精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上本科畢業(yè)設計題 目 校園垃圾撿拾機器人抓取機構設計 專 業(yè) 作者姓名 學 號 單 位 指導教師 2018年05月 教務處編原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所提交的學位論文是本人在導師指導下，獨立進行研究取得的成果。除文中已經(jīng)引用的內容外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得*大學或其他教育機構的學位證書而使用過的材料。對本文的研究作出重要貢獻的個人和集體，均在文中以明確的方式表明。本人承擔本聲明的相應責任。學位論文作者簽名： 日期： 指 導 教 師 簽 名: 日期： 專心-專注-專業(yè)摘 要近年來，國內經(jīng)濟迅速發(fā)展，帶動的人民的生活水平不斷提高，不可避免的造成生活垃圾的排放增加，對環(huán)境的破壞也日漸增大，尤其是在校園這種人口密集的地方，每天都在造成大量的日常垃圾，比如塑料袋、飲料瓶、廢紙、果皮等等。這就勢必要雇傭許多的清潔工來維持校園的清潔。近些年機器人技術的迅猛發(fā)展為我們制造一個可以自主撿拾校園垃圾的機器人提供了極大地幫助，本人設計的這種機器人具有自主決策意識，可以進行環(huán)境感知并自主進行行為控制與執(zhí)行命令。撿拾垃圾的機械手采用全液壓控制，它可以仿照人的手和手臂的行動，采用電腦程序來進行控制抓取和搬運物體，以及其抓取物體大小的計算和動力源大小及其校核。機器人采用四輪行走模式，加以視覺傳感器來自主識別和撿拾范圍內的校園垃圾。機械手用來實現(xiàn)抓取、操縱的命令，移動平臺用來擴大機械手的動作執(zhí)行空間，使機械手更好的發(fā)揮其功能。關鍵詞：校園；垃圾機器人；機械手；控制機構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 Manipulator's action execution space, so that the manipulator can play its function better.Key words：Campus, Garbage robot, manipulator, control mechanism目 錄校園垃圾拾撿機器人抓取及驅動機構設計第1章 緒論1.1 課程研究背景及其意義對移動機器人的鉆研始于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的智能移動機器人。目標是鉆研人工智能技術，在具體情況下智能機器人的自主、推理、規(guī)劃和控制。60年代后期，美蘇兩國為了完成探月計劃，研制并應用了移動機器人，其中代表的有美國的“探測者”3號和蘇聯(lián)的“登月者”20號。70年代初，日本早稻田大學研制出了具有仿人功能的兩足步行機器人。移動機器人平臺涉及機械、無線電通訊、視覺系統(tǒng)、模式識別和許多學科的智能控制，機械手也越來越多的被應用，在機械工業(yè)中的很多工種中都有廣泛應用。  機器人被安裝在移動平臺上，這種結構允許機器人幾乎擁有無限的工作空間和高度的運動冗余性，并同時擁有行動執(zhí)行功能，這使得它比其他傳統(tǒng)移動機器人和機械手更好；這種特殊結構的機器人可以代替人類的許多工作，并且它可以連續(xù)工作而不需要像人一樣休息。它可以在工業(yè)中提高生產(chǎn)的自動化程度，并可以在生活中改善人們的勞動條件，避免人身事故的發(fā)生，在危險惡劣環(huán)境中工作是其一個非常亮眼的優(yōu)點。1.2移動機器人國內外發(fā)展現(xiàn)狀移動機器人在國外的初期研究，主要集中在從學術角度，研究室外機器人的體系結構和信息處理，并建立實驗系統(tǒng)進行驗證。美國國防高級研究計劃局（簡稱DARPA）在80年代開始就制定了地面無人作戰(zhàn)計劃，1983-1990年，DARPA的“戰(zhàn)略計算機“計劃中的自主地面車輛(ALV) 計劃; 1986-1995年，能源部制訂的為期10年的機器人和智能系統(tǒng)計劃(RIPS) ；以及后來的空間機器人計劃，以及在極限環(huán)境下作業(yè)的機器人計劃等，90年代后，隨著技術的不斷進步，移動機器人開始在現(xiàn)實的基礎上開拓到各個領域,向實用化進軍。