校园垃圾拾捡机器人控制机构设计毕业设计-毕业设计

1、 学校代码：10410 序 号：050387本 科 毕 业 设 计题目： 校园垃圾拾捡机器人控制机构设计 学 院： 工 学 院 姓 名： XXXXXX 学 号： 20050387 专 业： 机械设计制造及其自动化 年 级： 机制051 指导教师： XXXXXXX 二OO九年 五 月 三 日摘要 随着经济的快速开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

2、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，机械手固定在移动平台上构成的一类特殊的移动机器人系统。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，使机械手能以更适宜的姿态执行任务，机械手的参加也极大的提高了移动机器人的性能。关键词: 校园；垃圾拾捡机器人；控制机构。Abstract With the rapid economic development and increasing peoples living standards, waste emissions by increasing the pressur

3、e on the environment increasing, Specially campus this kind of densely population place , every day is making massive trash , such as waste paper, plastics, batteries, fruit, etc. . In order for the campus must be kept clean on the charges of human material and financial resources and so on. If you

4、design a campus that is garbage robot can solve a lot of trouble, the 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

5、control, mechanical hand fixed in the mobile platform consisting of a special kind of mobile robot system. Manipulator which is used to achieve, such as crawling, operation moves to expand mobile platform, manipulator of the working space, so that robot can be a more appropriate gesture tasks, the a

6、ddition of robot is also greatly improved the performance of the mobile robot Key words : campus ; Trash ascends to pick the robot ;Control mechanism 目录摘要IAbstractII第一章 绪论 1移动机器人概述1移动机器人的系统结构1 移动机械手平台系统2课题研究背景及意义2第二章 机器人工作原理4第三章 机器手整体设计53.1 机械手工作原理图5 液压系统控制油路图5液压缸的选择7 爪子液压缸的选择7 3.3.2 两个手臂的油缸的选择7 3.3

7、.3 摆动液压缸的选择8 液压泵的选择9校核103.6 其它元件的选择143.7 本章小结14第四章总结15参考文献16第一章 绪论移动机器人概述 移动机器人的研究始于60年代末期，斯坦福研究院(SR)I的NiISSen和CharleSRosen等人，在1966年至1972年中研造出了取名Shakey的自主移动机器人。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。与此同时，最早的操作式步行机器人也研制成功，从而开始了机器人步行结构方面的研究，以解决机器人在不平整地域内的运动问题，设计并研制出了多足步行机器人。70年代末，随着计算机的应用和传感器技术的开展，移动机器人

8、研究又出现了新高潮。特别是在80年代中期，设计和制造机器人的浪潮席卷全世界，一大批世界著名的公司开始研制移动机器人平台，这些移动机器人主要作为大学及研究机构的移动机器人实验平台，从而促进了移动机器人学多种研究方向的出现。90年代以来，以研制高水平的环境信息传感器和信息处理技术，高适应性的移动机器人控制技术，真实环境下的规划技术为标志，开展了移动机器人更高层次的研究。移动机器人的系统结构 目前研究的移动机器人都是带有智能的机器人:机器人本身能认识工作环境、工作对象及其状态，它根据人给予的指令和“自身认识外界的结果来独立的决定工作方法，利用操作机构和移动机构实现任务目标，并能适应工作环境的变化。

9、这些具有智能的机器人，有的能够模拟人类用两条腿走路，可在凹凸不平的地面上行走移动;有的具有视觉和触觉功能，能够进行独立操作、自动装配和产品检验;有的具有自主控制和决策能力。不仅能够应用各种反应传感器，而且还能够应用人工智能中的各种学习、推理和决策技术。 移动机器人一般由硬件系统和软件系统两局部构成。据研制目的不同，移动机器人硬件系统的构成也不尽相同，比拟完整的典型结构如图1.1所示。移动机器人的软件系统，就相当于机器人的“大脑，智能机器人之所以能够代替人做大量的工作，就是因为它具有和人类的大脑思维能力相仿的智能控制系统。而这个智能控制系统其实就是机器人的软件系统，是人工智能主要技术对于机器人的

10、综合运用。智能机器人的软件系统，如图1.2所示。 移动机械手平台系统 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，使机械手能以更适宜的姿态执行任务，同时机械手的参加也极大提高了移动机器人的性能。移动机器人体系结构的设计就是要把感知、建模、规划、决策、行动等多种模块有机地结合起来，建立在动态环境中完成目标任务的一个或多个机器人结构框架。 移动机械手平台系统是实验室“211工程建设工程之一，涉及到机械、电子、无线通讯、计算

11、机视觉、模式识别与智能控制的许多学科，将为今后进行基于移动机器人技术的各方面研究(如机器人导航、视觉、模糊控制、神经网络等)提供理想的实验载体和平台。 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)以及室内效劳工作(如运送、导游和巡逻)等方面具

12、有一定研究价值。机器人工作原理图2.1 垃圾拾捡机器人原理图 由图2.1可以看出机器人的工作过程是；移动平台采用后轮驱动前轮转向感应器扑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机械手通过定位扑住感应器扑捉垃圾的精确位置调整机械手位置是爪子抓住垃圾机械手提起并向垃圾箱方向转去碰到行程开关，爪子完全松开自由状态第三章 机械手整体设计 3.1 机械手工作原理图 机械手示意图 由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器手转动，液压缸1的伸缩带动大手臂的摆动，液压缸2的伸缩带动小手臂的摆动，液压缸3的伸缩带动爪子的张开与闭合。3.2 液压系统控制油路图由图2.2可以看出4个

13、电磁换向阀分别控制4个油缸，换向阀与油缸之间用锁紧回路连接这样就可以使油缸准确的停在某一个位置从而提高机械手的工作精准度。1YA 接通时当油路里的压力过高那么开通溢流阀降压。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。10S 行程开关控制爪子的松开。11S 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

