捡垃圾的机器人上下抓取及行走机构设计.docx

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The role of the main components of mechanical hand is manipulator grasping, move to the specified location; As the base of mechanical hand, moving platform is used to expand the working space of the manipulator, making it perform the task in a more appropriate gesture, the addition of manipulator also greatly enhanced the performance of the mobile robot.KEY WORDS Garbage grabbing mechanism；Walking mechanism；Robot目录1.绪 论71.1移动机器人概述71.2全球机器人行业发展现状分析72. 垃圾拾捡机器人总体方案设计102.1 垃圾拾捡机器人原理103.垃圾拾捡机器人行走机构设计123.1工作原理123.2方案设计143.5设计链传动173.5.1 选择链轮齿数173.5.2 确定计算功率173.5.3 选择链条型号和节距173.6链轮的设计183.7后轮轴的设计及计算183.7.1 轴材料的选取183.7.2轴径的初选183.8联轴器的选择214.垃圾拾捡机器人抓取机构设计254.1 机械手整体方案设计254.1.1 机械前后臂的设计254.1.2 机械臂设计原理264.1.3 液压控制优点274.2 液压系统整体设计274.2.1 液压系统控制原理274.2.2 液压缸的选型284.2.3 液压泵的选择304.2.4校核314.3 其它元件的选择334.4 标准零件一览表345.有限元分析355.1前轮转向轴有限元分析。355.2 后轮轴有限元分析365.3 机械臂有限元分析386. 结论39致谢41参考文献421. 绪 论1.1 移动机器人概述移动机器人的研究始于60年代末期。最初的目的是研究并且应用人工智能技术，使得机器人系统能在复杂环境下进行自主推理、规划和处理。最早的操作式步行机器人的研制告成，开始推动起机器人步行结构方面的研究成长。随着70年代接近尾声，计算机应用与传感器技术开始崛起，移动机器人的研究又出现了新一步的进展。80年代中期最为辉煌，由于席卷全球的机器人设计浪潮，多个世界著名公司开始与各个学校合作研究，促进了移动机器人学科向多方向发展壮大。90年后开始研制带信息处理技术、复杂环境信息传感器并且更具适应性的移动机器人控制技术。真实环境下的规划使得技术发展潮流达到了更高层次。1.2 全球机器人行业发展现状分析根据了解，机器人的行业发展虽然在金融风暴期间导致工业机器人的销量急剧下滑，但在近年来不断呈增长的态势延续。还有统计预测，经过十年之后整个机器人市场将达到数百亿以上。在全球的机器人种类中，由于工业机器人应用较早，发展最为成熟，所以工业机器人占的比重任然较大。而目前研制中的智能机器人其智能水平并不高，只能说是智能机器人的初始阶段。智能机器人研究中当前的核心问题有两方面：一方面是智能机器人的自主性，这是就智能机器人与人的关系而言，希望智能机器人进一步独立于人，具有更为友善的人机界面。从长远来说，希望操作人员只要给出要完成的任务，而机器能自动形成完成该任务的步骤，并实现自动完成它。另一方面是，提高智能机器人的适应性，提高智能机器人适应环境变化的能力，这是就智能机器人与环境的关系而言，希望加强它们之间的交互关系。2. 垃圾拾捡机器人总体方案设计2.1 垃圾拾捡机器人原理本设计是以作为机械手的抓取机构，与行走机构两者结合而进行的设计。