（机械制造及其自动化专业论文）突发灾害救援的装载机器人及其控制系统研究.pdf

突发灾害救援的装载机器人及其控制系统研究 摘要 工程机械的智能化不但可以缓解人类繁重的体力劳动 大大地提高工 作效率 还可以使操作者远离危险恶劣的工作环境 保证了他们的人身安 全 突发灾害救援的装载机器人及其控制系统研究课题来源于陕西省教育 厅科研计划项目 装载机器人的机械本体是在传统挖掘机的基础上增加了 回转驱动和料斗容量装置 使其不需频繁行走 即可往返于挖掘点和倾倒 点之间 大大提高了生产效率 实现挖掘 装载 输送的一体化 同时还 研究装载机器人的智能控制系统 为其能在无人驾驶的情况下自主作业做 铺垫 本文的具体内容如下 首先在传统挖掘机的基础上提出了装载机器人的结构设计 包括整机 结构和回转 料斗升降 料斗等主要部件的结构设计 且绘制其主要部件 的三维模型图 其次提出装载机器人智能控制系统的总体设计 决定采用上 下位机 分布式控制系统 其中上位机采用p c 机 下位机利用单片机来实现并分析 各模块的主要功能 最后利用图像采集卡和c c d 相结合的方式组建装载机 器人的视觉系统 实现装载作业环境中对作业对象物的识别 再次 在模型机的基础上研究装载机器人行走控制的思路和具体的实 现方式 并且绘制基于模型机的控制系统原理图和电路板图 为单片机方 案转化为实际产品做铺垫 最后 为避免机器人移动不自由的问题 采用无线通信模块来实现上 下位机之间的无线串口通信 同时利用v i s u a lb a s i c6 0 开发了上位机程序 和模型机的运动模拟仿真程序 完成上 下位机之间的无线传输和运动的 理论仿真等 本文重点研究的装载机器人不仅可以用于公路 桥梁 隧道建设等工 程建设上 还在抗震抢险和紧急救灾中发挥着至关重要的作用 可以克服 传统挖掘机在狭隘 工况差等地方不易实现的缺点 可自行装载 倾倒时 无需掉头 来回行走路径简单 增加了每次的搬运容量且提高了工作效率 此外 其智能控制系统使其行动更加自由 增强了对实际工况的适应性 经过简单改装 还可以用在军事等领域 极大地拓展了挖掘机等工程机械 的应用领域 关键词 装载机器人 双目视觉识别 智能控制 无线通信 s t u d yo nt h el o a d i n gr o b o ta n di t s c o n t r o ls y s t e mf o re m e r g e n c yd i s a s t e r r e l i e f a b s t r a c t i n t e l l i g e n tm a c h i n e r y w i l ln o t o n l y a l l e v i a t e h e a v y m a n u a l l a b o r s i g n i f i c a n t l yi m p r o v ee f f i c i e n c y b u tw i l la l s oa l l o wo p e r a t o r st ob ea w a yf r o m d a n g e r o u sa n dp o o rw o r k i n ge n v i r o n m e n t s e n s u r i n gp e r s o n a ls a f e t y b a s e do n t h i si d e a a ne m e r g e n c yd i s a s t e rr e l i e fr o b o ta n di t sc o n t r o ls y s t e mo fl o a d i n g w e r ep r o p o s e d t h i ss u b je c tc o m e sf r o mt h es h a a n x ip r o v i n c i a ld e p a r t m e n to f e d u c a t i o nr e s e a r c hp r o j e c t s 1 1 1 eb o d yo ft h el o a d i n gr o b o ti sb a s e do nt h e t r a d i t i o n a le x c a v a t o r b u tt h er o b o th a sah i g h e rb u c k e tc a p a c i t ya n dar o t a r y d r i v ed e v i c e g r e a t l yi m p r o v i n gp r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n di n t e g r a t i n gm i n i n g l o a d i n ga n dt r a n s p o r t a t i o n a tt h es a m et i m e w ea l s or e s e a r c hi t si n t e l l i g e n t c o n t r o ls y s t e ma u t o n o m o u su n m a n n e do p e r a t i o nl a y i n gg r o u n d w o r k 1 1 