校园垃圾拾捡机器人抓取机构设计(共22页)

精选优质文档-倾情为你奉上本科毕业设计题 目 校园垃圾捡拾机器人抓取机构设计 专 业 作者姓名 学 号 单 位 指导教师 2018年05月 教务处编原创性声明本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研究取得的成果。除文中已经引用的内容外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得*大学或其他教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均在文中以明确的方式表明。本人承担本声明的相应责任。学位论文作者签名： 日期： 指 导 教 师 签 名: 日期： 专心-专注-专业摘 要近年来，国内经济迅速发展，带动的人民的生活水平不断提高，不可避免的造成生活垃圾的排放增加，对环境的破坏也日渐增大，尤其是在校园这种人口密集的地方，每天都在造成大量的日常垃圾，比如塑料袋、饮料瓶、废纸、果皮等等。这就势必要雇佣许多的清洁工来维持校园的清洁。近些年机器人技术的迅猛发展为我们制造一个可以自主捡拾校园垃圾的机器人提供了极大地帮助，本人设计的这种机器人具有自主决策意识，可以进行环境感知并自主进行行为控制与执行命令。捡拾垃圾的机械手采用全液压控制，它可以仿照人的手和手臂的行动，采用电脑程序来进行控制抓取和搬运物体，以及其抓取物体大小的计算和动力源大小及其校核。机器人采用四轮行走模式，加以视觉传感器来自主识别和捡拾范围内的校园垃圾。机械手用来实现抓取、操纵的命令，移动平台用来扩大机械手的动作执行空间，使机械手更好的发挥其功能。关键词：校园；垃圾机器人；机械手；控制机构AbstractIn recent years, the rapid development of domestic economy, the rising standard of living of the people, the inevitable cause of the increase in domestic waste emissions, environmental damage is increasing, especially in the campus of such densely populated places, every day in the cause of a large number of daily waste, such as plastic bags, beverage bottles, waste paper, peel and so on. This is bound to hire a lot of cleaners to keep the campus clean. In recent years, the rapid development of robot technology for us to create a robot can pick up the campus garbage to provide a great help, I designed the robot with independent decision-making consciousness, can carry out environmental awareness and autonomous conduct control and execution orders. The manipulator of garbage collection adopts full hydraulic control, it can imitate the action of human hand and arm, use computer program to control grasping and moving objects, and the calculation and power source size of grasping object and its checking. Using four-wheel walking mode, the robot can identify and pick up the campus rubbish in the range by visual sensor. The manipulator is used to realize grasping