图2.1 总机构完成图2.2 机器人的工作过程接通电源，开启垃圾拾捡机器人自动化控制通过传感器捕捉垃圾精确方位调整机械手并用机械爪将垃圾抓住机械手伸进垃圾箱然后机械爪松开并放下垃圾图2.2 工作流程图3. 垃圾拾捡机器人行走机构设计3.1 工作原理行走机构靠视觉传感器技术辨别目标，负责前进后退以及转向功能的自动化移动平台。垃圾拾捡机器人通过视觉传感器，从而获知垃圾的位置信息，进一步控制行走机构进行相应的移动操作。3.1.1 行走机构图解图3.1 行走机构完成图图3.2 前轮转向装置图3.3 后轮差速驱动装配3.1.2 行走机构移动判断通过视觉传感器令到垃圾拾捡机器人获知垃圾的位置：当在传感器设定的范围内没有发现垃圾时，机器人将自动进行前进，直至在可视范围内发现垃圾，之后行走机构将移动到垃圾前，机械手控制系统启动分析并将垃圾处理到垃圾箱，接着机构重新进行移动。3.2 方案设计（1）四轮进行转向同时加上四轮驱动；（2）前轮进行转向同时加上前轮驱动；（3）前轮进行转向，后轮实行驱动。（）最终决定采用常用合理的方案（3）进行设计图3.5 转向机构作图法如图示，A、B是交点延伸的主销的中心线的点，BD和AC平行于纵向轴线的两条直线，C，D两点分别相交于后轴，E为纵轴交点AB，连接，线任取一点点楼这一个，B由两个连接的，符合外眼角要求。3.3 电动机的选型经过初步分析，选择Z2系列直流电动机，型号为Z2，额定电压220v，额定功率1.5kw,图3.6 电动机安装尺寸表3.1 电动机尺寸参数3.4 设计链传动中心距a不小于，链轮转速n1=1000r/min，传动比设为i=3 3.5.1 选择链轮齿数取小链轮齿数z1=781,大链轮齿数z2=iz1=469833.5.2 确定计算功率由表查得工况系数KA=1.0，并查得主动链轮齿数系数Kz=1.22,单排链，则计算功率为Pca=KAKzP=1.83909 （3.2） 3.5.3 选择链条型号和节距根据Pca=58164.85483kW,n1=946840r/min和PcaPc，查图选08A，查表得链条节距为链条型号A，链轮齿数z1=781,z2=46983；链节数Lp=3000，中心距 a=4321mm 最大齿根距离 Lx7648mm24643mm齿根最大距离dH70mm241mm热处理淬火回火40-50HRC淬火回火40-50HRC表3.2 链轮设计数据3.5 后轮轴的设计及计算3.7.1 轴材料的选取 设计里后轮轴传递的功率并不大，尺寸重量等均无硬性要求故选择较为常见的45钢,调质处理.段1采用A型普通平键联接，为平键GBT1096-1979 A型5520。3.7.5 倒角与圆角为方便轴承等零件的安装拆除，根据标准GB6403.4-1986，轴的一端倒角1mm；另外，由于要令到轴承内圈端面和定位轴肩的端面紧靠在一起，根据机械设计手册3.7.6 轴的校核图3.7 轴校核图计算过程如下：F1-F2=2MeD=109.8NMe=Fy1+Fy2=(F1+F2)cos15=395.95N Fz1+Fz2=(F1+F2)sin15=91.48N （3.163.26）（1）判断危险截面由校核图可知，B剖面右侧合成弯矩最大、初步推断该截面右侧是危险截面； （2）弯扭合成强度校核d3Mca0.1-1=3My2+Mz2+(T)20.1-1=10.7mm （3.27）=1.0 d=20mm10.7mm,满足强度要求根据相同算法，前轮的转向主动轴和从动轴以及转向的连杆计算后同样满足强度要求3.6 联轴器的选择3.8.1 外形结构，技术参数型号额定转矩Nm许用转速n(r/min)轴孔直径d(mm)轴孔长度L(mm)DmmD1mm螺栓L0mm质量kg转动惯量kgm2铁钢铁钢YJJ1数量n直径mmYL216720012000YL610052008000图3.8 联轴器表3.3 联轴器相关技术参数3.8.2 确定联轴器的计算转矩取工作情况系数KA=1.3, Tca=KAT=14Nm （3.28）3.8.3 选择联轴器的型号与尺寸TcaT和nnmaxT-许用转矩 单位：Nm，n -被联接的轴转速 单位： r/minnmax-联轴器最高转速 r/min有Tca=14Nm和n=500r/min设计中使用到联轴器的地方在电机输出轴与减速机输入轴联接，减速机输出轴与转向轴的联接。