擦黑板机器人硬件设计(附件)【字数：11947】
摘 要随着当今社会的进步，生活中对机器人的需求越来越高，比如扫地机器人，擦窗机器人等。本次毕业设计课题就是对一款可以在目前国内普遍使用的金属黑板上擦灰的机器人进行硬件部分的设计。本文所介绍的擦黑板机器人主要由移动吸附部分、驱动部分、擦灰装置、吸灰装置组成。采用的是四轮驱动、磁轮吸附方式，电源采用的是12V的锂电池。通过SolidWorks对机器人进行了整体的机械结构设计，并根据三维图用CAD绘制出了二维装配图和零件图。文中对静力学和吸附条件进行分析，做出了驱动电机的选型与吸附磁条的设计。吸灰部分采用的是一个12V的吸灰气泵，通过吸力把灰存到一个储灰盒中，大大降低了污染。硬件电路部分采用Altium Designer 2014进行电路原理图的绘制，包括AT89S52的最小系统、驱动模块、电源模块及蓝牙遥控模块。擦黑板机器人能正常的在黑板上进行擦灰工作，并具有吸灰的功能，成本较低，能够具有很大的实用价值。
Structural Design; Control Circuits 目 录
第一章 绪论 1
1.1研究背景 1
1.2研究意义 1
1.3论文主要内容 1
1.3.1爬壁机器人的现状 2
1.3.2单片机的背景 2
第二章 擦黑板机器人总体方案设计 4
2.1擦黑板机器人的组成 4
2.2擦黑板机器人的工作流程图 4
2.3系统控制原理图 4
2.4擦黑板机器人的装配图 5
第三章 机械结构设计与分析 6
3.1底板的设计 6
3.1.1底板材质的选型 6
3.1.2底板的机械结构 6
3.2移动与吸附装置的选择 7
3.3擦黑板机器人车轮的选择 8
3.3.1静力分析 9
3.3.2工作条件的计算 10
3.3.3车轮吸附力分析 11
3.3.4磁条的选择 12
3.4驱动电机的选择 13
3.5电池的选择 15
3.6擦灰装置的设计 15
3.7吸灰装置的设计 17
第四章 硬件 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
电路的设计 19
4.1控制器选型 19
4.2电机驱动芯片的选型 20
4.2.1电机驱动芯片的内容 20
4.2.2驱动模块电路原理图 22
4.3电源模块电路原理图 24
4.4蓝牙遥控模块的选型与原理图 24
第五章 软件方案、结论与展望 26
5.1软件流程图 26
5.2结论 26
5.3展望 27
致谢 28
参考文献 29
附录A 30
附录B 31
第一章 绪论
1.1研究背景
老师通过粉笔在黑板上给学生传授了无限的知识，但是你有没有注意过？粉笔灰一直在下降，粉笔也在不断地缩小，它就像春蚕，牺牲自己吐尽芳丝，它又像一根燃烧自己的蜡烛，照亮别人。
粉笔灰尘在课堂上会对老师和学生的健康产生严重的危害。在教学过程中，当粉笔被吸入肺部时，大部分都堵塞于肺部。经过刺激之后，化学效应导致肺损伤，包括呼吸系统炎症和肺通气功能。
粉笔灰尘是通过上呼吸道进入肺部的，尘埃的一部分将留在上呼吸道，从而对上皮细胞产生机械刺激和损伤，在这样的环境下长时间的工作，身体会产生病变，其中最常见的是对鼻子的影响，产生诱发干燥性鼻炎，之后对咽喉的影响是诱发慢性咽炎，支气管会产生慢性支气管炎，严重的会引发哮喘，甚至产生癌变。
通常粉笔的构成部分中，含量偏高的是金属镉，他在被人体吸入后会隐藏在肝或肾骨中，所以长时间接触镉的话会使肺、肾脏引起病变，同时，镉也是最容易引起癌症的金属之一。长久以来，在教学环境中，教学的器材从黑板演化成金属绿板，但写字工具一直是粉笔，而学生使用的书本也一直是白纸黑字，最近有部分使用木色纸，但是人的视觉对黑白色的对比感及其敏感，这样很容易产生视觉疲劳，引发大部分学生的眼睛产生近视。