相比較而言國內對其研究起步較晚，大多數(shù)的研究都處在某個單項研究階段。國內研究的主要成果有：香港城市大學智能設計、自動化及制造研究中心的自動導航車和服務機器人；中國科學院沈陽自動化研究所的AGV和防爆機器人；中國科學院自動化所自行設計、制造的全方位移動式機器人視覺導航系統(tǒng)等。1.3 論文內容本文在查閱資料后決定主要研究移動機器人機械臂部分的研究，涉及機器人主體部分內容，本文后兩章主要描述了（1） 機器人的總設計圖機器各個部分的作用，機器人的作用過程；（2） 機械手的整體設計，涉及了機械手的工作原理圖，其液壓控制油路圖，手爪的設計及其部分數(shù)據(jù)計算，液壓缸液壓泵的選型及其動力校核，其他元件的選擇。1.4 機械手概述機械手的驅動系統(tǒng)由液動機（各種油缸、油馬達）、伺服閥、油泵、油箱組成，機械手具有很大的抓取力且結構緊湊，各種性能都比較優(yōu)秀，這就對制造精度和密封性有很高的要求。機械手具體包括手、手臂和軀干。手安裝在執(zhí)行器前部，其任務是準確地抓住當前物件，它必須有手指頭，可以完成抓取物件之后的動作,以達到自己的目標。臂的作用是用來協(xié)助手抓住工件和移動到手所需的位置。軀干起到支撐作用。第二章 校園垃圾撿拾機器人方案2.1 機器人的功能本文設計的機器人可以實現(xiàn)自主運動，在由視覺傳感器規(guī)劃路線及發(fā)現(xiàn)垃圾并由機械爪撿拾垃圾，且擁有收集和轉移兩個功能，在垃圾收集箱收集滿垃圾后，機器人會將垃圾箱內的垃圾轉移到附近的垃圾收容處。這樣的一個機器人可以幫助減少清潔工的工作量。2.2機器人的工作原理感應器捕捉到垃圾使移動平臺移動到垃圾前方停下使機械手在垃圾前方自由狀態(tài)機械手提起垃圾并向垃圾箱方向轉去碰到行程開關，爪子完全分開調整機械手位置使爪子抓住垃圾機械手通過定位撲捉感應器撲捉垃圾的精準位置圖2.1 機器人的工作原理圖按下遙控器按鈕，移動電源控制按鈕，全自動化操作按鈕啟動機器人，機器人進入自主運動。機器人利用視覺傳感器到達垃圾位置，當機器人視野內沒有發(fā)現(xiàn)垃圾， 機器人繼續(xù)向前行駛，尋找目標，發(fā)現(xiàn)垃圾之后，停留在垃圾附近位置，移動平臺停止運行，啟動機械手控制系統(tǒng)，通過傳感器調整機械手的位置使爪子對準垃圾，而后爪子閉合抓住垃圾，隨后機械手轉動到收集垃圾箱方向，轉到垃圾箱上方碰到一行程開關使爪子張開，松開垃圾，完成一次撿拾。隨后繼續(xù)尋找垃圾。當機器人垃圾箱中垃圾占有一定空間后，機器人停止搜尋垃圾，發(fā)出報警聲。使用遙控器操作機器人，通過無線導航系統(tǒng)中，讓機器人到附近的垃圾收集處將收集的垃圾丟入。機器人完成一次撿拾的全過程。2.3 機器人總原理圖1.機械爪；2.壓缸；3.機械臂；4.擺動液壓缸；5.步進電動機；6.垃圾收集箱。2.2 機器人總原理圖上圖中1機械爪，主要功能是抓取物體；2液壓缸，主要負責提供兩個機械臂的運動的動力，和機械爪的動力提供；3機械臂，主要功能是移動機械臂的位置，為機械爪抓取物體提供更有利的位置；4擺動液壓缸，負責機械臂的轉向功能；5電動機，提供機器人行走的動力；6垃圾收集箱，負責儲存并壓縮機器人收集的垃圾。第三章 機械手的整體設計3.1機械手的工作原理圖圖3.1 機械手的工作原理圖由3.1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械手臂的轉動，液壓缸1的伸縮帶動機械手臂的上下擺動，液壓缸2帶動機械手臂的前后伸縮，液壓缸3帶動機械手爪的張開與閉合。3.2機械手爪的液壓控制系統(tǒng)油路圖我們設置4個電磁換向閥分別控制4個油缸，如圖3.2所示，在換向閥與油缸之間設置一個鎖緊回路可以使油缸精準的停留在某一位置從而使機械手的精度大大提高。1YA:接通時當油路里的壓力過高則開通溢流閥降壓。2YA:接通時爪子張開。3YA:接通時爪子閉合抓緊垃圾。4YA:接通時手臂1向下擺動。5YA:接通時手臂1向上擺動。6YA:接通時手臂2向后擺動。