计算后选取YL2和YL6凸缘联轴器GB5843-86 ， 其配合型号分别为 减速机的选择减速机在电机和转弯机构之间的作用是匹配转速还有传递转矩。计算后选用型号为KWO63型锥面包络圆柱蜗轮蜗杆减速机。减速机如图，安装尺寸见下表。图3.9 减速机安装尺寸尺寸型号aB1B2C1C2hHH1d3d1l1b1KWO63631466t1L1d2l2b2t2L2L3L4质量（kg）不含油20.51186517表3.4 减速机安装尺寸3.10 键的选用与校核3.10.1 键的选型通过设计计算选用的是普通平键A型GBT1096-1979普通平键A型图3.10 键校核图3.10.2 键的校核4Tdhl=414100030740=6.67MPap=110MPa （3.31）均达到挤压强度的条件。3.11 轴承选择3.11.1 轴承的选型（1）参考结合轴设计时得出的结果，后轮装配使用的轴主要承受径向力作用，轴向应力作用很少。而径向力作用又不大时，选取深沟球轴承。参照轴段直径采用6406，具体结构参数见下图表。（2）前轮转向轴装配使用的轴承同时受轴向力和径向力的作用，主要受轴向力作用。轴向力作用较大时，选用圆锥滚子轴承系列。参照轴段直径采用30307，具体结构参数见下图表。轴承代号尺寸（mm）d DB3023 图表3.5轴承代号基本尺寸mmdDTBCa335801817 图表3.64.垃圾拾捡机器人抓取机构设计4.1 机械手整体方案设计考虑本设计机械手工作要求和用途的情况，这次设计采用悬臂式机械手，运动分配大致如下：4.1.1 机械前后臂的设计机械臂一般进行的是伸缩、旋转、俯仰三种运动。正常状态下手臂的各种运动均要求匀速。由于会发生冲击的关系，起动时的加速度和终止前的速度要求不能太大，防止冲击或振动现象的发生。一般用直线液压缸驱动进行伸缩运动，回转运动则一般用回转缸或齿条缸驱动，而俯仰运动大多采用单活塞杆驱动。措施有：（1）适当调整运动部件轮廓尺寸 （2）减少回转半径，设计系统合理调整运动的顺序，尽可能在较小的前伸位置进行回转动作。4.1.2 机械臂设计原理图4.1 机械臂完成图图4.2 原理简图由图可知摆动液压缸4带动转动平台旋转从而整个机械手实行转动，液压缸1的伸缩带动机械后臂的俯仰，液压缸2的伸缩带动机械前臂的俯仰，液压缸3的伸缩带动机械爪的张开闭合。4.1.3 液压控制优点（2）既容易实现机器的自动化，又易于实现过载保护；（3）在同等的功率运作下、重量轻、结构紧凑；（6） 液压元件实现了标准化、系列化、通用化，便于设计、制造和使用。4.2 液压系统整体设计 4.2.1 液压系统控制原理图4.3 液压系统控制油路图1YA 接通时油路压力过高后溢流阀会自行开通进行降压；3YA 接闭合；8YA 接通时时针旋转。调速阀控制机械爪闭合的速率；电磁比例溢流阀的作用是通过比例控制油4.2.2 液压缸的选型（1）机械爪液压缸的选型 由于机械爪的抓取关系，其液压缸需要的是直线运动，在此关系上将液压缸固定在机械前臂2上。根据液压传动设计手册选择双作用单杆，此外液压缸还需要带不可调缓冲装置。然后再在手册中选择安装方式，如上所述，选用“尾部耳环连接”方式将缸体固定在机械前臂2上，中间段再使用一个环套固定在之上。机械爪的行程初步设定为50mm，得到机械爪液压缸的行程同样是50mm，另外，的是内螺纹连接，而活塞杆的端部螺纹尺寸为M1217。（2）手臂手腕液压缸的选型：和机械爪液压缸选型大致一样，但随着机械手臂摆动时缸体本身也会发生转动的原因，缸体端部任然采用“尾部耳环连接”方式连接，稍微不同的是活塞杆端部采用单耳环连接。其中单耳环的尺寸为内径16mm，外径32mm，厚度20mm。（3）摆动液压缸的选型摆动液压缸常用到的有螺旋摆动液压缸和叶片摆动液压缸等。