校園垃圾拾撿機器人控制機構設計畢業(yè)設計

1、<p>　　本 科 畢 業(yè) 設 計</p><p>　　題目： 校園垃圾拾撿機器人控制機構設計 </p><p>　　學 院： 工 學 院 </p><p>　　姓 名： XXXXXX </p><p>　　學 號： 20050387 &l

2、t;/p><p>　　專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 </p><p>　　年 級： 機制051 </p><p>　　指導教師： XXXXXXX </p><p>　　二OO九年 五 月 三 日</p><p><b>　　摘要</b><

3、;/p><p>　　隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和人民生活水平的日益提高，垃圾排放量與日俱增，對環(huán)境的壓力越來越大，特別是校園這種人口密集的地方，每天都在制造大量的垃圾，如廢紙、塑料、廢電池、果皮等。為了讓校園保持清潔就必須要費大的人力物力和財力等。</p><p>　　如果設計一種校園拾撿垃圾機器人就可以解決很大的麻煩， 校園撿垃圾機器人機器人是一個集環(huán)境感知、動態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多種功

4、能于一體的綜合系統(tǒng)。撿垃圾機械手是由全液壓控制，機械手固定在移動平臺上構成的一類特殊的移動機器人系統(tǒng)。其中機械手用來實現(xiàn)如抓取、操作等動作，平臺的移動用來擴展機械手的工作空間，使機械手能以更合適的姿態(tài)執(zhí)行任務，機械手的加入也極大的提高了移動機器人的性能。</p><p>　　關鍵詞: 校園；垃圾拾撿機器人；控制機構。</p><p><b>　　Abstract</b>

5、;</p><p>　　With the rapid economic development and increasing people's living standards, waste emissions by increasing the pressure on the environment increasing, Specially campus this kind of densely po

6、pulation place , every day is making massive trash , such as waste paper, plastics, batteries, fruit, etc. . In order for the campus must be kept clean on the charges of human material and financial resources and so on.

7、</p><p>　　If you design a campus that is garbage robot can solve a lot of trouble, the campus garbage robot is a robot environment-aware, dynamic decision-making and planning, such as acts of control and the

8、 implementation of multiple functions in one integrated system. Manipulator garbage from the entire hydraulic control, mechanical hand fixed in the mobile platform consisting of a special kind of mobile robot system. Man

9、ipulator which is used to achieve, such as crawling, operation moves to expand mobi</p><p>　　Key words : campus ; Trash ascends to pick the robot ;Control mechanism </p><p><b>　　目錄</b&g