1 es p e c i f i c c o n t e n t so ft h i sa r t i c l ea r ea sf o l l o w s f i r s t t h es t r u c t u r a ld e s i g no fl o a d i n gr o b o tw a sc h o s e nb a s e do nt h e t r a d i t i o n a le x c a v a t o r i n c l u d e dt h ew h o l es t r u c t u r ea n dt u r n h o p p e rl i rd e v i c e h o p p e r a n do t h e rm a j o rc o m p o n e n t so ft h es t r u c t u r a ld e s i g n t h r e e d i m e n s i o n a l m o d e l so ft h em a i nc o m p o n e n t sw e r et h e nd r a w n n e x t t h eo v e r a l ld e s i g no ft h ei n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mw a sc h o s e nf o rt h e l o a d i n gr o b o t 1 1 1 el o w e rc o m p u t e rd i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m w h i c hu s e sp ca s t h eh o s tc o m p u t e r a n du s e ss c ma sl o w e rm a c h i n ew e r eu s e dt oa c h i e v ea n d a n a l y z et h em a i nf u n c t i o n so fe a c hm o d u l e l a s t l y t h ei m a g ea c q u i s i t i o nc a r d a n dc c dc o m b i n a t i o nw e r eu s e dt os e tu pt h el o a d i n gr o b o t sv i s i o ns y s t e m a n d t ob et h eo p e r a t i n ge n v i r o n m e n tt oa c h i e v eo nt h ej o bo b j e c tr e c o g n i t o n r e s e a r c hw a sd o n ei n t od r i v i n gc o n t r o la n dt h es p e c i f i ci m p l e m e n t a t i o no f t h el o a d i n gr o b o t s c h e m a t i c so ft h ec o n t r o ls y s t e ma n dc i r c u i tb o a r df o rt h e m i c r o c o n t r o l l e rp r o g r a mw e r ed r a w n s ot h ea c t u a lp r o d u c t sc a ne v e n t u a l l yb e b u i l t f i n a l l y t oa v o i dt h ep r o b l e mo ft h er o b o t sm o v e m e n tb e i n gl i m i t e db ya w i r e aw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d u l ew a sd e s i g n e dt oa c h i e v eu p p e ra n d l o w e rw i r e l e s ss e r i a lc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nm a c h i n e s t l l i sw a sd e v e l o p e d i i i u s i n gt h ev i s u a lb a s i c6 0 p cp r o g r a ma n dt h em o d e lm a c h i n em o v e m e n t s i m u l a t i o np r o g r a m t h i sp a p e rf o c u s e sd e s i g n i n gal o a d i n gr o b o tt h a tw i l ln o to n l yw o r ko n r o a d b r i d g e a n dt u n n e lc o n s t r u c t i o np r o j e c t s b u tc a