7YA:接通時手臂2向前擺動。8YA:接通時整個機械手順時針擺動。9YA:接通時整個機械手逆時針擺動。S0:行程開關控制爪子的松開。S1:行程開關控制擺動液壓缸的擺動。調速閥控制機械手抓緊垃圾的速度。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。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S0時2YA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S1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。圖3.2 機械手爪的液壓控制系統(tǒng)油路圖3.3機械手手爪設計機械手爪是用來抓取垃圾的部件，這就要求手爪工作時要滿足迅速、靈活、準確和可靠的要求。其夾緊力的大小需要根據(jù)夾持物體的重量來計算，同時還要考慮開口尺寸。3.3.1 手爪的工作原理桿在驅動力F的作用下上下移動，完成抓緊和松開的動作，即工作夾緊狀態(tài)與自由張開的狀態(tài)，當在驅動力F作用下桿向下推時，手爪松開，處于自由張開狀態(tài)（如圖3.3.1A）；反之當驅動力F作用在桿上向上推時，手爪抓緊，處于夾緊狀態(tài)(如圖3.3.1B)。圖3.3 手爪的工作狀態(tài)圖3.3.2 夾緊力的計算機械手爪在抓取物體時需要一定的夾緊力，其大小與夾緊機構的形式，夾緊方位和工件的形狀有關，因而需要研究機械手爪在什么方向時，夾緊物體所需的驅動力最小，這個最小的夾緊力就叫當量夾緊力，當量夾緊力就是使物體處于平衡位置時的最小驅動力。當量夾緊力的計算（滑槽式的兩指夾緊機構）圖3.4 手爪工作時力分析圖當夾緊機構上指平衡時：N1×cos17°×b=P×a/cos由夾緊力概念可知N=（a/2b）×（1/cos）2×P （3.1）考慮物體重量時（N2cos17°+G）×b=P×（a/cos） （3.2）由式（3.1）+式（3.2）得P=（N1+N2+G）×cos²×（b/a）當手爪尚未夾緊物體時所需的最小驅動力Pmin=2G×cos²×（b/a） （3.3）將（3.3）式帶入（3.1）式N當=（a/2b）×(1/cos）×(b/a）×cos²×G=（1/2）G即杠桿滑竿式兩指間其當量夾緊力為物體重量的1/2手指夾緊力的計算NK1×K2×K3×GK1為安全因素，取1.22K2為工件情況系數(shù)，常取1.12.5K3為方位系數(shù)，由表4.3查的G為被抓物體重量，即物體重力取K1=2，K2=2.5，K3=0.5/f，粗取K3=0.5，G=5N得N2×2.5×0.5×5=12.5NP3.4液壓缸的選型3.4.1 爪子液壓缸的選型因為要讓機械手臂上的爪子伸縮所以液壓缸必須要進行直線運動有因為液壓缸必須要固定在機械手臂上，則根據(jù)（液壓傳動設計手冊）表6-6選擇雙作用單桿帶不可調緩沖裝置的液壓缸。再根據(jù)（液壓傳動設計手冊）表6-7選擇“尾部耳環(huán)連接”的安裝方式固定液壓缸，缸中間再用一個環(huán)套固定在機械手臂上。由表6-10和爪子的行程設定油缸的行程為50mm因此爪子液壓缸的行程也是50mm，在根據(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50mm，缸體和缸蓋采用內螺紋連接，活塞與活塞桿則采用螺紋連接，活塞桿端部的螺紋尺寸為M12*15，如圖3.4.1所示。圖3.5 爪子液壓缸圖3.4.2兩個手臂油缸的選型和3.3.1所示一樣，因為機械手臂是需要擺動的，所以液壓缸也需要跟著手臂擺動，所以選用液壓缸端部為“尾部耳環(huán)連接”方式連接而不使用環(huán)套連接方式，活塞桿端部采用單耳環(huán)連接。單耳環(huán)扣的結構尺寸為內徑16mm，外徑32mm，厚度20mm。如圖3.4.2所示。圖3.6 手臂液壓缸活塞缸的速度比：=A1/A2=D2/（D2-d2）=42/（42-22）=1.333.4.3 擺動液壓缸的選擇目前在市場上常見的有兩種擺動液壓缸：葉片擺動液壓缸和螺旋擺動液壓缸。