10、t;</p><p>　　摘要································&

11、#183;····································

12、;·······························I</p><p>　　Abstract&

13、#183;····································

14、;····································

15、83;···················II</p><p>　　第一章 緒論············

16、··········· ·························

17、83;····································1

18、</p><p>　　1.1移動機器人概述·······························&

19、#183;····································

20、;··············1</p><p>　　1.1.1移動機器人的系統(tǒng)結構················

21、····································

22、3;···············1</p><p>　　1.1.2 移動機械手平臺系統(tǒng)···············

23、;····································

24、83;··················2</p><p>　　1.2課題研究背景及意義············&

25、#183;····································

26、;··························2</p><p>　　第二章 機器人工作原理····

27、83;····································&

28、#183;······················4</p><p>　　第三章 機器手整體設計·······

29、3;····································&#

30、183;···················5</p><p>　　3.1 機械手工作原理圖···········

31、····································

32、3;·································5</p><p&g

33、t;　　3.2 液壓系統(tǒng)控制油路圖··································

34、;····································

35、83;···5</p><p>　　3.3液壓缸的選擇···························

36、3;····································&#

37、183;····················7</p><p>　　3.3.1 爪子液壓缸的選擇·········

38、83;····································&

39、#183;·······················7</p><p>　　3.3.2 兩個手臂的油缸的選擇······

40、····································

41、3;·····················7</p><p>　　3.3.3 擺動液壓缸的選擇·········

42、····································

43、3;··························8</p><p>　　3.4 液壓泵的選擇····

44、3;····································&#

45、183;····································

46、·····9</p><p>　　3.5校核···························

47、;····································

48、83;································10</p><p>　　

49、3.6 其它元件的選擇···································

50、;····································

51、83;·······14</p><p>　　3.7 本章小結·······················

52、83;····································&

53、#183;··························14</p><p>　　第四章總結·····

54、;····································

55、83;····································&

56、#183;······15</p><p>　　參考文獻·························

57、····································

58、3;·····························16</p><p><b>　　第一章 緒論<

59、;/b></p><p>　　1.1移動機器人概述</p><p>　　移動機器人的研究始于60年代末期，斯坦福研究院(SR)I的NiISSen和</p><p>　　CharleSRosen等人，在1966年至1972年中研造出了取名Shakey的自主移</p><p>　　動機器人。目的是研究應用人工智能技術，在復雜環(huán)境下機器人系統(tǒng)

60、的自主</p><p>　　推理、規(guī)劃和控制。與此同時，最早的操作式步行機器人也研制成功，從而</p><p>　　開始了機器人步行結構方面的研究，以解決機器人在不平整地域內(nèi)的運動問</p><p>　　題，設計并研制出了多足步行機器人。70年代末，隨著計算機的應用和傳感</p><p>　　器技術的發(fā)展，移動機器人研究又出現(xiàn)了新高潮。特別是

61、在80年代中期，設</p><p>　　計和制造機器人的浪潮席卷全世界，一大批世界著名的公司開始研制移動機</p><p>　　器人平臺，這些移動機器人主要作為大學及研究機構的移動機器人實驗平臺，</p><p>　　從而促進了移動機器人學多種研究方向的出現(xiàn)。90年代以來，以研制高水平</p><p>　　的環(huán)境信息傳感器和信息處理技術，高適

62、應性的移動機器人控制技術，真實</p><p>　　環(huán)境下的規(guī)劃技術為標志，開展了移動機器人更高層次的研究。</p><p>　　1.1.1移動機器人的系統(tǒng)結構</p><p>　　目前研究的移動機器人都是帶有智能的機器人:機器人本身能認識工作</p><p>　　環(huán)境、工作對象及其狀態(tài)，它根據(jù)人給予的指令和“自身”認識外界的結果</p

63、><p>　　來獨立的決定工作方法，利用操作機構和移動機構實現(xiàn)任務目標，并能適應</p><p><b>　　工作環(huán)境的變化。</b></p><p>　　這些具有智能的機器人，有的能夠模擬人類用兩條腿走路，可在凹凸不</p><p>　　平的地面上行走移動;有的具有視覺和觸覺功能，能夠進行獨立操作、自動</p>

64、<p>　　裝配和產(chǎn)品檢驗;有的具有自主控制和決策能力。不僅能夠應用各種反饋傳</p><p>　　感器，而且還能夠應用人工智能中的各種學習、推理和決策技術。</p><p>　　移動機器人一般由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分構成。據(jù)研制目的不同，移動機器人硬件系統(tǒng)的構成也不盡相同，比較完整的典型結構如圖1.1所示。移動機器人的軟件系統(tǒng)，就相當于機器人的“大腦”，智能機器人之所以能

65、夠代替人做大量的工作，就是因為它具有和人類的大腦思維能力相仿的智能控制系統(tǒng)。而這個智能控制系統(tǒng)其實就是機器人的軟件系統(tǒng)，是人工智能主要技術對于機器人的綜合運用。智能機器人的軟件系統(tǒng)，如圖1.2所示。</p><p>　　1.1.2 移動機械手平臺系統(tǒng)</p><p>　　移動機器人是一個集環(huán)境感知、動態(tài)決策和規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多種功能于一體的綜合系統(tǒng)。移動機械手是由機械手固定在移動平臺

66、上構成的一類移動機器人系統(tǒng)。其中機械手用來實現(xiàn)如抓取、操作等動作，平臺的移動用來擴展機械手的工作空間，使機械手能以更合適的姿態(tài)執(zhí)行任務，同時機械手的加入也極大提高了移動機器人的性能。移動機器人體系結構的設計就是要把感知、建模、規(guī)劃、決策、行動等多種模塊有機地結合起來，建立在動態(tài)環(huán)境中完成目標任務的一個或多個機器人結構框架。</p><p>　　1.2課題研究背景及意義</p><p>　　