na l s ob eu s e di ne a r t h q u a k e d i s a s t e r sa n de m e r g e n c yr e l i e f t h ei n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mo ft h el o a d i n g r o b o tw i l la l l o wi tt oa c tm o r ef r e e l y e n h a n c i n gi t sa d a p t a b i l i t yi nr e a lw o r k i n g c o n d i t i o n s c o m p l e t i n gt h ec o n t r o ls y s t e mw i l li m p r o v ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c y a n dr e d u c em a n u a ll a b o r w i 也s i m p l em o d i f i c a t i o n s i tc o u l db eu s e di nm i l i t a r y a n do t h e rf i e l d s a n dg r e a t l ye x p a n d st h ea p p l i c a t i o n so fe x c a v a t o r sa n do t h e r c o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y k e y w o r d s l o a d i n gr o b o t b i n o c u l a rv i s u a lr e c o g n i t i o n i n t e l l i g e n tc o n t r o l w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n i v 突发灾害救援的装载机器人及其控制系统研究 1 绪论 1 1 课题研究的背景和意义 本课题的研究对象是对挖掘机进行结构改造 且设计其智能控制系统的装载机器 人 是集机械 自动控制 计算机 数学等各个学科的高新科技为一体的结晶 由于挖掘机等工程机械不仅缓解了繁重的体力劳动而且大大提高了劳动生产率 所 以在建筑施工 农田改造 国防军事和露天采矿等行业中得到了广泛应用 它是使铲斗 按照一定顺序 连续或间歇地进行挖掘 装载 卸载土壤或石块等的工程机械 l 挖掘机因其社会需求大和科技含量高已成为工程机械行业名副其实的标志性产品 近几年国内对它的需求量以年均5 0 的速度快速增长 2 0 0 5 年我国装载机 挖掘机的 产量已突破4 0 0 0 0 台 预计今后1 0 年左右 我国将成为世界上最大的装载机 挖掘机 市场和产地 但在其施工过程中 也存在着很多不容忽视的问题 如 1 操作者必须进行长时间的培训才能完成高质量的作业 2 有些工作环境人类不便直接进入 例如太空开发 水下作业等 3 作业强度大 往往要求操作者全神贯注地身兼多职 脑力和体力消耗极大 4 工作环境恶劣 常常伴有强烈的振动 尘埃 有时甚至面临塌方和核辐射等 威胁 2 渤 5 传统的挖掘机在挖掘完后需要人工操纵其车身旋转直至头部朝向倾倒点后 才能完成倾倒作业 这在很多狭隘 工况差的条件下不易实现 因此对传统的挖掘机进行结构改造 提高其机电一体化程度 进而实现对其的自动 控制 是解决上述问题的理想方案1 2 4 5 1 而且挖掘机等工程机械的自动化还是进一步提 高其作业能力和效率的需要 伴随着自动控制技术和传感器技术等高新技术的不断引 入 使挖掘机等工程机械在人机工程和控制精度等方面具备了很大的提升空间 局部控 制它们的自动化甚至整机的完全自动化 智能化的实现已成为可能 因此国内外很多科 研机构等竞相投入人力 财力及物力 进行有关工程机械高新技术的研究和开发 挖掘机 装载机等工程机械在抗震救灾中发挥的作用也不容忽视 正是由于工程机 械的大量使用才使得四川大地震的灾后救援和重建工作得以顺利进行 把损失降到了最 小 因此怎样既能保证操作者的生命安全又可以使救援工作顺利进行成为急待解决的重 要问题 汶川大地震中 山体滑坡形成的堰塞湖对下游人民的安全构成了巨大的威胁 由于 道路完全中断 必须使用直升机空运大型挖掘机等工程机械进入现场来疏通堰塞湖 进 行施工抢险 如图1 1 和图1 2 所示 同时为了解决所有救援人员的生活起居等问题直 陕西科技大学硕士学位论文 升机又不得不一次又一次的空运生活物资 如果挖掘机等工程机械的智能化改造研究成 功的话 那么也许这些问题就不复存在了 图1 1 唐家山堰塞湖上施工的工程机械 f i g l 1e n g i n e e r i n gp l a n tw o r k i n g o n d a m m e dl a k e 图1 2 汶川救援现场施工的工程机械 f i 9 1 2e n g i n e e r i n gp l a n tw o r k i n g0 1 1t a n g i i a s h a n w e n c h u a ne a r t h