0010-智能機器人傳菜員行走機械結構的設計、控制及制作【全套21張CAD圖+PROE模型+文獻翻譯+說明書】,全套21張CAD圖+PROE模型+文獻翻譯+說明書,智能,機器人,傳菜員,行走,機械,結構,設計,控制,節(jié)制,制作,全套,21,cad,proe,模型,文獻,翻譯,說明書,仿單 智能機器人傳菜員行走機械結構的設計、控制及制作 1. 論文題目 智能機器人傳菜員行走機械結構的設計、控制及制作 2. 論文結構 2.1 總體結構的設想 論文的總體結構將做如下安排： 1.綜述目前餐飲行業(yè)的現(xiàn)狀，餐飲行業(yè)所反映出來的各方面問題以及現(xiàn)代機械化工業(yè)的應用與發(fā)展。 2.對機器人的結構特點以及工作原理進行研究及闡述。 3.對機器人的結構和零部件進行設計、加工、裝配。為機器人進行程序的編寫及調試，使其按預定的狀態(tài)運行。 4.將機械化產品和餐飲行業(yè)的服務職能相結合，巧妙的進行優(yōu)勢互補，開發(fā)一種能夠進行送餐的服務機器人，總結市場上現(xiàn)有送餐機器人的結構特征和特點，對其進行設計與優(yōu)化。 2.2 選題研究的目的、意義 隨著現(xiàn)代工業(yè)化進程的加快，機械自動化成為了社會的一種趨勢。在工業(yè)生產中已經(jīng)大量運用機器人完成生產線的加工與制造。隨著人們對生活中物質文化需求的增多，機器人也漸漸走入了人們的生活之中。尤其是在餐飲行業(yè)，一款良好的送餐機器人可以良好的減緩企業(yè)用工的壓力。但現(xiàn)在的餐飲行業(yè)多是以人力進行工作及送餐，人流量大，工作強度高，對勞動人員的精神及體力無疑是一種嚴峻的考驗；對企業(yè)來說，即使花很高的價錢也很難留住勞動人員。但此類服務的技術含量相對較低，大量的雇傭勞動人員又會造成人才的不合理利用，人力資源造成不必要的浪費，而且雇傭人力還會存在著衛(wèi)生等隱患。如能開發(fā)一款以機器人代替人力進行送餐的機械設備，無疑可以減少企業(yè)的用工難，工作壓力大等問題，對于食品衛(wèi)生安全方面也會有進一步的保證。企業(yè)也可以避免長期花費高價雇傭服務員等費用，對企業(yè)來說又是一筆額外的收益。而且以機器人代替人力還會使餐廳成為亮點，吸引顧客，對企業(yè)的發(fā)展有著良好的市場前景。因此，送餐機器人將會成為未來餐飲行業(yè)的必然趨勢。 2.3 主要解決的問題 1．市場上機器人體積比較龐大，工作占用空間也相應增大，不適用于中小型餐廳。 2．市場上現(xiàn)有送餐機器人不能完成一桌多菜或多桌送餐的過程，技術不成熟。且送餐多為到達指定位置，對于將餐盤端到餐桌功能并未實現(xiàn)。 3. 市場上現(xiàn)有機器人多為多主動輪結構，因此在轉彎時會增大轉彎半徑，靈活度不夠。 4.市場上現(xiàn)有機器人多為鉛酸電池供電，是的機器人質量較大，儲電能力不夠強，收效甚微。 2.4 主要工作 對該機械結構進行總體方案的設計、并著重設計機器人行走機械結構以及端盤機械手的液壓系統(tǒng)結構，對其控制結構的總體控制方式進行框架結構的設計。具體如下： 1. 根據(jù)總體方案圖，完成繪制系統(tǒng)裝配圖，并依裝配圖繪制全套零件圖。 2. 輔助完成依據(jù)液壓系統(tǒng)圖，對液壓系統(tǒng)進行制作的過程。 3. 輔助完成三組傳感器安排和設計。 4. 主要完成該機器人控制程序設計框圖。并輔助編制控制程序。 5. 輔助完成根據(jù)設計圖紙監(jiān)控該機器人制造全過程，并實施裝配。 6. 輔助完成對機器人/傳感器和控制程序的運動調試。 2.5 主要創(chuàng)新點 1.該機器人借鑒獨輪機構設計，運動靈活，可以實現(xiàn)原地轉彎或調頭。 2.該機器人中心驅動輪的高度位置可調。 3.該機器人采用了可充電的鋰電池供電方便靈活，減輕了機器人的自身重量，而且令電池充電一次可供機器人持續(xù)工作一天，可靠性高。 4.該送餐機器人的端菜過程采用液壓系統(tǒng)完成動作，液壓系統(tǒng)運動平穩(wěn)，易于控制，承載能力強。 