67、移動機械手平臺系統(tǒng)是實驗室“211”工程建設項目之一，涉及到機械、電子、無線通訊、計算機視覺、模式識別與智能控制的許多學科，將為今后進行基于移動機器人技術的各方面研究(如機器人導航、視覺、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡等)提供理想的實驗載體和平臺。</p><p>　　把機械手安裝在移動平臺上，這種結構使機械手擁有幾乎無限大的工作空間和高度的運動冗余性，并同時具有移動和操作功能，這使它優(yōu)于一般的移動機器人和傳統(tǒng)機械手;另一方

68、面，移動平臺和機械手不但具有不同的動力學特性，而且存在強藕合，有的移動平臺還受非完整約束。因此，研究這類系統(tǒng)的控制問題有十分重要的理論價值和實踐意義。</p><p>　　這種特殊結構的機器人在工業(yè)裝配、無人惡劣環(huán)境中工作(如滅火、外星球探測和各類危險的科學研究)以及室內(nèi)服務工作(如運送、導游和巡邏)等方面具有一定研究價值。</p><p><b>　　機器人工作原理</b

69、></p><p>　　圖2.1 垃圾拾撿機器人原理圖</p><p>　　由圖2.1可以看出機器人的工作過程是；（移動平臺采用后輪驅動前輪轉向）</p><p>　　第三章 機械手整體設計 </p><p>　　3.1 機械手工作原理圖</p><p>　　圖 2.1機械手示意圖</p>&

70、lt;p>　　由圖可以看出擺動液壓缸4帶動上面的轉臺轉動從而帶動整個機器手轉動，液壓缸1的伸縮帶動大手臂的擺動，液壓缸2的伸縮帶動小手臂的擺動，液壓缸3的伸縮帶動爪子的張開與閉合。</p><p>　　3.2 液壓系統(tǒng)控制油路圖</p><p>　　由圖2.2可以看出4個電磁換向閥分別控制4個油缸，換向閥與油缸之間用鎖緊回路連接這樣就可以使油缸準確的停在某一個位置從而提高機械手的工作

71、精準度。</p><p>　　1YA 接通時當油路里的壓力過高則開通溢流閥降壓。</p><p>　　2YA 接通時爪子張開。</p><p>　　3YA 接通時爪子閉合抓緊垃圾。</p><p>　　4YA 接通時手臂1向下擺動。</p><p>　　5YA 接通時手臂1向上擺動。</p><p&

72、gt;　　6YA 接通時手臂2向后擺動。</p><p>　　7YA 接通時手臂2向前擺動。</p><p>　　8YA 接通時整個機械手順時針擺動。</p><p>　　9YA 接通時整個機械手逆時針擺動。</p><p>　　10S 行程開關控制爪子的松開。</p><p>　　11S 行程開關控制擺動液壓缸的

73、擺動。</p><p>　　調(diào)速閥控制機械手抓緊垃圾的速度。</p><p>　　電磁比例溢流閥可以按比例控制油路里的壓力從而控制整個機械手運動的速度。</p><p>　　工作過程：當爪子抓緊垃圾是感應開關同時使5YA和9YA得電控制手臂油缸1和單葉片擺動油缸進油，手臂向上擺動達到水平位置5YA失電，同時單葉片擺動油缸逆時針擺動，當擺動油缸碰到行程開關10S時2Y

74、A得電爪子開始松開，垃圾放入垃圾箱里。當爪子完全張開時碰到行程開關11S時8YA得電單葉片擺動油缸順時針擺動，當接到撲捉垃圾信號時8YA失電使擺動停下，同時控制2YA,4YA,6YA,7YA使爪子定位到垃圾上方并抓住垃圾，再執(zhí)行上面動作。</p><p><b>　　圖2.2</b></p><p>　　3.3液壓的缸的選擇</p><p>　