兩者對比后發(fā)現(xiàn)后者的擺動效果不好，轉矩不大，但密封效果較好，而前者結構緊湊，輸出轉矩大，但密封效果較差，不過在中低壓系統(tǒng)中有往復擺動、轉位或間歇運動的地方有很好的優(yōu)勢，因此選用葉片擺動液壓缸。葉片擺動液壓缸又分為單葉片擺動液壓缸和多葉片擺動液壓缸，單葉片擺動液壓缸能轉動的最大角度不超過280度，多葉片擺動液壓缸能轉動的最大角度不超過150度。而在本文設計的機械手的擺動角度需要180度，因此選擇單葉片擺動液壓缸。根據(jù)液壓設計手冊上的經(jīng)兩種擺動液壓缸規(guī)格如下表3-0，試選用型號為BM-150。表3-1 擺動液壓缸技術參數(shù)表型號壓力/MPa流量/×10-4（M2/s）轉矩/（N.m)擺動角度（°）BM-1500.7143.7515264BM-160.7143.751.6264表3-2 活塞行程系列（mm）255080100125160200250320400500注，GB2349-80 按優(yōu)先次序給出了三個系列值，本表僅摘錄了第一表（優(yōu)先系列）中至500mm的系列值。表3-3 液壓缸內徑尺寸系列（mm）840125(280)1050(140)3201263160(360)1680(180)40020(90)200(450)25100(220)50032(110)250注：1.圓括號內尺寸為非優(yōu)先選用者。2.內徑尺寸可擴展，按R10優(yōu)先數(shù)系列選用。3.活塞桿外徑尺寸系列見液壓缸活塞桿外徑尺寸系列表6-2表3-4 液壓缸活塞桿外徑尺寸系列（mm）420561605226318062570200828802201032902501236100280144011032016451253601850140注：直徑上限可擴展，按R20優(yōu)先數(shù)系列選用。3.5 液壓泵的選擇齒輪泵的優(yōu)點：1.結構簡單,工藝性較好,成本較低。2.與同樣流量的其他各類泵相比,結構緊湊,體積小。3.自吸性能好，無論在高轉速還是低轉速均能可靠實現(xiàn)自吸。4.轉速范圍大，由于齒輪泵的轉動部分基本上是平衡的，因此轉速可以很高。5.油液中污物對其工作影響不嚴重,不易咬死。雖然齒輪泵的缺點是噪音大、脈動大、限制了壓力的提高。但這些并不影響機器手的工作。因此我們仍然選用齒輪泵為液壓缸提供動力。液壓缸的排量：V1=1/4d2h=1/4×3.14×4²×5=62.8cm³V=1/2×1/4(d1²-d22)×h1=1/2×1/4×3.14×(324-36)×33=3730.32cm³Q總=3×V1+V2=3×62.8+3730.32=3918.32cm³其中：V1：活塞缸的最大排量。V2：擺動缸的最大排量。d：活塞直徑。h：活塞缸的行程。d1：葉片直徑。d2：葉片軸直徑。h1：葉片高度。根據(jù)上面的總排量和液壓傳動設計手冊上表2-2選用型號為GB-B40型齒輪油泵。3.6校核（1）塞缸推力的計算。如下圖。圖3.7 塞缸推力示意圖對于無活塞桿的那一側油腔進油時，油缸活塞桿向外的推力為：P=P1×=p×（D²/4）=25×（3.14×4²）/4）×0.95=298.3kgf式中：p工作壓力。：油缸工作效率，在工程機械中用耐油橡膠密封式可取0.95在有活塞桿一側的油腔中進油是活塞桿向缸內收進時的拉力為：P=P2=p(D2-d2)/4)=25×3.14×(16-4)/4)×0.95=223.725kgf（2）缸與缸底用電焊連接時的焊縫應力：焊接材料選用Z208，其抗拉應力為148kgf/cm3=P/（(D2-d2)）=（298.3×4）/（3.14×（25-16）×0.7）=45.24kgf/cm3式中P為油缸推力。為焊接效率，取0.7。D1為缸外徑。d1約為缸內徑。n=b/=158.33/45.24=3.5式中;b為焊條材料的抗拉強度。n為安全系數(shù)，一般取3.34。因此焊條材料符合。（3） 缸體與缸蓋的螺紋連接設計計算：查液壓傳動設計手冊可知，油缸缸體材料常用材料有20，35，45號鋼的焊縫鋼管。因20號鋼機械性能低且不能調質處理，所以用的較少。與缸頭、缸底、管接頭等零件焊接的缸體用35號鋼，并在粗加工后進行調質處理。不與其他零件焊接在一起的部分選用45號鋼。選35號鋼為缸體材料。其屈服強度為315kgf/cm2。