q u a k es i t e 挖掘机等工程机械的智能化不但可以使操作人员远离恶劣的工作环境 提高操作的 安全性 而且可以提高劳动生产率 实现在人类无法到达的恶劣环境下作业 6 针对此 本文提出了突发灾害救援的装载机器人研究 该课题来源于陕西省教育厅科研计划项 目 装载机器人是一种非结构环境下的移动机器人 其自主装载涉及环境识别 监测和 定位技术 底层控制技术等多个领域 其中决定智能装载机器人实际作业能力的关键因 素是规划控制水平的高低 2 本课题在传统挖掘机的基础上 提出了装载机器人的结构设计 并对其场景目标的 识别和运动控制等问题开展研究 为实现挖掘 装载 输送作业的自主运行进行基础性 的研究工作 1 2 国内外研究现状 挖掘机是工业与民用建筑 矿山采掘 水利电力工程 交通运输以及军事工程等领 域的重要施工机械 并以其创造价值高和应用广泛等优点在工程机械中占重要地位f 7 8 2 1 世纪是挖掘机发展的成熟阶段 国外在此类机器人的研究上 已取得了一些成 果 9 1 7 1 图1 3 为美国的卡耐基一梅隆大学于1 9 9 8 年完成的自主装载系统 a u t o n o m o u s l o a d i n gs y s t e m 以下简称a l s 在该系统中对卡车的准确定位 障碍物的识别及土壤 表面情况的观测等动作都是利用两个激光扫描测距仪实现的 见图l 4 美国北卡罗来那州立大学机器人与建筑自动化实验室建立了一个如图1 5 所示的采 用计算机控制 利用人工神经网络算法来估计障碍物的类别 距离和大小等的工程机器 人实验台 2 突发灾害救援的装载机器人及其控制系统研究 图l 3 自主机器人典型挖掘及装载过程 f 谵1 3 r o b o t i ce x c a v a t o r s t y p i c a ld i g f o rt r u c kl o a d i n g 图1 5 多功能工程机器人实验台 f i g l 5m u l t i f u n c t i o ne x p e r i m e n td e v i c e f o re n g i n e e r i n g 图l 4m e l l o n 大学自主机器人实验平台 f i g l 4 r o b o t i ce x c a v a t o r s e x p e r i m e n t a l p l a t f o r mo fm e l l o nu n i v e r s i t y 图l 6 实验用j c b8 0 1 挖掘机 f i 9 1 6e x c a v a t o rj c b8 0 1f o re x p e r i m e n t 英国兰卡斯特大学第一次采用l 5 结构比例模型l u c i e t h el a n c a s t e ru n i v e r s i t y c o m p u t e r i s e di n t e l l i g e n te x c a v a t o r 进行实验研究 图1 6 为其开发的实验样机 利用人 工智能专家系统实现对模型的局域网络和远程等控制 日本东北大学环境研究所高桥研究室研究了无人控制的装载机a l v a d v a n c e d l o a d h a u l d u m p 谢mav e s s e l 图1 7 是a l v 模型在模仿实际作业中挖掘 装载以及倾 倒的情况 澳大利亚悉尼大学特种机器人研究中心研制开发了自主化作业的机器人化挖掘 机 日本制作了一个采用工业级p c 作为机器人大脑的挖掘机器人 如图1 8 所示 它 的硬件主要包括伺服控制 液压系统和能源供给系统和作为感觉系统的压力传感器 编 码器等 a r i z o n a 大学的高级采矿实验室采用模糊逻辑控制等理论对挖掘机的自主挖掘进行 研究 其流程图见图1 9 英国兰卡斯特大学研究的智能挖掘机 l a n c a s t e ru n i v e r s i t yc o m p u t e r i z e di n t e l l i g e n t e x c a v a t o r 简称l u c i e 能在没有人干预的情况下 适应各种土壤且自主高效的挖渠 固 陕西科技大学硕士学位论文 图1 7a l v 工作过程 f i 9 1 7w o r k i n gp r o c e s so f a l v 图1 8 小松挖掘机器人 f i g l 一8t h ek o m a t s ur o b o t i ce x c a v a t o r 图1 9 用于f m s 的目标分解流程图图1 1 0l u c i e 试验智能挖掘机 f i g l 9g o a ld e c o m p o s i t i o nd i a g r a mf o rf m sf i g l l oi n t e l l i g e n te x c a v a t o ro f l u c i ee x p e r i m e n t 国内各所大学也在开发研制挖掘机等工程机械的自主控制 但w t o 的加入使我国 工程机械行业面临着国际同行的激烈竞争 所以如何以高质量 低成本等手段求生存 谋发展已是不容回避的现实 并且工程机械的智能化也成为自动化技术的重要发展方 向 装载机器人将是替代人在危险环境下作业的不可缺少的工具之一 