将上述两种液压缸进行比较，经过对比后结果是螺旋摆动液压缸相比密封效果好，但摆动的效果差强人意而且转矩不大；与之相反叶片摆动液压缸的构造紧凑而且输出转矩大，密封效果差。对于设计中低压系统的往复摆动运动，相比起来叶片摆动液压缸能得到更佳的转位或间歇运动效果，因此本篇选用叶片摆动液压缸。查得液压传动设计手册上符合设计要求的两种摆动液压缸，规格如下数表，经比调，试选用型号为BM-150。表4.3 液压缸活塞杆外径尺寸系列（mm） 图4.4 摆动液压缸4.2.3 液压泵的选择液压泵中，齿轮泵对比起的优势有：（1）结构简单，工艺性能较好，成本较低；（2）与相同流量的其他各类泵对比，构造紧凑，体积小；（3）油液中存在的污物对泵工作影响不严重，不易发生咬死现象；（4）自吸性能优秀，高低转速乃至在手动调节情况下都能实现自吸；（5）转速范围广阔，由于齿轮配合以及泵的传动部分都是平衡的，实际高转速下产生的惯性力并不大。反之齿轮泵的缺点是：工作压力较低、流量脉动大、噪音大等等，但对设计的机器手的工作影响并不大，本篇选择齿轮泵为机械臂的液压缸提供压力。 注：V1：机械臂液压活塞缸最大排量，V2：摆动液压缸最大排量d：液压缸活塞直径，d1：摆动液压缸叶片直径，d2：摆动液压缸叶片轴直径h ：液压缸活塞的行程，h1：摆动液压缸叶片高度。由以上计算得的总排量，参考液压传动设计手册初选型号为GB-B40型号的齿轮油泵。24.4.2.4校核（1）活塞缸推力计算：无活塞杆的一端的油腔进油时，活塞杆起动向外的推力为：式中： p：工作压力。：油缸机械效率，常用的耐油型橡胶密封式取0.95图4.5 活塞缸校核图活塞杆其中一端进油时，油缸活塞杆向缸内收进的拉力：（2）缸体与缸底的焊缝应力：焊接原料拟用Z208，查得抗拉应力为148 kgf/cm3。为焊接效率，查机械设计手册得=0.7。D1 为液压缸外径，d1 为液压缸内径。 n=b=158.3345.24=3.5 （4.8）n为安全系数，查机械设计手册一般取3.34。经计算分析得焊条材料符合要求。（3） 缸体之间的螺纹连接计算：查液压传动设计手册得，常用的油缸缸体材料有20、35、45号钢制的无缝钢管。由于不能调质还有机械性能差的关系，20号钢除非特殊情况很少会采用；选取35号钢，将其作为与缸头、缸底、管接头等零件进行焊接的缸体的材料，而且需要在粗加工后进行调质处理；而45号钢用于不参与焊接起来的其他零件。本篇对缸体的材料选择为35号钢。查液压传动设计手册得35号钢屈服强度为315 kgf/cm2。拉应力：可以看出 n 材料采用35号缸。（4）液压缸的运动速度和推力：当有活塞杆端进油时：v2=qA2v=4q(D2-d2)v （4.13）F2=(A2p1-A1p2)v=(D2-d2)4p1m 当无活塞杆端进油时：v1=4qD2v= （4.15）F1=(A1p1-A2p2)m=D24p= （4.16） 摆动液压缸：转矩 TT=b8(D2-d2)pm=335kgfcm （4.17）转角速度 =8qb(D2-d2)v=3rad/s （4.18）4.3 其它元件的选择（1）螺栓：根据摆动缸上连接孔尺寸和螺栓规格选择螺栓。（2）销钉：根据活塞杆耳环内径尺寸，选择6的尺寸。（3）密封圈：活塞缸的双作用下，密封圈两边将受到高油压影响，根据液压传动设计手册，选择使用V型密封圈。（4）液压油：所选的液压油应具有流动性；具有良好消泡性；具有抗乳化性；具有抗氧化性；具有恰当的粘度和粘温性能；低压缩性；闪点高；油的蒸气分离压力小；能使密封材料减轻膨胀或是硬化过度变质减缓；在不同的温度，压力，速率差异条件下，仍然保持杰出的润滑性能。对应液压传动设计手册上的参考表，选择械油。（5） 机械手臂尽量采用轻质的铝合金，。4.4 标准零件一览表型号名称数量型号名称数量螺栓GBT5780-2000 M6254螺栓GBT5780-2000 M8304螺栓GBT5780-2000 M10302螺栓GBT5780-2000 M10504241642282613112442平垫圈GBT972-1985 M64平垫圈GBT972-1985 M84平垫圈GBT972-1985 M108平垫圈GBT972-1985 M1628平垫圈GBT972-1985 M2018平垫圈GBT972-1985 M244表4.4 标准件清单列表 5.