螺紋處的拉應力：=KP/（d12-D22）/4）=（1.3×298.3）/（3.14×（25-16）/4）=54.9kgf/cm2螺紋處的剪切應力：=k1KPd0/（0.4（d14-D4）/d1）=(0.12×1.3×298.3×5×5)/147.6 =7.9kgf/cm2合應力為：n=（2+32）=56.58kgf/cm2許用應力為：=s/n=315/7.5=180kgf/cm2由此看出n<因此35號鋼可以。（4）液壓缸的速度與推力活塞缸：無活塞桿一側進油時：v1=(4q/D2)v=(4×40/3.14×16)×0.98=3.12cm/sF1=(A1p1-A2p2)m=(D2/4)×p=3.14×16/4×25×0.97=304.6kgf當有活塞桿端進油時：v2=(q/A2)v=(4q/(D²-d²)v=(4×40/(3.14×(16-4)×0.97=4.12cm/sF2=(A2p1-A1p2)v=(D2-d2)/4)p1m=(3.14×(16-4)/4)×25×0.98=230.8kgf擺動液壓缸：轉矩TT=(b/8)(D²-d²)pm=(3.3×(6.2²-2.3²)/8)×25×0.98=335kgf·cm轉角速度=8qv/b(D²-d²)=8×40×0.98/(3.3×(6.2²-2.3²)=3rad/s3.7其它元件的選型（1） 液壓油的選擇：液壓油適宜的粘度及良好的粘溫性能；有良好的抗泡沫性；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。抗乳化性和抗氧化性好。根據(jù)液壓傳動設計手冊上所列的類型，選用最普通的20號機械油。（2） 密封圈的選擇：因為活塞缸是雙作用的，兩邊都受到高壓作用，所以選用V型密封圈。（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。 （4） 銷釘?shù)倪x擇：根據(jù)活塞桿端部的耳環(huán)內徑可以選擇直徑為16mm的銷。 機械手臂采用重量較輕的鋁合金材料。總結本人設計的機器人是具有機械手臂的移動機器人，手臂擁有近乎無限大的工作空間和高度運動冗余性等優(yōu)點，可以自主移動和自主操作。伴隨著對外太空的探索，機器人的應用技術進一步成熟，因此機械手的研究開發(fā)對人們來說是非常重要的。移動機械手的基礎理論、基本技術及其應用都具有十分大的研究量，亟待完善修整。本人在參考了國內外相關文獻的基礎上，對撿拾垃圾機器手的手臂及傳動部分進行了一點設計，簡述了機械手臂的工作原理和手臂的各個運轉狀態(tài)，對機械手的控制采用的是全液壓控制方式，液壓控制系統(tǒng)采用的是換向閥和行程開關以及軟件系統(tǒng)進行控制，由攝像頭捕捉垃圾傳遞信號通過信號控制著液壓缸的進出油量從而控制手臂的擺動和爪子的抓緊力再根據(jù)行程開關控制著手臂的轉動，擺動和爪子的張開。      本人論文中所述的控制并不是很精準，很多細節(jié)也沒有描述清楚，只是粗略的進行了下整合，對于機械手臂的真正實施還有很多細節(jié)需要完善，還需要大量的工作才可以使其真正的投入使用。參考文獻1于永泗, 齊民, 徐善國. 機械工程材料M. 大連理工大學出版社, 2013.2蔡春源. 簡明機械零件手冊M. 冶金工業(yè)出版社, 1996.3陳意平任仲偉朱顏. 機械制圖習題集M.4張翠華, 楊文敏, 楊勝培,等. 機械設計M. 西北工業(yè)大學出版社, 2015.5陳堯明, 許福玲. 液壓與氣壓傳動學習指導與習題集M. 機械工業(yè)出版社, 2005.6莊永炘. 劉鴻文第五版材料力學教材芻議J. 西南科技大學高教研究, 2014(2):73-78.7陸祥生, 楊秀蓮. 機械手-理論及應用M. 中國鐵道出版社, 1985.8哈爾濱工業(yè)大學理論力學教研室. 理論力學M. 高等教育出版社, 2009.9鄭文緯, 吳克堅. 機械原理-第7版M. 高等教育出版社, 1997.10馬文倩, 晁林. 機器人設計與制作M. 北京理工大學出版社, 2016.11徐國華, 譚民. 移動機器人的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢J. 機器人技術與應用, 2001(3):7-14.