也是国家重点发 展的关键技术装备 尽管目前我国工程机械中个别机种的单机智能化研究已取得初步成果 但从整体上 看 我国对工程机械智能化的研究还处在初级阶段 所以改造或升级我国现有的工程机 械产品 实现其信息化 智能化以及自主创新性设计 提高产品的国际竞争力等将是我 国工程机械达到国际先进水平的必由之路 正是在这样的背景下 我们提出了突发灾害 救援的装载机器人结构和控制系统研究 l l 突发灾害救援的装载机器人及其控制系统研究 1 3 课题研究的主要内容 1 在传统挖掘机的基础上 提出装载机器人的整体结构设计方案及完成其主要 部件的结构设计 且绘制主要部件的三维模型图 2 制定控制系统总体方案和各个模块的功能 选用合适的传感检测元件 设计 一套适合本课题研究对象的控制方法 3 基于图像识别原理研究适合装载机器人的对象物识别算法 确定对象物的相 对方位及体积 4 研究模型机的行走驱动的原理 方法 设计驱动控制系统硬件电路等 5 研究装载机器人的无线通信方案 实现其上 下位机之间的通信且利用v i s u a l b a s i c6 0 开发上位机程序和模型机的运动模拟仿真程序 1 4 关键技术 1 4 1 关键技术 1 识别作业对象物是装载机器人自主作业的关键技术之一 识别作业对象物的 目的是通过获取场景中对象物与摄像机的相对距离 进而确定对象物与装载机器人之间 的距离和方位 以便进行机器人的行走控制 2 课题研究的装载机器人是先利用其视觉系统识别作业对象物 然后将识别结 果送到上位机 最后使下位机按照上位机发的控制指令驱动执行机构作业 这就需要研 究装载机器人的行走驱动原理和方法 设计整套的行走控制系统 3 装载机器人控制系统拟定的最终目标是使其在无人驾驶的情况下 自主进入 工作现场完成作业任务 然而许装载机器人如果接满电线则不可能被允许进入恶劣的工 作环境中作业 因此 研究如何实现装载机器人的无线远程监控就显得格外重要 本课 题将选择合适的无线传输方式 实现上 下位机之间的信号传输 5 陕西科技大学硕士学位论文 2 装载机器人设计 2 1 结构改进的目标 如图2 1 所示的传统挖掘机工作流程一般为 1 操作人员利用眼睛观察对象物的相对位置和体积等 2 根据观察结果 操作者利用方向盘等控制挖掘机的前进 后退 左 右拐等 3 在距离对象物的适当位置停下 控制挖掘装置挖起一铲物料返回倾倒点倾倒 或倒入跟随的自卸车内 重复此动作直至任务完成 从上面我们可以看出 传统挖掘机在挖掘完后需人工操纵其车身旋转直至头部朝向 倾倒点后 才能完成倾倒动作 这在很多狭隘 工况差的地方不易实现 且由于挖掘机 的工作环境通常比较危险且恶劣 常常不适合由人工直接操作完成 为此我们提出了装 载机器人的设计 如图2 2 所示 自带料斗容量装置 不需频繁行走 即可往返于挖掘 点和倾倒点之间 大大地提高了生产效率 另外 经简单改装后 它还可应用在军事和 反恐等领域 图2 1 改造前 f i 鲒一1b e f o r et h et r a n s f o r m a t i o n 2 2 改进的内容 庐 图2 2 蝴的机身上部示意图 f i 9 2 2t h eu p p e rb o d ya f t e rt r a n s f o r m a t i o n 1 去除了传统的驾驶室且在传统挖掘机的后部增加了一个料斗 由于料斗的容 积远大于铲斗 这样在挖掘点与倾倒点之间往返一次 所输送的物料将是以往的数倍 2 采用回转驱动装置 它是一种可靠的新型回转类机械部件 采用该装置不仅 简化了传统挖掘机上采用的回转结构 即回转支承 回转支承座等 而且它可以带动 工作装置旋转至料斗上方倾倒物料 使得装载机器人往返于挖掘点与倾倒点之间时 无 需频繁行走 来回的行走路线非常短 3 克服传统挖掘机 装载机的缺点 采用远程控制等智能监控方法代替驾驶人 囝 突发灾害救援的装载机器人及其控制系统研究 员的现场操作 为我国今后的抗震救灾等工作提供有效的技术支持 图2 3 为改造后的 整机示意图 图2 3 改造后的整机示意图 f i 9 2 3t h ew h o l em a c h i n ea f t e rt r a n s f o r m a t i o n 2 3 装载机器人结构设计 2 3 1 整机结构初步设计 a 设计原则和应考虑的参数 设计机构设计时应该尽可能地缩短传动 用来简化机构 减少零部件数目 从而减 少误差的来源 且尽可能增大结构的刚度等以便减小变形误差 同时还要符合运动学原 理 这样不但可以提高精度而且可以降低对机构接触等部件的加工要求 进而获得较高 的作业精度 1 8 五5 1 由于装载机器人属于工程机械 所以在设计可以借鉴工程车辆的重要参数对其进行 设计 这些参数主要有 1 整机的质心位置 装载机器人的质心位置是指空载或满载时整机质量的中心位置 该位置对整机的制 动性 操纵稳定性等有很大的影响 所以整机总体设计时应尽量使质心位置接近原机的 质心位置 2 整机的质量利用系数 装载机器人的质量利用系数是指装载质量与整机装备质量之比 或满载时整机质量 的中心位置 该系数是评价整机设计和制造水平的综合性指标 系数值越大表明其设计 制造水平越高 通常在1 0 1 5 之间 3 装载机器人的后悬 整机的后悬是指料斗容量装置的最后端到料斗最后轴之间的距离 如图2 4 的尺寸 7 陕西科技大学硕士学位论文 