and manipulating commands, and the mobile platform is used to enlarge the Manipulators action execution space, so that the manipulator can play its function better.Key words：Campus, Garbage robot, manipulator, control mechanism目 录校园垃圾拾捡机器人抓取及驱动机构设计第1章 绪论1.1 课程研究背景及其意义对移动机器人的钻研始于1960年末期，斯坦福研究院的Niissen和Charles Rosen等人，在1966年至1972年中研制出了取名Shakey的智能移动机器人。目标是钻研人工智能技术，在具体情况下智能机器人的自主、推理、规划和控制。60年代后期，美苏两国为了完成探月计划，研制并应用了移动机器人，其中代表的有美国的“探测者”3号和苏联的“登月者”20号。70年代初，日本早稻田大学研制出了具有仿人功能的两足步行机器人。移动机器人平台涉及机械、无线电通讯、视觉系统、模式识别和许多学科的智能控制，机械手也越来越多的被应用，在机械工业中的很多工种中都有广泛应用。机器人被安装在移动平台上，这种结构允许机器人几乎拥有无限的工作空间和高度的运动冗余性，并同时拥有行动执行功能，这使得它比其他传统移动机器人和机械手更好；这种特殊结构的机器人可以代替人类的许多工作，并且它可以连续工作而不需要像人一样休息。它可以在工业中提高生产的自动化程度，并可以在生活中改善人们的劳动条件，避免人身事故的发生，在危险恶劣环境中工作是其一个非常亮眼的优点。1.2移动机器人国内外发展现状移动机器人在国外的初期研究，主要集中在从学术角度，研究室外机器人的体系结构和信息处理，并建立实验系统进行验证。美国国防高级研究计划局（简称DARPA）在80年代开始就制定了地面无人作战计划，1983-1990年，DARPA的“战略计算机“计划中的自主地面车辆(ALV) 计划; 1986-1995年，能源部制订的为期10年的机器人和智能系统计划(RIPS) ；以及后来的空间机器人计划，以及在极限环境下作业的机器人计划等，90年代后，随着技术的不断进步，移动机器人开始在现实的基础上开拓到各个领域,向实用化进军。相比较而言国内对其研究起步较晚，大多数的研究都处在某个单项研究阶段。国内研究的主要成果有：香港城市大学智能设计、自动化及制造研究中心的自动导航车和服务机器人；中国科学院沈阳自动化研究所的AGV和防爆机器人；中国科学院自动化所自行设计、制造的全方位移动式机器人视觉导航系统等。1.3 论文内容本文在查阅资料后决定主要研究移动机器人机械臂部分的研究，涉及机器人主体部分内容，本文后两章主要描述了（1） 机器人的总设计图机器各个部分的作用，机器人的作用过程；（2） 机械手的整体设计，涉及了机械手的工作原理图，其液压控制油路图，手爪的设计及其部分数据计算，液压缸液压泵的选型及其动力校核，其他元件的选择。1.4 机械手概述机械手的驱动系统由液动机（各种油缸、油马达）、伺服阀、油泵、油箱组成，机械手具有很大的抓取力且结构紧凑，各种性能都比较优秀，这就对制造精度和密封性有很高的要求。机械手具体包括手、手臂和躯干。手安装在执行器前部，其任务是准确地抓住当前物件，它必须有手指头，可以完成抓取物件之后的动作,以达到自己的目标。臂的作用是用来协助手抓住工件和移动到手所需的位置。躯干起到支撑作用。第二章 校园垃圾捡拾机器人方案2.1 机器人的功能本文设计的机器人可以实现自主运动，在由视觉传感器规划路线及发现垃圾并由机械爪捡拾垃圾，且拥有收集和转移两个功能，在垃圾收集箱收集满垃圾后，机器人会将垃圾箱内的垃圾转移到附近的垃圾收容处。这样的一个机器人可以帮助减少清洁工的工作量。2.2机器人的工作原理感应器捕捉到垃圾使移动平台移动到垃圾前方停下使机械手在垃圾前方自由状态机械手提起垃圾并向垃圾箱方向转去碰到行程开关，爪子完全分开调整机械手位置使爪子抓住垃圾机械手通过定位扑捉感应器扑捉垃圾的精准位置图2.1 机器人的工作原理图按下遥控器按钮，移动电源控制按钮，全自动化操作按钮启动机器人，机器人进入自主运动。机器人利用视觉传感器到达垃圾位置，当机器人视野内没有发现垃圾， 机器人继续向前行驶，寻找目标，发现垃圾之后，停留在垃圾附近位置，移动平台停止运行，启动机械手控制系统，通过传感器调整机械手的位置使爪子对准垃圾，而后爪子闭合抓住垃圾，随后机械手转动到收集垃圾箱方向，转到垃圾箱上方碰到一行程开关使爪子张开，松开垃圾，完成一次捡拾。