机械毕业设计（论文）-校园垃圾拾捡机器人抓取及驱动机构设计【全套图纸】

学校代码：10410 序 号：20050369 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 题目：题目：校园垃圾拾捡机器人抓取及驱动机构设计 学学 院：院： 工 学 院 姓姓 名：名： 学学 号：号： 专专 业：业：机械设计制造及其自动化 年年 级：级： 机制 051 指导教师：指导教师： 二二 OO 九年九年 五五 月月 校园垃圾拾捡机器人抓取及驱动机构设计 摘 要 随着经济的快速发展和人民生活水平的日益提高，垃圾排放量与日俱增，对环境 的压力越来越大，特别是校园这种人口密集的地方，每天都在制造大量的垃圾，如废 纸、塑料、废电池、果皮等。为了让校园保持清洁就必须要费大的人力物力和财力等。 如果设计一种校园拾捡垃圾机器人就可以解决很大的麻烦，校园捡垃圾机器人机 器人是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合 系统。 捡垃圾机械手是由全液压控制，垃圾拾捡机器人是由机械手固定在移动平台上构 成的一类特殊的移动机器人。其中机械手用来实现如抓取、操作等动作，平台的移动 用来扩展械手的工作空间，使机械手能以更合适的姿态执行任务，机械手的加入也极 大的提高了动机器人的性能；移动平台是一种采用前轮转向后轮驱动的四轮式小车结 构。 关键词: 校园；垃圾机器人；控制机构；驱动机构 全套图纸，加全套图纸，加 153893706153893706 校园垃圾拾捡机器人抓取及驱动机构设计 - 2 - AbstracAbstrac With the rapid economic development and increasing peoples living standards, waste emissions by increasing the pressure on the environment increasing, especially in densely populated areas on campus this place every day in the manufacture of a large number of spam, such as waste paper , plastics, used batteries, such as skin. In order for the campus must be kept clean on the charges of human material and financial resources and so on. If you design a campus spam robots can be solved a lot of trouble, campus garbage robot is a robot environment-aware, dynamic decision-making and planning, such as acts of control and the implementation of multiple functions in one integrated system. Manipulator garbage from the entire hydraulic control, garbage 拾捡 robot manipulator is fixed on the mobile platform consisting of a special kind of mobile robot. Manipulator which is used to achieve, such as crawling, operation moves the mobile platform to extend the work of the hands of armed space robot can be a more appropriate gesture tasks, the robot is also greatly improved by adding the dynamic performance of robot ; mobile platform is a front wheel steering using the four-wheel rear-wheel drive car-type structure. Key words: school; spam robot; control; drive mechanism 校园垃圾拾捡机器人抓取及驱动机构设计 - 3 - 目目 录录 一一 绪论绪论- 4 - 1.1移动机器人概述- 4 - 1.2课题研究意义- 4 - 二二 校园垃圾拾捡机器人总原理校园垃圾拾捡机器人总原理- 5 - 三三 机械手夹紧机构机械手夹紧机构手爪设计手爪设计- 6 - 3.1 手爪的工件原理.