75、　3.3.1 爪子液壓缸選型 </p><p>　　由于要使機械手上的爪子伸縮則液壓缸必須直線運動又由于液壓缸是固定在機械手臂上的，則根據(jù)（液壓傳動設計手冊）表6-6選用 雙作用單桿帶不可調(diào)緩沖裝置的液壓缸。再根據(jù)（液壓傳動設計手冊）表6-7選擇液壓缸的安裝方式：因為是固定在機械手臂上的，則選用“尾部耳環(huán)連接”方式固定，缸中間再用一個環(huán)套固定在機械手臂上。</p><p>　　由表6-

76、0和爪子的行程設定油缸的行程為50mm可以確定爪子液壓缸的行程也為50mm，再根據(jù)（液壓傳動設計手冊）表6-4，表6-1，表6-2，表6-9，表6-17，表6-18，表6-20，可以選擇出液壓缸的內(nèi)徑為40mm,活塞桿直徑為20mm，供油孔直徑為8mm，導向行程為40mm，液壓缸的外徑為50，缸體和缸蓋的連接為內(nèi)螺紋連接，活塞與活塞桿的連接用螺紋連接，活塞桿端部的螺紋尺寸為M12*15。如圖2.3</p><p>

77、;<b>　　圖2.3</b></p><p>　　3.3.2 兩個手臂油缸的選型 </p><p>　　和3.3.1大體一樣，因為機械手臂是在擺動的，則液壓缸也是隨著手臂擺動的，則選用液壓缸缸端部為“尾部耳環(huán)連接”方式連接而不須用環(huán)套，不過活塞桿端部不是用螺紋連接而是用單耳環(huán)連接。單耳環(huán)的尺寸為內(nèi)徑為16mm，外徑為32mm，厚度為20mm。如圖2.4</p

78、><p><b>　　圖2.4</b></p><p><b>　　活塞缸的速度比：</b></p><p>　　3.3.3 擺動液壓缸的選擇</p><p>　　現(xiàn)在市場上有兩種擺動液壓缸，葉片擺動液壓缸和螺旋擺動液壓缸。對兩種液壓缸進行比較發(fā)現(xiàn)螺旋擺動液壓缸的擺動效果不好，轉矩不大，可密封效果較好，

79、而擺動液壓剛結構緊湊，輸出轉矩大，密封效果較差。但對于中低壓系統(tǒng)中往復擺動，轉位或間歇運動的地方有很好的優(yōu)勢，則選用擺動液壓缸。</p><p>　　擺動液壓缸有分為單葉片擺動液壓缸和多葉片擺動液壓缸，單葉片擺動液壓缸的最大轉角不超過280度，多葉片擺動液壓缸的最大轉角不超過150度。而本文設計的機械手擺動角度為180度，則選用單葉片擺動液壓缸。</p><p>　　根據(jù)液壓設計手冊上的經(jīng)

80、兩種擺動液壓缸規(guī)格如下表6-43，試選用型號為BM-150。</p><p>　　表6-43 擺動液壓缸技術參數(shù)表</p><p>　　表 6-0 活塞行程系列 (mm) </p><p>　　注，GB 2349-80 按優(yōu)先次序給出了三個系列值，</p><p>　　本表僅摘錄了第1表（優(yōu)先系列）中至500mm的系列值。</p>

81、<p>　　表6-1 液壓缸內(nèi)徑尺寸系列（mm） </p><p>　　見 液壓缸活塞桿外徑尺寸系列 表6-2</p><p>　　表6-2 液壓缸活塞桿外徑尺寸系列（mm）</p><p>　　3.4 液壓泵的選擇</p><p>　　目前市場上使用廣泛，而齒輪泵的優(yōu)點有：</p>

82、<p>　　1 結構簡單緊湊，體積小，工藝性好。</p><p>　　2 自吸性能好，無論在高轉速或低轉速均能可靠地實現(xiàn)自吸。</p><p>　　3 轉速范圍大，由于齒輪泵的轉動部分基本上時平衡的，因而轉速可以很高。</p><p>　　4 油液中的污物對其工作影響不嚴重，并可以傳輸粘度較大的油</p><p>　　雖然齒輪泵