线所示 此距离一般不超过料斗总长度的1 5 后悬太长会导致举升到最大角度卸料时 后盖戳地 图2 4 后悬示意图 f i 9 2 4r e a ro v e r h a n gd i a g r a m b 整体结构的初步设计 根据设计原则和参数 设计装载机器人的结构见图2 5 1 铲斗2 一三自由度挖掘臂3 一连接凸台4 一回转平台5 一回转驱动装置 6 一联轴器7 一回转液压马达8 一自动控制系统9 一料斗1 时p 斗升降液压缸n 机架 1 2 行走装置1 3 一增压型发动机 图2 5 装载机器人整机结构示意图 f i 9 2 5s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h el o a d i n gr o b o t 装载机器人的机械本体主要包括四大部分 即挖掘装置 包括铲斗及三自由度挖掘 臂 回转装置 包括连接凸台 回转平台及回转驱动装置 行走装置和料斗升降装置 包括料斗及料斗升降液压缸 其中铲斗是和一个三自由度挖掘臂铰接在一起的 连 8 突发灾害救援的装载机器人及其控制系统研究 接凸台与挖掘装置铰接后再固定在回转平台上 回转平台与回转驱动的蜗轮 同轴 其蜗杆i 通过联轴器与回转液压马达相连 为了获得最佳的回转效果 本课题采用回转 驱动装置 其传动实质是环面蜗轮蜗杆传动 同时 在机架后部安装了一个较大容积的 料斗和料斗升降液压缸以增加整机的装载输送量 整机的动力源增压型发动机和自动驱 动控制系统均安装在机架上 其行走装置 轮式 可以完成左转弯 右转弯 前进 后退等动作 因而可以沿曲 折线路行走 回转装置的旋转采用回转液压马达为动力 整机的自动控制系统采用上下 位机控制 上位机主要用来对挖掘任务和运动进行规划 下位机的主要任务是把上位机 的命令转化为控制电液阀的电信号 再由电液阀驱动工作装置完成挖掘装载等任务 c 整机的工作流程 整机的工作过程如图2 6 所示 首先 装载机器人的行走装置1 2 在控制系统8 的 驱动下驶向挖掘点 当到达挖掘点后 在控制系统的作用下 三自由度挖掘臂2 动作使 铲斗1 落下并插入物料底部 挖起一铲物料后抬到安全高度 即不碰触物料 不与其它 部件发生干涉等 回转液压马达7 通过联轴器6 带动回转驱动装置5 的环面蜗杆i 转 动 进而带动蜗轮i i 和回转平台4 运动 从而带动挖掘装置旋转一定角度 使铲斗1 落在料斗9 的上方 然后挖掘臂2 动作将铲斗1 内的物料倒入料斗9 内 至此挖掘装置 随回转平台返回挖掘点重复动作 连续装载数次直到料斗装满 然后 装载机器人直接 倒车驶向倾倒点 料斗升降液压缸1 0 将料斗举起 料斗活动后盖在重力的作用下自动 打开 一次即将斗内所有物料倾倒出来 a 挖掘b 回转倾倒c 卸料 图2 6 装载机器人工作过程示意图 f i 9 2 6f l o wo f t h el o a d i n gr o b o t 2 3 2 主要部件结构设计 a 回转结构设计 由于挖掘装置 行走装置的传动方案沿用了传统挖掘机的结构 这里不在详细介绍 下面主要介绍回转装置结构方案的选择 传统的重型汽车或工程机械的回转运动是利用回转支承装置来实现的 按结构的不 同它可以分为立柱式和转盘式两类 其中立柱式主要用在大型塔式起重机等机械上 而 转盘式则是当前工况起重机 挖掘机等普便采用的一种回转支撑装置 最常见的是单排 西 陕西科技大学硕士学位论文 四点接触球式回转支承 同时回转支承的布置形式主要有两种 其一是将回转机构布置 在回转平台上 并可以随回转平台一起绕着回转支承装置的大齿圈 固定在底盘架上 转动 回转小齿轮既要自转又要公转 这种布置虽然有利于回转结构的维修 但有时会 使回转平台拥挤 同时挖掘机的工作装置作用在转台上的载荷以及倾覆力矩将通过回转 支承的座圈传给底架 使底架必须具备较高的承载能力 其二是把回转机构固定在底盘 上 大齿轮与回转平台固连在一起 利用小齿轮带动大齿轮进而带动回转机构转动 这 种布置使得对回转机构的维修十分不方便 图2 7 回转驱动 f i 9 2 7r o t a r yd r i v e 回转装置是装载机器人关键部件之一 支撑着挖掘装置的上部运动 因此必须得承 受较大的倾覆力矩以及扭矩 所以综合考虑选择采用图2 7 所示的回转驱动作为本机器 人回转结构的具体实现形式 回转驱动是一种新型的回转类产品 由于其核心部件采用 的回转支承是在蜗轮蜗杆的基础上集成了蜗轮蜗杆安装时所需的支撑轴承 安装架等部 件 所以结构紧凑 同时可以承受较大的径向力 轴向力以及倾翻力矩 b 料斗升降装置结构设计 a 后翻式 b 侧翻式 图2 8 料斗卸货方向示意图 f i 9 2 8t h ed i r e c t i o no f t h eh o p p e rd i s c h a r g e 由于本装载机器人在料斗满载的情况下 需要顶起料斗以便倾倒物料 且工程机械 的驱动主要靠液压来实现 所以需要设计液压举升装置实现物料的自行卸载 而市场上 1 0 突发灾害救援的装载机器人及其控制系统研究 现有的自卸车 又称工程车 翻斗车等 也是利用该原理来实现自行卸载货物的 如图 2 8 所示 所以我们可以借鉴自卸车上的举升机构进行料斗升降装置的设计 以液体压力作为举升动力的机构大体上分为直推式和连杆组合式两类 所谓的直推 式 见图2 9 