5.機械手的旋轉通過底部固定大輪子的大齒輪上的支撐架中心軸和與法蘭相連的豎直液壓缸連接固定。實現(xiàn)了步進電機控制整個機器人的所有旋轉，其結構更加簡單，控制更加方便，減少了機器人的生產成本。 6.本機器人可實現(xiàn)對餐盤的自動尋找和自動定位、抓取，并將餐盤自動送至指定餐桌。從開始送餐到送餐結束，全程自主控制,自動化程度較高，超越了現(xiàn)階段的其他送餐機器人。 7.本機器人機械手部分采用國際先進的3D打印技術，加工簡單方便、材質輕、成本低。 8.本機器人外形美觀，可以吸引顧客，成為餐廳的一大亮點。 3. 文獻綜述 3.1 現(xiàn)有送餐機器人傳菜員的定位原理 目前，服務機器人已非常受歡迎。這項工作的目的是開發(fā)一個餐廳服務機器人。此服務可以使移動機器人為餐廳傳菜。它也可以顯示顧客的桌號。這個機器人可以使這家餐廳的服務效率急劇增加。該移動服務機器人配備了一個“激光定位系統(tǒng)?！凹す舛ㄎ幌到y(tǒng)可以使移動機器人快速和精確的定位和指導。此功能可防止機器人偏離正常運行的軌道，當前方有障礙物時，還可以有效地避開障礙物。一個餐廳的服務機器人，它可以適用于提供基本服務，如排序，取送食品，結算等，為客戶在機器人餐廳提供便利。在這項研究中，三維坐標定位和基于路標定位算法，使機器人在餐廳有良好的定位精度。光學字符識別（OCR）技術是用來區(qū)分不同的地標，獨特的表號。高定位精度必須被授予在廚房的桌子，提出了移動機器人定位的基于RFID技術的定位算法。實驗結果表明，該算法可以估計機器人的姿勢不出錯，能夠準確無誤的執(zhí)行任務。最后，提出了服務機器人可以在餐廳實現(xiàn)實時自定位。 超聲波傳感器運行可靠、實時性好多個傳感器進行組合或與其他傳感器配合，通過信息融合可以準確實現(xiàn)測距避障、獲取環(huán)境信息的功能，因此在移動機器人系統(tǒng)中得到了廣泛的應用本系統(tǒng)采用高性能低功耗單片機mega128進行模塊化設計。實現(xiàn)了多路超聲波測距避障的功能，達到了系統(tǒng)所要求的范圍和精度系統(tǒng)上通信接口豐富?？梢浦残詮?。有很大的升級空間和組合柔性?？梢院蜕衔粰C進行多層次通信，實現(xiàn)更為復雜的控制功能。 3.2 餐廳機器人相關控制部分的設計 餐廳服務的自主移動機器人控制系統(tǒng)的模塊化設計已經(jīng)完成，并且系統(tǒng)采用分布式控制，主機的控制系統(tǒng)（如計算機模塊）通過對各模塊的協(xié)調和統(tǒng)一的總線協(xié)議?？刂葡到y(tǒng)分布在三個模塊的功率驅動模塊（包括電源管理單元，運動控制單元，驅動單元），傳感器模塊（各種傳感器，等），和計算機控制模塊。然后，使用VC++ 6開發(fā)的控制系統(tǒng)軟件，將軟件劃分為用戶級，決策控制層，傳感/相關決策的執(zhí)行層，和運動。層與層之間的通信標準的物理層和協(xié)議層，每層具有高度的可擴展性，用戶可以自由地增加用戶自己的設備和控制只是按照程序與標準的物理層和協(xié)議規(guī)范。 3.3 智能機器人運行基本原理 自助餐廳服務機器人通過安裝于前端的攝像頭獲取道路前段景象，識別出循跡線和停止線的位置，通過控制舵機的旋轉使循跡線位于攝像頭所拍攝圖像的中間位置，即機器人的左右軸線正對著循跡線，以確保機器人能夠沿著循跡線行駛。為了確保在轉彎處機器人能夠實現(xiàn)穩(wěn)定的循跡效果，舵機的旋轉角度采用閉環(huán)控制。單片機根據(jù)識別出的循跡線的位置與圖像中間位置的偏差，計算出舵機的角度誤差，采用PID控制算法計算控制率，通過驅動芯片控制舵機旋轉。 在就餐人員的就餐區(qū)鋪置與循跡線相垂直的停止線，當在攝像頭所獲取的圖像中識別出停止線時，機器人則停止行駛10秒鐘，并在LCD顯示器上進行倒計時顯示，以等待就餐人員從機器人的平板托盤中拿下食物，或者將用過的餐具放在機器人的平板托盤上。停止10秒鐘后，機器人繼續(xù)沿著循跡線勻速行駛。 機器人的行駛功能由后輪的驅動電機控制。為確保機器人勻速、穩(wěn)定的行駛在循跡線上，驅動電機采用速度閉環(huán)控制。