14、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，手臂向上摆动到达水平位置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10S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11S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。3.3液压的缸的选择3.3.1 爪子液压缸选型 由于要使机械手上的爪子伸缩那么液压缸必须直线运动又由于液压缸是固定在机械手臂上的，那么根据液压传动设计手册表6-6选用 双作

15、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选择液压缸的安装方式：因为是固定在机械手臂上的，那么选用“尾部耳环连接方式固定，缸中间再用一个环套固定在机械手臂上。3.3.2 两个手臂油缸的选型 和大体一样，因为机械手臂是在摆动的，那么液压缸也是随着手臂摆动的，那么选用液压缸缸端部为“尾部耳环连接活塞缸的速度比： 3.3.3 摆动液压缸的选择现在市场上有两种摆动液压缸，叶片摆动液压缸和螺旋摆动液压缸。对两种液压缸进行比拟发现螺旋摆动液压缸的摆动效果不好，转矩不大，可密封效果较好，而摆动液压刚结构紧凑，输出转矩大，密封效果较差。但对于中低压系统中往复摆动，转位或间歇运动的地方有很好

16、的优势，那么选用摆动液压缸。摆动液压缸有分为单叶片摆动液压缸和多叶片摆动液压缸，单叶片摆动液压缸的最大转角不超过280度，多叶片摆动液压缸的最大转角不超过150度。而本文设计的机械手摆动角度为180度，那么选用单叶片摆动液压缸。根据液压设计手册上的经两种摆动液压缸规格如下表6-43，试选用型号为BM-150。 表6-43 摆动液压缸技术参数表 表 6-0 活塞行程系列 (mm) 注，GB 2349-80 按优先次序给出了三个系列值，本表仅摘录了第1表优先系列中至500mm的系列值。 表6-1 液压缸内径尺寸系列mm 见 液压缸活塞杆外径尺寸系列 表6-2 表6-2 液压缸活塞杆外径尺寸系列mm

17、3.4 液压泵的选择 目前市场上使用广泛，而齿轮泵的优点有： 1 结构简单紧凑，体积小，工艺性好。 2 自吸性能好，无论在高转速或低转速均能可靠地实现自吸。 3 转速范围大，由于齿轮泵的转动局部根本上时平衡的，因而转速可以很高。 4 油液中的污物对其工作影响不严重，并可以传输粘度较大的油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。所以选择齿轮泵为液压缸提供压力。 液压缸的排量： V1：活塞缸的最大排量。 V2：摆动缸的最大排量。 d： 为活塞直径。 h：为活塞缸的行程。 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

18、手册上表2-2选用型号为GB-B40型齿轮油泵。3.5校核1活塞缸推力的计算。对于无活塞杆的那边油腔进油时，油缸活塞杆向外推出的推力为： 式中： p为工作压力。 ：油缸机械效率，在工程机械中用耐油橡胶密封式可取 图 2-5对于有活塞杆一端进油时油缸活塞杆向缸内收进时的拉力： 2 缸体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148 kgf/cm3式中 P 为油缸推力。 为焊接效率，可取 。D1 为缸外径。d1 约为缸内径。 式中： 为焊条材料的抗拉强度。 n 为平安系数 一般取3.34。那么焊条材料符合。3 缸体与缸盖的螺纹连接计算： 根据液压传动设计手册里所说的 油

19、缸缸体的常用材料为20，35，45号钢的无缝钢管。20号钢用的较少，因其机械性能底而且不能调质。与缸头，缸底，管接头，耳轴等零件焊接的缸体用35号钢，并在粗加工后调质。不与其他零件焊接在一起的用45号钢。我们可以选定缸体的材料为35号钢。其屈服强度为315 kgf/cm2 螺纹处的拉应力： 螺纹处的剪切应力： 合应力为： 许用应力： 可以看出 那么选用35号钢可以。4液压缸的运动速度和推力： 活塞缸； 当无活塞杆端进油时； 当有活塞杆端进油时； 摆动液压缸：转矩 T转角速度 3.6 其它元件的选择1液压油的选择：液压油应具有适当的粘度和粘温性能；有消泡性良好，压缩性小；闪点高，油的蒸气别离压力

20、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。 根据液压手册上所列的类型，选用最普通的为 20号机械油。2密封圈的选择： 由于活塞缸是双作用的，两边都受到高压作用，那么根据液压手册选用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16的销。5 机械手臂采用铝合金材料制造以减少重量。3.7 本章小结 本章主要介绍了机械手的工作原理有手臂的旋转，伸缩和摆动。还介绍了各个部件的设计与选择，主要有液压缸的 选择和液压泵的选择。最后是各

21、个小零件的选择。第四章 总结 移动机械手是具有机械手臂的移动机器人，有几乎无限大的工作空间和高度运动冗余等优点，并同时具有移动和操作功能，一直是机器人技术领域一个重要的研究课题。近年来，随着“勇气号探测器成功登陆火星并完成了一系列的考察工作，对更先进移动机械手的研究和开发再一次引起了人们的注意。目前，国内外都在竞相开展有关移动机械手的根底理论、根本技术以及应用方面的研究工作。 本论文在参考了国内外相关文献的根底上，对捡垃圾机器手进行了粗体设计，简述了机器手的工作原理和手臂的各个运转状态，对机器手的控制采用了了全液压控制方式，控制液压系统采用了换向阀和行程开关再加上软件系统进行控制，由摄像头扑捉垃圾通过信号控制着液压缸的进出油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。 文中所述的控制还不是很精准，好多的细节还不是一时半会可以解决的，必须经过长时间的研究和摸索才可以使这机械手到达真正的可行性工作。 参考文献1 上海煤矿机械研究