83、的缺點是：噪音大，脈動大，限制了壓力的提高。但這些并不影響機器手的工作。所以選擇齒輪泵為液壓缸提供壓力。 </p><p><b>　　液壓缸的排量：</b></p><p>　　V1：活塞缸的最大排量。</p><p>　　V2：擺動缸的最大排量。</p><p><b>　　d： 為活塞直徑。</b&

84、gt;</p><p>　　h：為活塞缸的行程。</p><p><b>　　d1：葉片直徑。</b></p><p><b>　　d2：葉片軸直徑。</b></p><p><b>　　h1：葉片高度。</b></p><p>　　根據(jù)上面的總排量和液

85、壓傳動設計手冊上表2-2選用型號為GB-B40型齒輪油泵。</p><p><b>　　3.5校核</b></p><p>　　（1）活塞缸推力的計算。</p><p>　　對于無活塞桿的那邊油腔進油時，油缸活塞桿向外推出的推力為：</p><p>　　式中： p為工作壓力。</p><p>　　

86、：油缸機械效率，在工程機械中用耐油橡膠密封式可取</p><p><b>　　圖 2-5</b></p><p>　　對于有活塞桿一端進油時油缸活塞桿向缸內(nèi)收進時的拉力：</p><p>　　（2） 缸體與缸底用電焊連接時的焊縫應力：</p><p>　　焊接材料選用 Z208 其抗拉應力為148 kgf/cm3<

87、;/p><p>　　式中 P 為油缸推力。</p><p>　　為焊接效率，可取 。</p><p><b>　　D1 為缸外徑。</b></p><p><b>　　d1 約為缸內(nèi)徑。</b></p><p>　　式中： 為焊條材料的抗拉強度。</p>&

88、lt;p>　　n 為安全系數(shù) 一般取3.3~4。</p><p><b>　　則焊條材料符合。</b></p><p>　　（3） 缸體與缸蓋的螺紋連接計算：</p><p>　　根據(jù)液壓傳動設計手冊里所說的 油缸缸體的常用材料為20，35，45號鋼的無縫鋼管。20號鋼用的較少，因其機械性能底而且不能調(diào)質。與缸頭，缸底，管接頭，耳軸等

89、零件焊接的缸體用35號鋼，并在粗加工后調(diào)質。不與其他零件焊接在一起的用45號鋼。我們可以選定缸體的材料為35號鋼。其屈服強度為315 kgf/cm2</p><p><b>　　螺紋處的拉應力：</b></p><p><b>　　螺紋處的剪切應力：</b></p><p><b>　　合應力為：</b&g

90、t;</p><p><b>　　許用應力：</b></p><p>　　可以看出 </p><p>　　則選用35號鋼可以。</p><p>　　（4）液壓缸的運動速度和推力：</p><p><b>　　活塞缸；</b></p><p&g

91、t;　　當無活塞桿端進油時；</p><p>　　當有活塞桿端進油時；</p><p><b>　　擺動液壓缸：</b></p><p><b>　　轉矩 T</b></p><p><b>　　轉角速度 </b></p><p>　　3.6 其它元件的

92、選擇</p><p>　?。?）液壓油的選擇：液壓油應具有適當?shù)恼扯群驼硿匦阅埽挥邢菪粤己?，壓縮性??；閃點高，油的蒸氣分離壓力??；流動性好；不使密封材料膨脹，硬化等過度變質；在各種溫度，壓力，速度等運轉條件下，具有良好的潤滑性能?？谷榛院涂寡趸院?。</p><p>　　根據(jù)液壓手冊上所列的類型，選用最普通的為 20號機械油。</p><p>　?。?）密封圈的

93、選擇： 由于活塞缸是雙作用的，兩邊都受到高壓作用，則根據(jù)液壓手冊選用V型密封圈。</p><p>　　（3） 螺栓的選擇：根據(jù)擺動缸上連接孔的大小和螺栓表可以選擇M8型螺栓。</p><p>　?。?） 銷釘?shù)倪x擇： 根據(jù)活塞桿端部的耳環(huán)內(nèi)徑可以選擇直徑為16的銷。</p><p>　　（5） 機械手臂采用鋁合金材料制造以減少重量。</p><p