采用光電碼盤測量驅動電機的旋轉速度，與給定速度相比較，得到誤差信號，采用PID控制算法計算控制率，通過驅動芯片控制驅動電機的旋轉速度，使得機器人無論在空載、滿載、爬坡、下坡等狀態(tài)行進時都能夠平穩(wěn)勻速地行駛。 由于餐廳的具體布局結構不同，機器人可能運行在斜坡上，為了確保機器人在斜坡上運行時，機器人平板托盤中的食物不會因傾斜而滑落或灑失，與平板托盤相連接的直流電機通過傾角傳感器實現(xiàn)位置閉環(huán)控制。傾角傳感器采用SCA610傾角傳感器，傾角傳感器貼裝在平板托盤上，以檢測平板托盤與水平方向的夾角誤差，通過PID控制算法計算控制率，通過驅動元件控制與平板托盤相連接的直流電機旋轉，以減小平板托盤與水平方向的夾角誤差，以確保機器人能夠平穩(wěn)地為就餐人員送取食物和餐具。 3.4 輪式機器人國內的發(fā)展現(xiàn)狀 國內對于輪式移動機器人的研究起步較晚，大多數(shù)研究尚處于某個單項研究階段，主要以自動引導車輛為主，對于高越障性能機器人系統(tǒng)研究得較少。主要的研究工作有: 清華大學智能移動機器人于1994年通過鑒定。涉及到五個方面的關鍵技術:基于地圖的全局路徑規(guī)劃技術研究;基于傳感器信息的局部路徑規(guī)劃技術研究;路徑規(guī)劃的仿真技術研究;傳感技術、信息融合技術研究;智能移動機器人的設計和實現(xiàn)。該機器人是以汽車底招‘為基礎，具有避障能力，但缺乏越障能力。 另外，還有香港城市大學智能設計、自動化及制造研究中心研制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)等其中由中國科學院沈陽自動化研究所研制并通過“863”驗收的是基十復合結構的非結構環(huán)境移動機器人。 盡管目前我國輪式移動機器人的研究和生產技術發(fā)展水平與西方發(fā)達國家存在著很大的差距，但從總體看來，我國的機器人技術正從低水平、低質量、滿足功能型向高水平、高質量、經(jīng)濟實用型過渡;從仿制仿造向自主開發(fā)過渡。各廠家和研究所甚至部分高校都在不斷地進行技術投入，采用不同的技術路線，從關鍵部件和系統(tǒng)上技術創(chuàng)新，基本形成了激烈良性的技術競技環(huán)境。 3.5 液壓控制技術的相關應用與發(fā)展 隨著機械工作精度、響應速度和自動化程度的提高。對液壓控制技術提出了更高的要求目前。液控技術不僅用于傳統(tǒng)的機械操縱、助力裝置。也用于工程機械的模擬加載、轉速控制、發(fā)動機燃料進給控制。以及車輛主動懸掛裝置和制動系統(tǒng)。同時擴展到航空航天和海底作業(yè)方面面對如此廣泛的應用場合。僅采用液控技術已不能完全滿足要求。于是發(fā)展機電一體化技術已成為一種必然的趨勢進入80年代以來。逐步完善和普及的計算機控制技術和集成傳感技術為電子技術和液壓技術的結合創(chuàng)造了條件計算機控制在液壓控制系統(tǒng)中的應用大大提高了控制精度和工作的可靠。使得以往難以解決的控制難題有了突破的希望近年來電技術的進步(如無槽電機等的產生)出現(xiàn)了一些很緊湊的高響應電控系統(tǒng)。在某些場合(如數(shù)控機床及一些機器人)已取代傳統(tǒng)的電液伺服閥然而。在功率重量比方面。液壓執(zhí)行器比電磁執(zhí)行器要高幾乎一個數(shù)量級;在負載剛性方面。液壓馬達的開環(huán)速度剛性大約為電動機的5倍這些使目前液控系統(tǒng)仍具有一些電控系統(tǒng)本身無法比擬和取代的優(yōu)勢此外。液控系統(tǒng)本身近年來亦有長足的進步。70年代以來各種比例控制系統(tǒng)的發(fā)展、高速開關電磁閥和步進電機驅動的數(shù)字閥及脈寬調制控制技術、數(shù)字增量控制(IDC)型電液伺服系統(tǒng)等。便是液控技術向前發(fā)展的標志。 電液伺服系統(tǒng)是以電氣信號為輸入，以液壓信號為輸出，在系統(tǒng)的輸入和輸出之間有反饋連接的閉環(huán)控制系統(tǒng)。