是利用液压油缸直接举升车厢进行倾卸 这种结构布置简单 举升效率 高 结构紧凑但需要液压缸的工作行程长 一般采用单作用的2 级或3 级伸缩式套筒油 缸 而连杆组合式的举升机构需要油缸活塞的工作行程短且举升平顺 图2 1 0 给出了 油缸前推和油缸后推两种连杆组合式举升装置 在相同的举升载荷下 前推举升的方式 需要的举升力小但油缸活塞行程长 故造价高 后推式则刚好相反 a 前置油缸式 b 后置油缸式 图2 9 直推式举升装置示意图 f i 9 2 9d i r e c tp u s hl i f t i n gd e v i c ed i a g r a m a 油缸前推式b 油缸后推式 图2 1 0 连杆组合式举升装置示意图 f i 9 2 1 0s c h e m a t i cd i a g r a mo f r o dl i f t i n gd e v i c ec o m b i n e d 表2 1 给出了直推式和连杆组合式举升机构的比较 所以结合装载机器人的工作环 境 成本等因素综合考虑 决定采用连杆组合式的油缸后推式举升装置作为料斗升降装 置 除此之外 设计时还要考虑料斗的最大举升角o m 缸 该角必须大于货物的安息角 这样才能保证把料斗内的货物卸干净 常见货物的安歇角如表2 2 所示 因此实际应用 中还要具体场合具体分析 选择合适的举升角 陕西科技大学硕士学位论文 安息角 度 2 7 4 5 5 0 4 0 4 5 3 5 5 3 0 3 5 5 0 4 0 4 5 5 0 c 料斗的结构设计 从前面的叙述中 我们知道料斗的功能和自卸车车厢的功能类似 为了避免物料倾 倒时在料斗内卡住 不便倾卸 所以料斗的内部形状应是簸箕形 底板前窄后宽 单边 角度1 0 1 5 0 横断面下窄上宽 单边角度也是1 0 1 5 0 有的矿用工程车倾卸时 一些 矿石被卡在车厢内 致使车辆发生后翻 即前轮抬起 车厢后部倒在地上 究其原因 就是车厢没有按照上述形状设计 所以 为了避免这种情况的发生 装载机器人的料斗 应设计成此形状 目前 常用车厢的结构形式按照用途的不同还可以分为普通矩形式和矿用铲斗式 如图2 1 1 2 1 2 所示 普通矩形车厢的后板通常装有自动开合机构 可以保证货物的顺 利卸出 主要用于散装货物的运输 其板厚一般为 前板4 6 r a m 边板4 8 m m 后板 5 8 m m 底板6 1 2 r a m 而矿用的铲斗车厢考虑到矿石等物的冲击和碰撞 一般设计的 形状比较复杂 用料也比较厚 而且有些车型还在底板上焊接角钢 以此来增加车厢的 刚度和抗冲击能力 所以它主要用于大石块等力度较大货物的输送 所以本装载机器人 可以根据其应用场合最终确定选择何种车厢作为其料斗 如抗震救灾时用来解决建筑物 坍塌时可选用矿用铲斗式车厢作为其料斗 1 2 突发灾害救援的装载机器人及其控制系统研究 图2 1 1 普通矩形车厢图2 1 2 矿用铲斗车厢 f i 醇 11o r d i n a r yr e c t a n g u l a rc o m p a r t m e n t s f i 9 2 1 2 m i n i n gb u c k e to a r d 料斗后盖自动开启的结构设计 由于本装载机器人无人现场操纵 所以在料斗被顶起后需要设计后盖的自动开启机 构 该机构的主要功能就是要实现倾倒时料斗后盖自动开启 挖掘或输送时后盖锁紧 从而实现自动卸货 设计方案主要有以下几种 1 方案一 该方案中料斗的后盖是完全依靠自重启闭的 如图2 1 3 所示 当料斗被顶起卸货 时 其后盖靠重力随之打开 当料斗恢复水平时 其后盖靠重力随之关闭 该机构最大 的优点是结构简单 思路容易想到 但其缺点也较明显 第一是该机构在料斗后盖开启 后就无法控制后盖的位置了 使得后盖在空中晃动比较大 第二是为了保证料斗后盖关 闭后 不会因为其他情况被再次打开 需要在后盖底部加装一个倒锁 进而需要一套装 置来控制倒锁 这样成本就增加了 图2 1 3 后盖开启机构1 f i 9 2 1 3c o v e ro p e n i n gm e c h a n i s m1 2 方案二 图2 1 4 后盖开启机构2 f i 9 2 1 4c o v e ro p e n i n gm e c h a n i s m2 该机构是一个简单的四连杆机构 其中连杆1 和料斗后盖固连在一起 3 是一个可 以绕料斗转动的移动副 如图2 1 4 所示 在顶起料斗卸货时 通过联动机构使连杆2 在3 内滑动 从而推动1 绕c 旋转 从而开启料斗后盖 该方案虽然易实现和后盖的联 动关系 保证后盖开启和关闭时的位置准确 但由于杆2 在转动的同时还需在移动副3 中进行滑动 所以某个地方稍微润滑不好 都有可能造成机构自锁 导致后盖不能正常 打开 1 3 陕西科技大学硕士学位论文 3 方案三 该机构完全由四杆机构组成 其中 杆2 就是料斗的后盖 杆1 和3 均铰接在料斗 上 如图2 1 5 所示 当顶起料斗卸料时 通过联动机构使杆3 转动 进而带动后盖2 转动 完成其开启和关闭动作 该机构虽然对机构尺寸的要求较高 但结构简单且易与 其他机构实现联动 以确保后盖开启和关闭时的位置准确 图2 1 5 后盖开启机构3 f i 9 2 15c o v e ro p e n i n gm e c h a n i s m3 