94、><b>　　3.7 本章小結</b></p><p>　　本章主要介紹了機械手的工作原理有手臂的旋轉，伸縮和擺動。還介紹了各個部件的設計與選擇，主要有液壓缸的 選擇和液壓泵的選擇。最后是各個小零件的選擇。</p><p><b>　　第四章 總結</b></p><p>　　移動機械手是具有機械手臂的移動機器人

95、，有幾乎無限大的工作空間和</p><p>　　高度運動冗余等優(yōu)點，并同時具有移動和操作功能，一直是機器人技術領域</p><p>　　一個重要的研究課題。近年來，隨著“勇氣號”探測器成功登陸火星并完成</p><p>　　了一系列的考察工作，對更先進移動機械手的研究和開發(fā)再一次引起了人們</p><p>　　的注意。目前，國內(nèi)外都在競相開展

96、有關移動機械手的基礎理論、基本技術</p><p>　　以及應用方面的研究工作。</p><p>　　本論文在參考了國內(nèi)外相關文獻的基礎上，對撿垃圾機器手進行了粗體設計，簡述了機器手的工作原理和手臂的各個運轉狀態(tài)，對機器手的控制采用了了全液壓控制方式，控制液壓系統(tǒng)采用了換向閥和行程開關再加上軟件系統(tǒng)進行控制，由攝像頭撲捉垃圾通過信號控制著液壓缸的進出油從而控制手臂的擺動和爪子的抓緊力再根據(jù)

97、行程開關控制著手臂的轉動，擺動和爪子的張開。</p><p>　　文中所述的控制還不是很精準，好多的細節(jié)還不是一時半會可以解決的，必須經(jīng)過長時間的研究和摸索才可以使這機械手達到真正的可行性工作。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 上海煤礦機械研究所編，液壓傳動設計手冊，上海人民出版社，1976。</

98、p><p>　　[2] 成大先主編，機械設計圖冊，化學工業(yè)出版社，1997。</p><p>　　[3] 曾志新，呂明主編，機械制造技術基礎，武漢理工大學出版社，2007。</p><p>　　[4] 陳奎生主編，液壓與氣壓傳動，武漢理工大學出版社，2001。</p><p>　　[5] 楊明忠，朱家誠主編，機械設計，武漢理工大學出版社，2001

99、。</p><p>　　[6] 余桂英，郭紀林主編，CAD 2006中文版實用教程，大連理工大學出版社，2006。</p><p>　　[7] 東南大學機械學學科組，鄭文緯，吳克堅主編，機械原理，高等教育出版社，1996 。</p><p>　　[18] 中國機械工程學會機械設計分會，謝里陽主編，現(xiàn)代機械設計方法，機械工業(yè)出版社，2005 。</p>

100、<p>　　[9] 于永泗，齊民主編，機械工程材料，大連理工大學出版社，2007 。</p><p>　　[10] 丁玉蘭主編，人機工程學，北京理工大學出版社，2004 。</p><p>　　[11] 徐灝主編，機械設計手冊，機械工業(yè)出版社，1992 。</p><p>　　[12] 陸祥生，楊秀蓮主編，機械手-理論及應用，中國鐵道出版社，1983 。&

101、lt;/p><p>　　[13] 譚建榮，張樹有，陸國棟，施岳定主編，圖學基礎教程，高等教育出版社，2004。</p><p>　　[14] 劉鴻文主編. 材料力學. 北京：高等教育出版社1991。</p><p>　　[15] 《機械工程標準手冊》編委會 編 機械工程標準手冊技術制圖卷中國標準出版社 2002。</p><p>　　[16

102、] 鄧承鐘主編，機電傳動控制，華中科技大學出版社，2000 。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　本設計是在導師饒洪輝導師的精心指導下完成的。在我攻讀大學期間，導師淵博的學識、嚴謹治學的作風和精益求精的精神使我受益非淺。在我畢業(yè)課題的設計中，導師的想法給予我很多的啟發(fā)和幫助，使我能順利完成課題的研究和論文的撰寫，也順利地完成了研究生階段的