圖1為電液伺服系統(tǒng)的結構框圖，輸入信號通過比較元件與反饋信號進行比較后，得出偏差電信號，由電控器轉換為力信號，電一機械轉換元件，再把力信號變?yōu)槲灰菩盘?，?jīng)液壓放大元件放大后，輸出具有一定壓力和流量的液體，控制液壓執(zhí)行元件運動。檢測反饋元件檢測被控量或中間量，并反饋回輸入端。系統(tǒng)輸入信號的功率很小，但系統(tǒng)的輸出可以達到很大。 3.6 傳感器的相關應用與發(fā)展 在保證自動導向車導引精度的前提下，如何構筑一種性能優(yōu)異、成本低廉的傳感器測控系統(tǒng)是自動導向車技術的研究熱點和難點?，F(xiàn)以普通紅外線傳感器作為自動導向車信號采集的核心器件，并采用優(yōu)化陣列式分布，構成了一種功能突出、性能穩(wěn)定、結構簡單、導引準確、價格低廉的光電眼。進而通過系統(tǒng)微處理器的分析和處理，排除了環(huán)境干擾，強化了測控功能。使自動導向車獲得良好的導引效果.可確?；诖思夹g的自動導向車具有優(yōu)越的性價比和實用性。 3.7 步進電機的調速方法 步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度(稱為/步距角0)，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的，同時可以通過控制脈沖頻率來控制機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。步進電機可以作為一種控制用的特種電機，利用其沒有積累誤差(精度為100%)的特點，廣泛應川于各種開環(huán)控制?，F(xiàn)在比較常川的步進電機包括反應式步進電機(VR)、水磁式步進電機(PM) ,混合式步進電機(HB)和單相式步進電機等。 對步進電機控制的一個中心問題就是速度調節(jié)。即產生一系列頻率可調的步進脈沖序列，送到驅動電源，控制電機繞組的輪流通電，實現(xiàn)電機的轉動。脈沖序列的產生用微處理器實現(xiàn)，有軟件延時和硬件定時兩種方法。 （1）軟件延時:通過調用標準的延時子程序來實現(xiàn)。 （2）硬件定時:假定控制器仍為AT 895 52單片機，晶振頻率為12 MH、將AT89552的TO作為定時器使用，設定TO工作在模式1(16位定時/計數(shù)器)。 3.8 機械手爪的相關研究 機器人手爪是可以實現(xiàn)類似人手功能的機器人部件，是用來握持工件或工具的重要執(zhí)行機構之一，既是一個主動感知工作環(huán)境信息的感知器和最后執(zhí)行器，又是一個高度集成的具有感知功能和智能化的機電系統(tǒng)，涉及機構學、仿生學、自動控制、傳感器技術、計算機技術、微電子技術、材料學等多個研究領。 國內方面，陜西利一技大學文懷興等人為某設備設計了夾持機械手,驅動電機經(jīng)過聯(lián)軸器帶動絲杠轉動，驅動螺母上下移動，帶動手爪張合，實現(xiàn)夾持物體。其手爪運動軌跡為曲線。 中國農業(yè)大學趙延軍在蘋果果袋摘除機械手爪的研究中采用了絲杠的傳動方式，帶動分離機構的二指張合來摘除果袋。絲杠和滑塊為主要運動部件，為了使分離機構在完成相對運動的同時也具有一定的緊湊結構，故將絲杠設計為左右兩側分別為左旋和右旋的一個軸。對文中所介紹的機械手爪具有借鑒意義。 手爪的設計要求是:1.應有足夠的夾緊力:除物體的重力外，傳送和操作的過程中還會產生慣性力和振動，只有保證足夠的夾緊力，被抓物體才不會產生松動或掉落；2.要保證工件的準確定位；3.手指間需保證一定的開閉角，使手爪有足夠的開閉范圍；4.能適應被抓對象的不同形狀、不同被抓部位和被抓數(shù)量；5.足夠的剛度和強度。 3. 參考文獻 [1] Jyh-Hwa , Tzou , Kuo L.Su .[J].Artificial Life and Robtics ,2009,Vol.14(2).pp.252-256Springer. 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