目前，本课题还无法避免在课堂上使用，只能通过改进黑板擦和粉笔来减少粉笔灰的污染，然而，黑板擦难于清洗，易坏并且无法自动擦拭。随着现代机电技术的发展，本课题完全可以设计一种代替人类擦黑板并且有效的除尘吸尘的机器人，给师生带去一个绿色健康的课堂。
1.2研究意义
习主席主席在十九大指出“既要金山银山，也要绿水青山”。环保的理念已经深入人心，所以本课题在这里就既要保证黑板干净，也要保证师生健康。
擦黑板机器人与目前市场上已经普遍存在的擦窗机器人有点相似，都属于爬壁类型的机器人中的一种，设计它的主要目的是减轻老师和学生在教室里面的粉笔灰污染和提高教师的授课效率，给高速发展的教育事业锦上添花，扩大了服务型机器人在人生活中的应用范围。
1.3论文主要内容
本次论文是在擦黑板机器人硬件设计的课题下展开深度叙述的，其中机械结构方面的设计和硬件电路的设计尤为重要。由于爬壁机器人的特殊性，所以，首先要克服的就是“重力”二字，由怎样使机器人能够在目前国内普遍使用的金属黑板上工作而展开的机械部件的选型和设计。首先关于底板进行材料的选择与CAD设计绘制，第二步对移动与吸附方式进行了研究并选择了磁吸附的方式，第三步对小车的车轮进行了结构上的设计并分析了可行性的受力条件，还有驱动电机和电源的选择，最后对吸灰及擦灰两个部分做了详细的设计包括各部件的选择。还有很重要的一大部分就是驱动电路部分的设计，具体介绍了选用的微控制器的类型，电机驱动芯片的类型和各个模块的电路原理图。最后简单的描述了一下软件方案和软件流程图并给此次毕业设计做出一个结论与展望。
1.3.1爬壁机器人的现状
目前，爬壁机器人已经被广泛的运用在了核工业、船舶行业、勘测行业及救援方面等，如对未知领域资源或危险地带的勘测；对大型油罐外壁定期的进行检修；对大型船舶表面进行喷漆。由于爬壁机器人的功能特殊，各行各业对爬壁机器人的需求也是日益增大，从而爬壁机器人的前景肯定是越来越好的。
爬壁机器人在未来的发展趋势是实用化，包括四个方面，第一是吸附装置，通过研究壁虎吸附在墙上设计并制作模拟壁虎脚趾的吸附装置，该种吸附装置可应用于各种材质和各种形状，使得爬壁机器人更具有实用化；第二是移动方式，移动方式为足式移动方式，使得机器人运动更加灵活，适应能力变得更强，因此有较好的应用前景；第三是驱动设备，研究后发现超声波电机具有体积小、质量轻、控制精度高、反应速度快等优点，在爬壁机器人上具有较好的使用价值；第四是能源问题，现状迫切需要探索出一种新的能源，使爬壁机器人运动范围得到较大的扩展。
Structural Design; Control Circuits 目 录
第一章 绪论 1
1.1研究背景 1
1.2研究意义 1
1.3论文主要内容 1
1.3.1爬壁机器人的现状 2
1.3.2单片机的背景 2
第二章 擦黑板机器人总体方案设计 4
2.1擦黑板机器人的组成 4
2.2擦黑板机器人的工作流程图 4
2.3系统控制原理图 4
2.4擦黑板机器人的装配图 5
第三章 机械结构设计与分析 6
3.1底板的设计 6
3.1.1底板材质的选型 6
3.1.2底板的机械结构 6
3.2移动与吸附装置的选择 7
3.3擦黑板机器人车轮的选择 8
3.3.1静力分析 9
3.3.2工作条件的计算 10
3.3.3车轮吸附力分析 11
3.3.4磁条的选择 12
3.4驱动电机的选择 13
3.5电池的选择 15
3.6擦灰装置的设计 15
3.7吸灰装置的设计 17
第四章 硬件 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
电路的设计 19
4.1控制器选型 19
4.2电机驱动芯片的选型 20
4.2.1电机驱动芯片的内容 20
4.2.2驱动模块电路原理图 22
4.3电源模块电路原理图 24
4.4蓝牙遥控模块的选型与原理图 24
第五章 软件方案、结论与展望 26
5.1软件流程图 26
5.2结论 26
5.3展望 27
致谢 28
参考文献 29
附录A 30