- 6 - 3.2 手爪技术参数.- 6 - 3.3 夹紧力的计算.- 6 - 3.3.1 当量夹紧力的计算（滑槽式的两指夹紧机构）- 7 - 3.3.2 手指夹紧力的计算- 7 - 四四 垃圾拾捡机器人移动平台设计与计算垃圾拾捡机器人移动平台设计与计算- 8 - 4.1移动平台的工作原理- 8 - 4.2 方案设计.- 8 - 4.3电动机选型- 9 - 4.4设计链传动- 10 - 4.5链轮的设计及计算- 12 - 4.6轴的设计及计算- 12 - 4.7联轴器的选择- 14 - 4.8减速器的选择- 15 - 4.9键的选用与校核- 16 - 4.10轴承选择 .- 17 - 4.11螺纹紧固件选型 .- 18 - 4.12防松装置 .- 19 - 4.13 密封件选择.- 20 - 五五 一些标准零件一览表一些标准零件一览表- 20 - 六六 总结总结- 21 - 参考文献参考文献- 22 - 致致 谢谢- 23 - 校园垃圾拾捡机器人抓取及驱动机构设计 - 4 - 一一 绪论绪论 1.1 移动机器人概述 移动机器人的研究目的是研究应用人工智能技术，在复杂环境下机器人系统的自 主 推理、规划和控制。移动机器人系统一般由硬件系统和软件系统两部分构成 移动机器人是一个集环境感知、动态决策和规划、行为控制与执行等多种功能于一 体的综合系统。移动机械手是由机械手固定在移动平台上构成的一类移动机器人系统。 其中机械手用来实现如抓取、操作等动作，平台的移动用来扩展机械手的工作空间， 使机械手能以更合适的姿态执行任务，同时机械手的加入也极大提高了移动机器人的 性能。 1.2 课题研究意义 把机械手安装在移动平台上，这种结构使机械手拥有几乎无限大的工作空间和高 度的运动冗余性，并同时具有移动和操作功能，这使它优于一般的移动机器人和传统 机械手;另一方面，移动平台和机械手不但具有不同的动力学特性，而且存在强藕合， 有的移动平台还受非完整约束。因此，研究这类系统的控制问题有十分重要的理论价 值和实践意义。 这种特殊结构的机器人在工业装配、无人恶劣环境中工作(如灭火、外星球探测和 各类危险的科学研究)以及室内服务工作(如运送、导游和巡逻)等方面具有一定研究价 值。 校园垃圾拾捡机器人抓取及驱动机构设计 - 5 - 二二 校园垃圾拾捡机器人总原理校园垃圾拾捡机器人总原理 2.1 机器人总原理图 图 2.1 机器人总原理 2.2 机器人的操控过程 机器人工作时，启动遥控控制按钮，点动电源控制按钮，接通电源，操控遥控将机 器人行至工作区域，启动机器人操作全自动化按钮，机器人进入自主运动状态。 机器人通过视觉传感器传达垃圾位置：当在机械手所能达到的范围内没有发现有垃 圾时，机器人继续向前行进，寻找目标，直至发现在其范围内发现垃圾时，移动平台 停止移动，启动机械手控制系统，机械手通过传感器调整机械手位置使爪子对准垃圾， 爪子闭合抓紧垃圾，机械手随转台向垃圾箱方向转动，转到垃圾箱上方碰到一行程开 关爪子张开，爪子完全张开碰到第二个行程开关，机械手随转台转回到自由初始状态。 机器人继续移动寻找垃圾目标。 机器人在工作过程中，通过周围装有传感器发现有障碍物时，控制转向电机启 动，控制机器人转向，避开障碍物。 当机器人垃圾箱中垃圾占有一定空间时，机器人停止工作，遥控器报警。此时人为 校园垃圾拾捡机器人抓取及驱动机构设计 - 6 - 通过遥控器操控机器人，通过无线导航系统，将机器人指引到附近的垃圾收集地，卸 下垃圾。完成一次拾捡全过程。 三三 机械手夹紧机构机械手夹紧机构手爪设计手爪设计 机械手夹紧机构-手爪是用来抓取工件的部件，手爪抓取工件时要满足迅速，灵 活，准确和可靠性的要求。 