随后继续寻找垃圾。当机器人垃圾箱中垃圾占有一定空间后，机器人停止搜寻垃圾，发出报警声。使用遥控器操作机器人，通过无线导航系统中，让机器人到附近的垃圾收集处将收集的垃圾丢入。机器人完成一次捡拾的全过程。2.3 机器人总原理图1.机械爪；2.压缸；3.机械臂；4.摆动液压缸；5.步进电动机；6.垃圾收集箱。2.2 机器人总原理图上图中1机械爪，主要功能是抓取物体；2液压缸，主要负责提供两个机械臂的运动的动力，和机械爪的动力提供；3机械臂，主要功能是移动机械臂的位置，为机械爪抓取物体提供更有利的位置；4摆动液压缸，负责机械臂的转向功能；5电动机，提供机器人行走的动力；6垃圾收集箱，负责储存并压缩机器人收集的垃圾。第三章 机械手的整体设计3.1机械手的工作原理图图3.1 机械手的工作原理图由3.1图可以看出摆动液压缸4 带动上面的转台转动从而带动整个机械手臂的转动，液压缸1的伸缩带动机械手臂的上下摆动，液压缸2带动机械手臂的前后伸缩，液压缸3带动机械手爪的张开与闭合。3.2机械手爪的液压控制系统油路图我们设置4个电磁换向阀分别控制4个油缸，如图3.2所示，在换向阀与油缸之间设置一个锁紧回路可以使油缸精准的停留在某一位置从而使机械手的精度大大提高。1YA:接通时当油路里的压力过高则开通溢流阀降压。2YA:接通时爪子张开。3YA:接通时爪子闭合抓紧垃圾。4YA:接通时手臂1向下摆动。5YA:接通时手臂1向上摆动。6YA:接通时手臂2向后摆动。7YA:接通时手臂2向前摆动。8YA:接通时整个机械手顺时针摆动。9YA:接通时整个机械手逆时针摆动。S0:行程开关控制爪子的松开。S1:行程开关控制摆动液压缸的摆动。调速阀控制机械手抓紧垃圾的速度。电磁比例溢流阀可以按比例控制油路里的压力从而控制整个机械手运动的速度。工作过程：当爪子抓紧垃圾是感应开关同时使5YA和9YA得电控制手臂油缸1和单叶片摆动油缸进油，手臂向上摆动达到水平位置5YA失电，同时单叶片摆动油缸逆时针摆动，当摆动油缸碰到行程开关S0时2YA得电爪子开始松开，垃圾放入垃圾箱里。当爪子完全张开时碰到行程开关S1时8YA得电单叶片摆动油缸顺时针摆动，当接到扑捉垃圾信号时8YA失电使摆动停下，同时控制2YA,4YA,6YA,7YA使爪子定位到垃圾上方并抓住垃圾，再执行上面动作。图3.2 机械手爪的液压控制系统油路图3.3机械手手爪设计机械手爪是用来抓取垃圾的部件，这就要求手爪工作时要满足迅速、灵活、准确和可靠的要求。其夹紧力的大小需要根据夹持物体的重量来计算，同时还要考虑开口尺寸。3.3.1 手爪的工作原理杆在驱动力F的作用下上下移动，完成抓紧和松开的动作，即工作夹紧状态与自由张开的状态，当在驱动力F作用下杆向下推时，手爪松开，处于自由张开状态（如图3.3.1A）；反之当驱动力F作用在杆上向上推时，手爪抓紧，处于夹紧状态(如图3.3.1B)。图3.3 手爪的工作状态图3.3.2 夹紧力的计算机械手爪在抓取物体时需要一定的夹紧力，其大小与夹紧机构的形式，夹紧方位和工件的形状有关，因而需要研究机械手爪在什么方向时，夹紧物体所需的驱动力最小，这个最小的夹紧力就叫当量夹紧力，当量夹紧力就是使物体处于平衡位置时的最小驱动力。当量夹紧力的计算（滑槽式的两指夹紧机构）图3.4 手爪工作时力分析图当夹紧机构上指平衡时：N1cos17b=Pa/cos由夹紧力概念可知N=（a/2b）（1/cos）2P （3.1）考虑物体重量时（N2cos17+G）b=P（a/cos） （3.2）由式（3.1）+式（3.2）得P=（N1+N2+G）cos（b/a）当手爪尚未夹紧物体时所需的最小驱动力Pmin=2Gcos（b/a） （3.3）将（3.3）式带入（3.1）式N当=（a/2b）(1/cos）(b/a）cosG=（1/2）G即杠杆滑竿式两指间其当量夹紧力为物体重量的1/2手指夹紧力的计算NK1K2K3GK1为安全因素，取1.22K2为工件情况系数，常取1.12.5K3为方位系数，由表4.3查的G为被抓物体重量，即物体重力取K1=2，K2=2.5，K3=0.5/f，粗取K3=0.5，G=5N得N22.50.55=12.5NP3.4液压缸的选型3.4.1 爪子液压缸的选型因为要让机械手臂上的爪子伸缩所以液压缸必须要进行直线运动有因为液压缸必须要固定在机械手臂上，则根据（液压传动设计手册）表6-6选择双作用单杆带不可调缓冲装置的液压缸。再根据（液压传动设计手册）表6-7选择“尾部耳环连接”的安装方式固定液压缸，缸中间再用一个环套固定在机械手臂上。