附录B 31
第一章 绪论
1.1研究背景
老师通过粉笔在黑板上给学生传授了无限的知识，但是你有没有注意过？粉笔灰一直在下降，粉笔也在不断地缩小，它就像春蚕，牺牲自己吐尽芳丝，它又像一根燃烧自己的蜡烛，照亮别人。
粉笔灰尘在课堂上会对老师和学生的健康产生严重的危害。在教学过程中，当粉笔被吸入肺部时，大部分都堵塞于肺部。经过刺激之后，化学效应导致肺损伤，包括呼吸系统炎症和肺通气功能。
粉笔灰尘是通过上呼吸道进入肺部的，尘埃的一部分将留在上呼吸道，从而对上皮细胞产生机械刺激和损伤，在这样的环境下长时间的工作，身体会产生病变，其中最常见的是对鼻子的影响，产生诱发干燥性鼻炎，之后对咽喉的影响是诱发慢性咽炎，支气管会产生慢性支气管炎，严重的会引发哮喘，甚至产生癌变。
通常粉笔的构成部分中，含量偏高的是金属镉，他在被人体吸入后会隐藏在肝或肾骨中，所以长时间接触镉的话会使肺、肾脏引起病变，同时，镉也是最容易引起癌症的金属之一。长久以来，在教学环境中，教学的器材从黑板演化成金属绿板，但写字工具一直是粉笔，而学生使用的书本也一直是白纸黑字，最近有部分使用木色纸，但是人的视觉对黑白色的对比感及其敏感，这样很容易产生视觉疲劳，引发大部分学生的眼睛产生近视。
目前，本课题还无法避免在课堂上使用，只能通过改进黑板擦和粉笔来减少粉笔灰的污染，然而，黑板擦难于清洗，易坏并且无法自动擦拭。随着现代机电技术的发展，本课题完全可以设计一种代替人类擦黑板并且有效的除尘吸尘的机器人，给师生带去一个绿色健康的课堂。
1.2研究意义
习主席主席在十九大指出“既要金山银山，也要绿水青山”。环保的理念已经深入人心，所以本课题在这里就既要保证黑板干净，也要保证师生健康。
擦黑板机器人与目前市场上已经普遍存在的擦窗机器人有点相似，都属于爬壁类型的机器人中的一种，设计它的主要目的是减轻老师和学生在教室里面的粉笔灰污染和提高教师的授课效率，给高速发展的教育事业锦上添花，扩大了服务型机器人在人生活中的应用范围。
1.3论文主要内容
本次论文是在擦黑板机器人硬件设计的课题下展开深度叙述的，其中机械结构方面的设计和硬件电路的设计尤为重要。由于爬壁机器人的特殊性，所以，首先要克服的就是“重力”二字，由怎样使机器人能够在目前国内普遍使用的金属黑板上工作而展开的机械部件的选型和设计。首先关于底板进行材料的选择与CAD设计绘制，第二步对移动与吸附方式进行了研究并选择了磁吸附的方式，第三步对小车的车轮进行了结构上的设计并分析了可行性的受力条件，还有驱动电机和电源的选择，最后对吸灰及擦灰两个部分做了详细的设计包括各部件的选择。还有很重要的一大部分就是驱动电路部分的设计，具体介绍了选用的微控制器的类型，电机驱动芯片的类型和各个模块的电路原理图。最后简单的描述了一下软件方案和软件流程图并给此次毕业设计做出一个结论与展望。
1.3.1爬壁机器人的现状
目前，爬壁机器人已经被广泛的运用在了核工业、船舶行业、勘测行业及救援方面等，如对未知领域资源或危险地带的勘测；对大型油罐外壁定期的进行检修；对大型船舶表面进行喷漆。由于爬壁机器人的功能特殊，各行各业对爬壁机器人的需求也是日益增大，从而爬壁机器人的前景肯定是越来越好的。
爬壁机器人在未来的发展趋势是实用化，包括四个方面，第一是吸附装置，通过研究壁虎吸附在墙上设计并制作模拟壁虎脚趾的吸附装置，该种吸附装置可应用于各种材质和各种形状，使得爬壁机器人更具有实用化；第二是移动方式，移动方式为足式移动方式，使得机器人运动更加灵活，适应能力变得更强，因此有较好的应用前景；第三是驱动设备，研究后发现超声波电机具有体积小、质量轻、控制精度高、反应速度快等优点，在爬壁机器人上具有较好的使用价值；第四是能源问题，现状迫切需要探索出一种新的能源，使爬壁机器人运动范围得到较大的扩展。
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