设计制造夹紧机构-手爪时，其夹紧力的大小则系根据夹持物体的重量，惯性 力的大小来计算，同时还要考虑有足够的开口尺寸，以适应被抓物体的尺寸变化夹紧 机构 夹紧机构形式有：机械式，吸式，电磁式等，有的还带有传感器装置 3.1 手爪的工件原理 杆在驱动力 P 的作用下上拉下推,手爪端部手指端部完成抓紧或松开动作，即工 作夹紧状态与自由张开状态：当杆在作用力 P 作用下杆向下推时,手爪手指松开，处于 自由张开状态(如图 3.1 A)；当杆在作用力 P 作用下杆向上位时,手爪手指抓紧，处于 处于夹紧状态(如图 3.1 B) 3.2 手爪技术参数 抓重（kg）=1kg 尺寸范围（mm）:t/d10.7mm,故满足强度要求 同理，前轮转向主动轴和从动轴及转向连杆轴也同样满足强度要求 各轴详细数据见工程零件图纸 4.7 联轴器的选择 4.7.1 确定联轴器的计算转矩 ca T = ca T A KT -工作情况系数，取=1.3 A K A K 4.7.2 由和选择联轴器的型号与尺寸 ca TT max nn -为所选用型号的许用转矩 TNm -被联接轴转速 n/ minr -联轴器的最高转速 max n/ minr 12 . 1212 . 1212 1212 2 109.8 14 . cos15406.52 cos15 2 3000.3 96.72 cos1593.33 sin1525 cos15395.95 sin1591.48 e e Q ne n tn rn yy ZZ M FFN D MTN m FFFFFN d FM dmmm FN FFN FFN FFFFN FFFFN 即 校园垃圾拾捡机器人抓取及驱动机构设计 - 16 - 由和14 ca TNm500 / minnr 电机输出轴与减速器联接及减速器输出轴与前轮转向主动轴的联接均用联轴器联接.选 取 GB5843-86 凸缘联轴器,选用 YL 型的 YL2 和 YL6 凸缘联轴器 82 5843 86 30 82 42 65843 86 18 42 GB J YLGB J J30 型号分别为 YL2联轴器 J18 联轴器 4.7.3 外形结构，技术参数 表 3 联轴器技术参数 4.8 减速器的选择 减速器是指原动机和工作机之间的独立传动装置，选用型号为 KWO63 的锥面包络圆柱 蜗杆减速器，图 4.7.结构尺寸见表 4 表 3 许用转速 n(r/min) 轴孔 直径 d(mm) 轴孔 长度 L(mm) 螺栓型 号 额定 转矩 n T Nm 铁钢铁钢 YJ J1 D mm D1 mm 数 量 n 直 径 mm L0 mm 质 量 kg 转 动 惯 量 2 .kg m YL2167200120001818423080644M6641.50.0035 YL61005200800030308260110904M81243.990.017 D1 d(h7) L LO D n-M 图 4.6 联轴器 图 4.7 减速器 校园垃圾拾捡机器人抓取及驱动机构设计 - 17 - 表 4 减速器技术参数 4.9 键的选用与校核 4.9.1 键的选用过程 根据轴径 D 查键的标准键的断面尺寸（bh） 强度计算（必要时） 根据轮毂的宽度 B键的长度 L(LB) 4.9.2 键的选型 选用平头普通平键（B 型） GB/T1096-2003 键 B6616 和 GB/T1096-2003 键 B8720 图 4.8 键校核 4.9.3 键的校核 挤压强度条件公式 4 p T dhl B=6 h=6 l=16 d=18 T=14Nm 由轴与链轮 联轴器的材料选取（轻度冲击载荷）110 pa MP 尺寸尺寸 型号型号 a aB1B1B2B2C1C1C2C2h hH HH1H1d3d3l1l1d1d1 63146140115120160160221M102818j6 b1b1t1t1L1L1d2d2l2l2b2b2t2t2L2L2L3L3L4L4 质量（不含油）质量（不含油） kgkg KWO63KWO63 620.511830j658833136866517 校园垃圾拾捡机器人抓取及驱动机构设计 - 18 - 44 14 1000 32.41110 18 6 16 apa T MPMP dhl 故满足挤压强度条件 同理 44 14 1000 13.33110 30 7 20 apa T MPMP dhl 满足挤压强度条件 4.10 轴承选择 4.10.1 轴承选型 （1）后轮采用轴承受很小的轴向应力作用，主要受径向力作用，且径向力作用不大时， 选取深沟球轴承系列。