由表6-10和爪子的行程设定油缸的行程为50mm因此爪子液压缸的行程也是50mm，在根据（液压传动设计手册）表6-4、表6-1、表6-2、表6-9、表6-17、表6-18、表6-20，可以选择出液压缸的内径为40mm，活塞杆直径为20mm，供油孔直径为8mm，导向行程为40mm，液压缸的外径为50mm，缸体和缸盖采用内螺纹连接，活塞与活塞杆则采用螺纹连接，活塞杆端部的螺纹尺寸为M12*15，如图3.4.1所示。图3.5 爪子液压缸图3.4.2两个手臂油缸的选型和3.3.1所示一样，因为机械手臂是需要摆动的，所以液压缸也需要跟着手臂摆动，所以选用液压缸端部为“尾部耳环连接”方式连接而不使用环套连接方式，活塞杆端部采用单耳环连接。单耳环扣的结构尺寸为内径16mm，外径32mm，厚度20mm。如图3.4.2所示。图3.6 手臂液压缸活塞缸的速度比：=A1/A2=D2/（D2-d2）=42/（42-22）=1.333.4.3摆动液压缸的选择目前在市场上常见的有两种摆动液压缸：叶片摆动液压缸和螺旋摆动液压缸。两者对比后发现后者的摆动效果不好，转矩不大，但密封效果较好，而前者结构紧凑，输出转矩大，但密封效果较差，不过在中低压系统中有往复摆动、转位或间歇运动的地方有很好的优势，因此选用叶片摆动液压缸。叶片摆动液压缸又分为单叶片摆动液压缸和多叶片摆动液压缸，单叶片摆动液压缸能转动的最大角度不超过280度，多叶片摆动液压缸能转动的最大角度不超过150度。而在本文设计的机械手的摆动角度需要180度，因此选择单叶片摆动液压缸。根据液压设计手册上的经两种摆动液压缸规格如下表3-0，试选用型号为BM-150。表3-1 摆动液压缸技术参数表型号压力/MPa流量/10-4（M2/s）转矩/（N.m)摆动角度（）BM-1500.7143.7515264BM-160.7143.751.6264表3-2 活塞行程系列（mm）255080100125160200250320400500注，GB2349-80 按优先次序给出了三个系列值，本表仅摘录了第一表（优先系列）中至500mm的系列值。表3-3 液压缸内径尺寸系列（mm）840125(280)1050(140)3201263160(360)1680(180)40020(90)200(450)25100(220)50032(110)250注：1.圆括号内尺寸为非优先选用者。2.内径尺寸可扩展，按R10优先数系列选用。3.活塞杆外径尺寸系列见液压缸活塞杆外径尺寸系列表6-2表3-4 液压缸活塞杆外径尺寸系列（mm）420561605226318062570200828802201032902501236100280144011032016451253601850140注：直径上限可扩展，按R20优先数系列选用。3.5液压泵的选择齿轮泵的优点：1.结构简单,工艺性较好,成本较低。2.与同样流量的其他各类泵相比,结构紧凑,体积小。3.自吸性能好，无论在高转速还是低转速均能可靠实现自吸。4.转速范围大，由于齿轮泵的转动部分基本上是平衡的，因此转速可以很高。5.油液中污物对其工作影响不严重,不易咬死。虽然齿轮泵的缺点是噪音大、脉动大、限制了压力的提高。但这些并不影响机器手的工作。因此我们仍然选用齿轮泵为液压缸提供动力。液压缸的排量：V1=1/4d2h=1/43.1445=62.8cmV=1/21/4(d1-d22)h1=1/21/43.14(324-36)33=3730.32cmQ总=3V1+V2=362.8+3730.32=3918.32cm其中：V1：活塞缸的最大排量。V2：摆动缸的最大排量。d：活塞直径。h：活塞缸的行程。d1：叶片直径。d2：叶片轴直径。h1：叶片高度。根据上面的总排量和液压传动设计手册上表2-2选用型号为GB-B40型齿轮油泵。3.6校核（1）塞缸推力的计算。如下图。图3.7 塞缸推力示意图对于无活塞杆的那一侧油腔进油时，油缸活塞杆向外的推力为：P=P1=p（D/4）=25（3.144）/4）0.95=298.3kgf式中：p工作压力。：油缸工作效率，在工程机械中用耐油橡胶密封式可取0.95在有活塞杆一侧的油腔中进油是活塞杆向缸内收进时的拉力为：P=P2=p(D2-d2)/4)=253.14(16-4)/4)0.95=223.725kgf（2）缸与缸底用电焊连接时的焊缝应力：焊接材料选用Z208，其抗拉应力为148kgf/cm3=P/（(D2-d2)）=（298.34）/（3.14（25-16）0.7）=45.24kgf/cm3式中P为油缸推力。