諧振式運(yùn)動(dòng)的研究，其結(jié)果顯示當(dāng)飛輪正常流暢地運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的柔性足的擺動(dòng)接近正弦運(yùn)動(dòng)。并且，我們查閱了相關(guān)資料，研究了針對(duì)柔性足角度與機(jī)體成不同夾角的情況下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度的統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)顯示在接近50°到60°夾角的情況下諧振達(dá)到機(jī)體固有頻率時(shí)速度最快。

1.2自主設(shè)計(jì)并制作電源管理模塊

利用開關(guān)穩(wěn)壓電源芯片，分別對(duì)主控芯片、驅(qū)動(dòng)模塊和電機(jī)供電，并加入保護(hù)電路，目前我們小組已經(jīng)設(shè)計(jì)出微型保護(hù)電路，正在嘗試使用多層PCB電路板，設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)用穩(wěn)壓電路板已經(jīng)正常工作并給參加多項(xiàng)比賽的輪式機(jī)器人單片機(jī)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(jìn)行整體機(jī)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(tái)處理記錄傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并控制電機(jī)以及NRF24L01工作。

1.4實(shí)驗(yàn)時(shí)采用NRF24L01高速率通信

基于串口通信的原理，實(shí)現(xiàn)多機(jī)器人之間的通信。自主制定通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)錯(cuò)誤回傳機(jī)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(shí)時(shí)性，使用115200的波特率，并在上下位機(jī)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(jī)器人尾部，目前已經(jīng)完成對(duì)于新通訊協(xié)議的編程。

2機(jī)械部分設(shè)計(jì)

2.1運(yùn)動(dòng)組件

諧振式微型機(jī)器人由一個(gè)微型無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)，微型電機(jī)帶動(dòng)偏心輪旋轉(zhuǎn)，偏心輪的離心力激勵(lì)彈性支架產(chǎn)生振動(dòng)；振動(dòng)經(jīng)殼體傳遞給柔性足；柔性足與管壁呈一定角度，在振動(dòng)時(shí)其末端與管道壁發(fā)生碰撞和非對(duì)稱摩擦，當(dāng)激勵(lì)頻率與系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性匹配時(shí)，機(jī)器人在柔性足的推動(dòng)下產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。

2.2柔性足減震凸臺(tái)

在柔性足根部與殼體連接處的位置增加減震凸臺(tái)，連接各個(gè)柔性足，減小機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)的振動(dòng)，最小化柔性足運(yùn)動(dòng)帶來的能量損失，從而增加機(jī)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(huì)大大簡化。

2.3諧振式管道機(jī)器人運(yùn)動(dòng)原理

微型管道機(jī)器人結(jié)構(gòu)主要包括有微型電機(jī)、偏心輪、彈性支架組成的激勵(lì)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(jī)帶動(dòng)偏心輪旋轉(zhuǎn)，偏心輪的離心力激勵(lì)彈性支架產(chǎn)生振動(dòng)；振動(dòng)經(jīng)殼體傳遞給柔性足；柔性足與管壁呈一定角度，在振動(dòng)時(shí)其末端與管道壁發(fā)生碰撞和非對(duì)稱摩擦，當(dāng)激勵(lì)頻率與系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性匹配時(shí)，機(jī)器人在柔性足的推動(dòng)下產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)到下方時(shí)，通過支撐結(jié)構(gòu)將振動(dòng)能量傳遞給單向柔性足，機(jī)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(duì)滑動(dòng)。機(jī)器人本體向前移動(dòng)。機(jī)器人在管道內(nèi)運(yùn)行時(shí)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(yùn)動(dòng)摩擦因數(shù)不同，電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，上下兩端柔性足所受摩擦力相對(duì)改變，兩端摩擦力差值越大，機(jī)器人輸出牽引力越大。此外，當(dāng)機(jī)器人遇到障礙或管道直徑微小變化時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)一定程度的柔性調(diào)節(jié)。

2.4微型機(jī)器人電機(jī)飛輪設(shè)計(jì)

微型電機(jī)擬采用N50航模電機(jī)，電機(jī)長度僅15mm，負(fù)載飛輪時(shí)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(dòng)可以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，保證正弦振動(dòng)的頻率變化范圍能夠包含機(jī)體自身的固有頻率。

3結(jié)論

這款微小機(jī)器人通過自定義數(shù)據(jù)通信協(xié)議減少誤碼率以及對(duì)錯(cuò)誤信息的處理，不需借助復(fù)雜的傳動(dòng)裝置便可以實(shí)現(xiàn)在管道內(nèi)的運(yùn)行，不受任何地形的限制，搭配各種傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)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(jī)平臺(tái)進(jìn)行綜合處理，提高了作業(yè)效率。此外，我們?cè)谖⑿蜋C(jī)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(shí)流程大大簡化，并且減小柔性足自身振動(dòng)所消耗的能量，增加正弦波共振的能量，提高運(yùn)動(dòng)效率。

參考文獻(xiàn)：

［1］解旭輝,王宏剛,徐從啟.微小管道機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及動(dòng)力學(xué)分析［J］.國防科技大學(xué)學(xué)報(bào),2007(06):98-101.

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［3］李旻,章亞男,龔振邦.微小機(jī)器人的移動(dòng)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(dòng)力與能源學(xué)院