6406。结构参数见（图表 4.9） （2）前轮采用轴承同时受径向力和轴向力，主要受轴向力作用，且轴向力作用较大时， 选用圆锥滚子轴承系列，30307。结构参数见（图表 4.10） 图表 4.9 d D B D d A A/2 A/2 15 B a T 图表 4.10 4.10.2 轴承的轴向紧固方式 采用端盖紧固轴承外圈和轴肩紧固轴承内圈 4.10.3轴承的安装形式 轴承均是成对出现的，均采用背对背方式安装定位的如下图 4.11 图 4.11 轴承代号尺寸（mm） dDB 6406309023 轴承代号基本尺寸 mm dDTBC a 30307358022.75211817 校园垃圾拾捡机器人抓取及驱动机构设计 - 19 - 4.11 螺纹紧固件选型 4.11.1 选型见（表 5） 名称个数用途 螺钉 GB/T 65 M1035 24 后轮端盖用的联接螺钉 螺栓 GB/T 5782-86 M16*40 16 轴与车轮的紧固联接 螺母 GB/T 6172 M16 16 轴与车轮的紧固联接 螺栓 GB5780-86 M1570 16 底板与电动机底座的紧固联接 螺母 GB/T 6172 M15 32 底板与电动机底座的紧固联接 螺栓 GB5780-86 M20*80 12 支脚与底座的联接 螺母 GB6172-86 M20 24 支脚与底座的联接 螺栓 GB5780-86 M1060 4 减速器的联接螺栓 螺母 GB6172-86 M10 8 减速器的联接螺栓 螺栓 GB5780-86 M635 4 联轴器的联接螺栓 螺栓 GB5780-86 M835 4 联轴器的联接螺栓 螺母 GB6172-86 M6 8 联轴器的联接螺栓 螺母 GB6172-86 M8 8 联轴器的联接螺栓 螺栓 GB5780-86 M2080 2 转向连杆联接螺栓 螺钉 GB75-85 M8*12 3 紧定链轮的紧定螺钉 螺钉 GB75-85 M5*6 3 紧定链轮的紧定螺钉 螺母 GB6172-86 M16 2 链轮预紧螺母 螺母 GB6172-86 M20 2 链轮预紧螺母 表 5 4.11.2校核轴与车轮的联接螺栓强度 如图 4.12 T=14 r=35mm n=4 由表查得螺栓材料的许用剪Nm 0 16dmm 切应力=2.5（静载荷） a MP 由和剪切强度条件 s nFrT 2 0 4 s F d m 22222 0000 4 414 1000 1.242.5 35164 s aa TT FT n rr MPMP d md md mr d m 校园垃圾拾捡机器人抓取及驱动机构设计 - 20 - 满足强度条件 图 4.12 4.12 防松装置 防松装置采用双螺母防松（图 4.13）和采用开口销防松（图 4.14） 选用 销 540 GB91（大链轮防松） 图 4.13 双螺母防松 图 4.14 开口销防松 校园垃圾拾捡机器人抓取及驱动机构设计 - 21 - 4.13 密封件选择 轴的外表面毡封圈密封，见表 6，ZB68-62 型号个数材料 毡圈 40 ZB68-62 4 半粗羊毛毡 毡圈 40 ZB68-62 2 半粗羊毛毡 毡圈 30 ZB68-62 2 半粗羊毛毡 表 6 五五 一些标准零件一览表一些标准零件一览表 型号名称个数型号名称个数 毡圈 40 ZB68-62 4 螺钉 GB75-85 M5*6 3 毡圈 40 ZB68-62 2 螺钉 GB75-85 M8*12 3 毡圈 30 ZB68-62 2 螺栓 GB5780-86 M2080 2 销 540 GB91 2 螺母 GB6172-86 M8 8 螺母 GB6172-86 M20 2 螺母 GB6172-86 M6 8 螺母 GB6172-86 M16 2 螺栓 GB5780-86 M835 4 螺栓 GB5780-86 M635 4 螺母 GB6172-86 M10 8 螺栓 GB5780-86 M1060 4 螺母 GB6172-86 M20 24 螺栓 GB5780-86 M20*80 12 螺母 GB/T 6172 M15 32 螺栓 GB5780-86 M1570 16 螺母 GB/T 6172 M16 16 螺栓 GB/T 5782-86 M16*40 16 螺钉 GB/T 65 M1035 24 82 5843 86 30 82 GB J J30 YL2联轴器 1 42 65843 86 18 42 YLGB J J18 联轴器 1 轴承 30307 4 轴承 6405 2 轴承 6406 2 GB/T1096-2003 键 B6616 4 GB/T1096-2003 键 B8720 4 减速器 KWO63 1 表 7 校园垃圾拾捡机器人抓取及驱动机构设计 - 22 - 六六 总结总结 转眼之间，历经整整两个月的毕业设计马上就要结束了，我的大学生活也将结束 了。