为焊接效率，取0.7。D1为缸外径。d1约为缸内径。n=b/=158.33/45.24=3.5式中;b为焊条材料的抗拉强度。n为安全系数，一般取3.34。因此焊条材料符合。（3） 缸体与缸盖的螺纹连接设计计算：查液压传动设计手册可知，油缸缸体材料常用材料有20，35，45号钢的焊缝钢管。因20号钢机械性能低且不能调质处理，所以用的较少。与缸头、缸底、管接头等零件焊接的缸体用35号钢，并在粗加工后进行调质处理。不与其他零件焊接在一起的部分选用45号钢。选35号钢为缸体材料。其屈服强度为315kgf/cm2。螺纹处的拉应力：=KP/（d12-D22）/4）=（1.3298.3）/（3.14（25-16）/4）=54.9kgf/cm2螺纹处的剪切应力：=k1KPd0/（0.4（d14-D4）/d1）=(0.121.3298.355)/147.6 =7.9kgf/cm2合应力为：n=（2+32）=56.58kgf/cm2许用应力为：=s/n=315/7.5=180kgf/cm2由此看出n因此35号钢可以。（4）液压缸的速度与推力活塞缸：无活塞杆一侧进油时：v1=(4q/D2)v=(440/3.1416)0.98=3.12cm/sF1=(A1p1-A2p2)m=(D2/4)p=3.1416/4250.97=304.6kgf当有活塞杆端进油时：v2=(q/A2)v=(4q/(D-d)v=(440/(3.14(16-4)0.97=4.12cm/sF2=(A2p1-A1p2)v=(D2-d2)/4)p1m=(3.14(16-4)/4)250.98=230.8kgf摆动液压缸：转矩TT=(b/8)(D-d)pm=(3.3(6.2-2.3)/8)250.98=335kgfcm转角速度=8qv/b(D-d)=8400.98/(3.3(6.2-2.3)=3rad/s3.7其它元件的选型（1） 液压油的选择：液压油适宜的粘度及良好的粘温性能；有良好的抗泡沫性；闪点高，油的蒸气分离压力小；流动性好；不使密封材料膨胀、硬化等过度变质；在各种温度，压力，速度等运转条件下，具有良好的润滑性能。抗乳化性和抗氧化性好。根据液压传动设计手册上所列的类型，选用最普通的20号机械油。（2） 密封圈的选择：因为活塞缸是双作用的，两边都受到高压作用，所以选用V型密封圈。（3） 螺栓的选择：根据摆动缸上连接孔的大小和螺栓表可以选择M8型螺栓。（4） 销钉的选择：根据活塞杆端部的耳环内径可以选择直径为16mm的销。机械手臂采用重量较轻的铝合金材料。总结本人设计的机器人是具有机械手臂的移动机器人，手臂拥有近乎无限大的工作空间和高度运动冗余性等优点，可以自主移动和自主操作。伴随着对外太空的探索，机器人的应用技术进一步成熟，因此机械手的研究开发对人们来说是非常重要的。移动机械手的基础理论、基本技术及其应用都具有十分大的研究量，亟待完善修整。本人在参考了国内外相关文献的基础上，对捡拾垃圾机器手的手臂及传动部分进行了一点设计，简述了机械手臂的工作原理和手臂的各个运转状态，对机械手的控制采用的是全液压控制方式，液压控制系统采用的是换向阀和行程开关以及软件系统进行控制，由摄像头捕捉垃圾传递信号通过信号控制着液压缸的进出油量从而控制手臂的摆动和爪子的抓紧力再根据行程开关控制着手臂的转动，摆动和爪子的张开。 本人论文中所述的控制并不是很精准，很多细节也没有描述清楚，只是粗略的进行了下整合，对于机械手臂的真正实施还有很多细节需要完善，还需要大量的工作才可以使其真正的投入使用。参考文献1于永泗, 齐民, 徐善国. 机械工程材料M. 大连理工大学出版社, 2013.2蔡春源. 简明机械零件手册M. 冶金工业出版社, 1996.3陈意平任仲伟朱颜. 机械制图习题集M.4张翠华, 杨文敏, 杨胜培,等. 机械设计M. 西北工业大学出版社, 2015.5陈尧明, 许福玲. 液压与气压传动学习指导与习题集M. 机械工业出版社, 2005.6庄永炘. 刘鸿文第五版材料力学教材刍议J. 西南科技大学高教研究, 2014(2):73-78.7陆祥生, 杨秀莲. 机械手-理论及应用M. 中国铁道出版社, 1985.8哈尔滨工业大学理论力学教研室. 理论力学M. 高等教育出版社, 2009.9郑文纬, 吴克坚. 机械原理-第7版M. 高等教育出版社, 1997.10马文倩, 晁林. 机器人设计与制作M. 北京理工大学出版社, 2016.11徐国华, 谭民. 移动机器人的发展现状及趋势J. 机器人技术与应用, 2001(3):7-14.