有限元分析通过有限元分析后能获知许多结构上的问题能得以设计能更完善，除去工作量和时间外，考虑到装配体的复杂性还有对与整体的有限元分析操作上比较难以控制变量的处理，并且可能会出现些连接件的网格划分问题，本文仅对重要零件进行有限元分析。本章节就对前轮的转向轴、后轮轴和机械臂进行有限元分析。5.1前轮转向轴有限元分析。图5-1 应力分析图5-2 位移分析图5-3 应变分析键槽位传递扭矩，以连接车轮的轴段与中轴段的轴承作为约束条件。应力、位移和应变图如上，转动时带动车轮与弯连杆的转动，相关数值减小到可忽略不计，经验算均符合设计要求。5.2 后轮轴有限元分析图5-4 应力图5-5 位移分析图5-6 应变分析键槽位传递转矩，以连接车轮的轴段与中轴段的轴承作为约束条件。应力、位移和应变图等相关数值偏小，处于运动状态时可忽略不计，均符合设计要求。5.3 机械臂有限元分析图5-7 位移分析图5-8 应变分析空闲时机械臂一侧支承外侧一段的重量，其位移与应变分析图如上，伸缩俯仰时会收到液压缸的拉力，系统设计后能达到空闲状态机械臂的稳定平衡。6. 结论垃圾拾捡机器人附上机械手的移动机器人，像前面所说具有十分空阔的工作空间和冗余驱动等优势，并能同时间内进行移动和操作的功能，这一直以来都是机器人领域上有意义的研究课题。随着十年前火星探测器“勇气号”成功登陆火星还有其完成了一系列考察任务的科技崛起，追求更为先进的移动型机器人的研究开发似乎将人们的目光再次集中在这方面上。时至目前，海内外均在对有关移动智能移动机器人的研发技术、分析理论还有实际应用方面上的工作进行大力开展。 略几亿字致谢本毕业设计是由导师老师悉心指导和关照下最终完成的。从最初方案的设计、比较、选定和最终方案的改进，还有重要零件等设计都是经过与周超老师的商量后提出的修改意见，在此谨向周超老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。此外我还要感谢在同组的其他同学们，正是由于你们的帮助和通知提醒等，我才能逐步完成本次设计。设计过程中，也曾经遇到不少问题，比如一些零件装配和分析等问题，不仅收参考文献1 孙桓、陈作模、葛文杰. 机械原理M. 高等教育出版社，2013年3月2 濮良贵、陈国定、吴立言. 机械设计M. 高等教育出版社，2013年4月3 卢秉恒. 机械制造技术基础M. 机械工业出版社，2013年5月4 朱龙根、黄雨华. 机械系统设计M. 机械工业出版社，1992年5月5 殷玉枫. 机械设计课程设计M. 机械工业出版社，20066 王伯平. 互换性与测量技术M. 机械工业出版社，20137 上海煤矿机械研究所编.液压传动设计手册M. 上海人民出版社，19768 王新荣、初旭宏. ANASYS有限元基础教程M. 北京: 电子工业出版社，2011年4月9 孙志礼、陈良玉. 实用机械可靠性设计理论及方法M. 北京:科学出版社，2003:2-3.10 唐泳洪. 系统可靠性、故障检测及容错M. 武汉：华中理工大学出版社，199011 王晓芳. 智能机器人的现状、应用及其发展趋势J. 科技视界，2015-11-2512 姜仲琪. 中国工业机器人的应用简析J. 科技风，2014-04-2513 R. C. Hibbeler, Mechanics of Materials. New York: Pearson Prentice Hall, 200814 C. T. Crowe and D. F. Elger, Engineering Fluid Mechanics. New York: John Wiley & Sons. Inc., 2008零件Solidworks用的是14版的图纸sw与PDF也有另外就是网上的，自己当时被坑爆买了两份，毕设要求不高的我可以低价直接打包出这两个，具体还是看以下暗号12011六138.