校园垃圾拾捡机器人控制机构设计（全套含CAD及PROE三维图纸）
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包含有 纸和三维建模及说 明书 ,咨询 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 ： 姓 名 ： 学 号 ： 专 业 ： 年 级 ： 指导教师 ： 年 五 月 三 日 包含有 纸和三维建模及说明书 ,咨询 I 摘要 随着经济的快速发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 更合适的姿态执行任务，机械手的加入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。 包含有 纸和三维建模及说明书 ,咨询 s by on of is as . In be on of so If a is a of is a as of of in in of a of is to as to of so be a of is of ey to 校园垃圾拾捡机器人控制机构设计 目录 摘要 I 一章 绪论 1 动机器人概述 1 动机器人的系统结构 1 动机械手平台系统 2 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 5 械手工作原理图 5 压系统控制油路图 5 压缸的选择 7 爪子液压缸的选择 7 两个手臂的油缸的选择 7 动液压缸的选择 8 压泵的选择 9 核 10 它元件的选择 14 本章小结 14 第四章总结 15 参考文献 16 校园垃圾拾捡机器人控制机构设计 1 第一章 绪论 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 ( 的 人，在 1966 年至 1972 年中研造出了取名 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 器技术的发展，移动机器人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。 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。 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馈传 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部分构成。据研制目的不同，移动机器人硬件系统的构成也不尽相同，比较完整的典型结构如图 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综合运用。智能机器人的软件系统，如图 示。 校园垃圾拾捡机器人控制机构设计 2 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，使机械手能以更合适的姿态执行任务，同时机械手的加入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。 题研究背景及意义 移动机械手平台系统是实验室“ 211”工程建设项目之一，涉及到机械、电子、无线通讯、计算机视觉、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 )以及室内服务工作 (如运送、导游和巡逻 )等方面具有一定研究价值。 校园垃圾拾捡机器人控制机构设计 3 校园垃圾拾捡机器人控制机构设计 4 第二章 机器人工作原理 图 圾拾捡机器人原理图 由图 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 校园垃圾拾捡机器人控制机构设计 5 第三章 机械手整体设计 械手工作原理图 图 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。 压系统控制油路图 由图 以看出 4 个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。 1通时当油路里的压力过高则开通溢流阀降压。 2通时爪子张开。 3通时爪子闭合抓紧垃圾。 4通时手臂 1 向下 摆动。 5通时手臂 1 向上摆动。 6通时手臂 2 向后摆动。 7通时手臂 2 向前摆动。 8通时整个机械手顺时针摆动。 9通时整个机械手逆时针摆动。 校园垃圾拾捡机器人控制机构设计 6 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。 工作过程：当爪子抓紧垃圾是感应开关同时使 5 9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 5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 2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 8电单叶片摆动油缸顺时针摆动，当接到扑捉垃圾信号时 8电使摆动停下，同时控制 2爪子定位到垃圾上方并抓住垃圾，再执行上面动作。 图 校园垃圾拾捡机器人控制机构设计 7 压的缸的选择 爪子液压缸选型 由于要使机械手上的爪子伸缩则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，则根据（液压传动设计手册）表 6用 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择液压缸的安装方式：因为是固定在机械手臂上的，则选用“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。 由表 6爪子的行程设定油缸的行程为 50以确定爪子液压缸的行程也为 50根据（液压传动设计手册）表 6 6 6 66 6 6以选择出液压缸的内径为 40塞杆直径为 20油孔直径为 8向行程为 40压缸的外径为 50，缸体和缸盖的连接为内螺纹连接，活塞与活塞杆的连接用螺纹连接，活塞杆端部的螺纹尺寸为5。如图 两个手臂油缸的选型 和 体一样，因为机械手臂是在摆动的，则液压缸也是随着手臂摆动的，则选用液压缸缸端部为“尾部耳环连接”方式连接而不须用环套， 不过活塞杆端部不是用螺纹连接而是用单耳环连接。单耳环的尺寸为内径为 16径为 32度为 20图 校园垃圾拾捡机器人控制机构设计 8 图 塞缸的速度比： 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 进行比较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的优势，则选用摆动液压缸。 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，则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选用型号为 表 6动液压缸技术参数表 表 6塞行程系列 ( 注， 349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 500系列值。 校园垃圾拾捡机器人控制机构设计 9 表 6压缸内径尺寸系列（ 见 液压缸活塞杆外径尺寸系列 表 6 6压缸活塞杆外径尺寸系列（ 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，由于齿轮泵的转动部分基本上时平衡的，因而转速可 校园垃圾拾捡机器人控制机构设计 10 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： 1 3 总 塞缸的最大排量。 动缸的最大排量。 d： 为活塞直径。 h：为活塞缸的行程。 片直径。 片轴直径。 片高度。 根据上面的总排量和液压传动设计手册上表 2用型号为 齿轮油泵。 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： k g 校园垃圾拾捡机器人控制机构设计 11 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于有活塞杆一端进油时油缸活塞杆向缸内收进时的拉力 ： k g （ 2） 缸体与缸底用电焊连接时的焊缝应力： 焊接材料选用 抗拉应力为 148 22221/g 式中 P 为油缸推力。 为焊接效率，可取 。 缸外径。 为缸内径。 校园垃圾拾捡机器人控制机构设计 12 8 式中： b为焊条材料的抗拉强度。 n 为安全系数 一般取 。 则焊条材料符合。 （ 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 纹处的拉应力： 22221 /g 螺纹处的剪切应力： 2144101/g 合应力为： 222 /g 许用应力： 2/g 可以看出 5 号钢可以。 （ 4）液压缸的运动速度和推力： 校园垃圾拾捡机器人控制机构设计 13 活塞缸； 当无活塞杆端进油时； k g 当有活塞杆端进油时； k g 摆动液压缸： 转矩 T g m3 3 转角速度 sr a 校园垃圾拾捡机器人控制机构设计 14 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，则根据液压手册选用 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 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。 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。最后是各个小零件的选择。 校园垃圾拾捡机器人控制机构设计 15 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基础理论、基本技术 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基础上，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达到真正的可行性工作。 校园垃圾拾捡机器人控制机构设计 16 参考文献 1 上海煤矿机械研究所编，液压传动设计手册，上海人民出版社， 1976。 2 成大先主编，机械设计图册，化学工业出版社， 1997。 3 曾志新，吕明主编，机械制造技术基础，武汉理工大学出版社， 2
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