这是我们大学之中最后一个也是最重要的一个设计、一个阶段。毕业设计是考验 我们大学这四年来的所学，它要求我们将大学这四年来所学到的知识能够融会贯通、 熟练应用，并要求我们能够理论联系实际，培养我们的综合运用能力以及解决实际问 题的能力。在这个过程中，感到自己有学到了好多东西。 在这两个月里，我们不断学习、不断积累并且不断提高。在指导老师饶洪辉老师 的悉心指导下，我们从最初的开题做起，进行设计方案的整体规划；之后尺寸拟定、 各个零部件的选择及计算、绘制装配图、零件图等几个阶段。这次的毕业设计，是对 我们这四年来所学的专业知识是否踏实的检验，让我们对这四年中所学的知识进行了 综合，也让我温习了一些已经快要淡忘的专业知识，更学习到了一些实际机械应用的 经验。与此同时，我们也充分认识到自身的许多不足之处：基础知识的不够扎实，缺 乏综合运用及理论联系实际的能力等，相信通过这次毕业设计所得到的锻炼，在未来 的日子中我们能克服自身的缺点。 通过这次设计，无论是我们的学习知识的能力得到了锻炼，更是使我们团队协作 精神得到了很好的锻炼，此项设计是由我和另同学两个人共同完成，在整个设计的过 程中，我们两个人主动承担任务，分工协作、积极配合，几次修改设计方案，并进行 了大量的理论计算，在能力范围内努力使设计更加趋向完善。 虽然设计是短暂的，但得到的知识却是永久的，一个完好的设计是对整个四年大 学生活的一个总结，并是对未来新的生活的一个良好的开端，所以在进行设计的时候， 我们都是抱着非常认真的态度，遇到任何的问题，都会积极向指导老师请教，但是知 识还是要靠自己去获得的，所以我们更多的时间都是自主找资料，把相关的书籍都认 真的寻找，即使最后没有找到需要的资料，但本身在看书的过程中也是一种收益，就 是在指导老师和图书馆寻找资料的帮助下，我们的设计一点点的明朗，一点点的完善， 这是充满自己汗水的成果啊。 我们知道，我们的设计还存在很多不足之处，还有待大家的点评指正，和大家的 帮助，我们一定会把它努力做得更好的。 最后，我们要衷心的感谢我们的指导老师饶洪辉，还有其他所有给过我帮助和支 持的老师和同学们，没有你们，就没有我们今天这个小小的成果，感谢你们！ 校园垃圾拾捡机器人抓取及驱动机构设计 - 23 - 参考文献参考文献 1于就泗，齐发主编.机械工程材料：大连理工大学出版社，2007 2蔡春源主编。简明机械零件手册：冶金工业出版社，1995 3刘力主编，王冰副主编。机械制图第二版：高等教育出版社，2002 4杨明忠，朱家诚主编。机械设计：武汉理工大学出版社，2001 5机械工程手册第 5 卷：机械工业出版社，1982 6机械工程手册第 6 卷：机械工业出版社，1982 7中小型电机标准汇编：技术标准出版社，1971 8刘鸿文主编。材料力学（）：高等教育出版社，2004 9 陆祥生 杨秀莲编。机械手-理论及应用：中国铁道出版社，1985 10哈尔滨工业大学理论力学教研室编。理论力学（）第六版：高等教育出版社， 1981 11刘鸿文主编。材料力学（）：高等教育出版社，2004 12张学政，李家枢主编。金属工艺学实习教材（第三版） ，高等教育出版社，2002 13关文达主编。汽车构造（第二版）：机械工业出版社，2004.10 14王望予主编。汽车设计（第四版）：机械工业出版社，2004.8 15电机工程手册第四卷，机械工业出版社，1996.7 16郑文纬 无克坚主编。机械原理（第七版） ，高等教育出版社，1996.11 校园垃圾拾捡机器人抓取及驱动机构设计 - 24 - 致致 谢谢 这次毕业设计论文是在导师的精心指导下完成的。在我在校期间，老师渊博的学 识、严谨治学的作风和精益求精的精神使我受益非浅。在我毕业课题的设计中，导师 的想法给予我很多的启发和帮助，使我能顺利完成课题的设计和论文的撰写，也顺利 地完成了学士阶段的学业。在本论文即将结稿时，我要向导师表示最衷心的感谢。