所谓的联动机构是将料斗升降装置和料斗后盖开启结构联系在一起的结构 用来保 证两者之间的配合工作和位置要求 如图2 1 6 中的粉色部分所示 在图2 1 6 中 利用 连杆d g 和g h 将料斗升降机构和料斗后盖开启机构联系起来 当顶起料斗卸货时 通 过联动机构使杆腿转动 从而带动料斗后盖j k 转动 完成其开启和关闭动作 j k 图2 1 6 联动机构 f i 薛一1 6l i n k a g e 4 方案四 借鉴某些自卸车上已有的后栏板锁紧机构来实现料斗后盖的自动开启 本装载机器 人选择该方案 至此装载机器人的主要部件结构设计完毕 整机的详细结构参见附录a 1 4 突发灾害救援的装载机器人及其控制系统研究 2 3 3 装载机器人全高的计算问题 在完成装载机器人的结构设计后 为安全起见需要计算一下其全高 所谓的全高是 指自地面到车身最高点的距离 针对装载机器人而言 也就是卸料时料斗的最高点与地 面之间的距离 本节将通过一个例子来说明全高的计算问题 假设料斗的一个侧面是长方形a b c d 参见图2 1 7 其中a b 3 米 b c 0 5 米 料斗底部距离地面1 2 米 卸货时料斗需倾斜4 5 度角 那么此时料斗的最高点a 与地 面之间的距离是多少 计算按照下述方法进行即可 a 图2 1 7 全高计算示意图 f i 9 2 1 7s c h e m a t i cd i a g r a mo f f u l l h e i g h tc a l c u l a t i o n 设a f 垂直c e 于f 且交c d 于h 根据l h c f l c h f 4 5 0 得c f h f 且 c l h f 2 c h 2 即i 匝2 h f 2 c h 2 所以船 c h j 2 c d h d f 2 3 一h d f 2 又因为z a h d l c h f h a d 4 5 0 所以h d a d b c o 5 米 也就是说 彳日 压 肋 o 5 压 米 且船 3 一月d 压 3 0 5 压 1 2 5 压 米 综上所述得到料斗的最高点到地面的距离就是a h h f 1 2 米 计算得3 6 7 米 2 4 主要部件三维模型的建立 2 4 1p r o e 软件介绍 本课题中部件三维模型的建立主要利用大型的参数化c 削d c 剐 集成软件 p r o e 软件 它是美国参数化技术公司推出的 自问世以来就引起了机械 电子 航空 航天 玩具 汽车等行业的很大重视 尤其得到了机械工程类技术人员的青睐陶 p r o e 中机械产品的设计模式主要有自底向上和自顶而下两种 其中自底向上是常 见的三维建模方法之一 设计思想如图2 1 8 所示 多用于产品有一定设计基础上 借 助以前的研究逐个建立零件的三维模型最后完成整体装配 自顶向下的设计思想正好与上述思想相反 它首先从整体方面设计出产品的整体结 构尺寸和要实现的功能 然后按照功能把产品划分为若干个模块 并对这些模块进行几 何布局 当需要具体设计某个模块时 再根据需要设计该模块中的各个零件 如图2 1 9 所示 其主要有骨架设计和主控件设计技术两种方式1 2 7 其实施流程如图2 2 0 1 5 陕西科技大学硕士学位论文 广 图2 1 8 自底向上 f i 9 2 18b o t t o m u p 图2 1 9 自顶向下 f i 醇 19t o p d o w n 定义设计意图卜一设定产品初步架构卜 刊导天雨泵砸 管理零组件间 相互从属参考 拓展设计意图 至所有零件 传达设计意图 至整个组件结构 图2 2 0 自顶向下实施流程 f i 醇 2 0p r o c e s so ft o p d o w ni m p l e m e n t a t i o n 为提高设计效率和准确度 本次设计将这两种方法结合使用 来完成装载机器人关 键部件的建模 2 4 2 回转驱动的建模 装载机器人采用回转驱动实现回转动作 实际就是利用环面蜗轮蜗杆实现转动 虽 然环面蜗杆承载能力强且传动性能好 但由于其加工困难等缺点限制了其应用的全面推 广网 在数控加工技术发展迅速的今天 建立精确的三维模型是提高环面蜗杆加工精度 的关键 综上所述 本节详细阐述使用p r o e 建立回转驱动中的主要部件一环面蜗杆的三维 模型 其它零部件的建模不再做详细介绍 a 环面蜗杆的基本参数 装载机器人所采用的s e 7 b 回转驱动中蜗轮蜗杆的相关参数和结构如图2 2 1 所示 2 9 一 1 6 突发灾害救援的装载机器人及其控制系统研究 蕾2 3 7 5 一 o2 0 3 2 o1 6 3 一 囊网 m 1 2 一 刊蓼 l 蠢 叠 1 4 6 一 3 0 3 z 聂 商警 女 工 0 l i l l 1 f 飘一 一 图2 2 1s e 7 b 回转驱动 f i 醇 2 1s e 7 br o t a r yd r i v e b 螺旋线参数方程的建立 由图2 2 2 所示的环面蜗杆螺旋线的运动原理可以得到式2 1 所示的动点c 的参数 方程 3 0 1 图2 2 2 环面齿形形成原理 f i 9 2 2 6p r i n c i p l eo f t h ef o r m a t i o no f t o r o i d a lt o o t hp r o f i l e i x 口一鲁c s 罢一如s n 叁s i n e o c o s 幺 y 口一 譬c o s 兰一吐s