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本 科 毕 业 论 文（设 计）题目： 校园垃圾拾捡机构行走机构设计 学 院： 工 学 院 姓 名： 学 号： 专 业： 年 级： 指导教师： 称：副教授 二 0 一四 年 五 月校园垃圾拾捡机构行走机构设计- 1 -摘 要校园垃圾拾捡机构是为了保持校园环境清洁而设计的一种由抓取机构固定在行走机构上构成的一类的小车机器人的专门工作机构。校园垃圾拾捡机构是一辆采用直流伺服电机驱动的四轮平面移动小车，该机构采用前轮转向后轮驱动，车上装有摄像头，超声波传感器和碰撞传感器等，用以控制校园垃圾拾捡机构行走机构而躲避障碍物，通过识别废纸、果皮、塑料等垃圾通过控制抓取机构拾捡垃圾放置于垃圾箱内。关键词: 行走机构；校园垃圾拾捡机构；机器人校园垃圾拾捡机构行走机构设计- 2 -AbstractPicking up trash on campus is a special body of a mechanism in order to keep the school environment clean and designed by grasping mechanism fixed on the running gear consisting of a class of car robot. Picking up trash on campus is an organization driven by DC servo motors to move four flat cars, the agency uses rear-wheel drive front-wheel steering, the car is equipped with cameras, ultrasonic sensors and collision sensors, picking up trash on campus organizations to control travel agencies and avoid obstacles by identifying waste paper, peel, plastic and other garbage picking up garbage placed in the trash by controlling the grasping mechanism.Keywords:Walking agencies;Campus garbage pick up agencies; robot校园垃圾拾捡机构行走机构设计- 3 -目 录1 绪论 .- 4 -1.1 移动机器人概述 .- 4 -1.2 课题研究意义 .- 4 -2 校园垃圾拾捡机构总原理 .- 5 -3 校园垃圾拾捡机构行走机构设计与计算 .- 6 -3.1 行走机构的工作原理 .- 6 -3.2 方案设计 .- 7 -3.3 电动机选型 .- 8 -3.4 设计链传动 .- 9 -3.5 链轮的设计及计算 .- 11 -3.6 轴的设计及计算 .- 12 -3.7 机架支脚端盖设计 .- 16 -3.8 轴承选择 .- 16 -3.9 联轴器的选择 .- 17 -3.10 减速器的选择 .- 17 -3.11 转向梯形设计键的选用与校核 .- 17 -3.12 键的选用与校核 .- 21 -3.13 纹紧固件选型 .- 21 -3.14 防松装置 .- 22 -3.15 密封件选择 .- 22 -3.16 一些标准零件一览表 .- 23 -4 总结 .- 24 -参考文献 .- 24 -致 谢 .- 26 -校园垃圾拾捡机构行走机构设计- 4 -1 绪论1.1 移动机器人概述校园捡拾垃圾移动机器人是用智能化控制技术，在校园环境下机器人系统的自主运动、规划和控制机构的执行。平台小车的移动用来扩展抓取机构的工作空间，使机抓取机构能以更合适的姿态抓取垃圾，同时校园捡拾垃圾移动机器人中的抓取机构的加入也极大提高了移动机器人的性能。1.2 课题研究意义把校园捡拾垃圾移动机器人抓取机构安装在移动平台上，这种把抓取机构安装在行走机构的移动平台上的方法使抓取机构拥有很大的操作工作空间。并同时小车具有移动和操作功能，这样使它好于一般的机器人和传统机械手。因此，研究这类机构的控制问题有十分重要的理论价值和实践意义。校园垃圾拾捡机构行走机构设计- 5 -2 校园垃圾拾捡机构总原理2.1 机构总原理图图 2.1 机构总原理2.2 捡拾垃圾机构的操控过程校园捡拾垃圾机构工作时，启动遥控控制按钮，点动小车的开关按钮，把电源接通，校园捡拾垃圾机构行至校园内的工作区域，启动小车操作自动化控制按钮，这时机器进入自主运动运动状态。校园捡拾垃圾机构通过视觉传感器 摄像头传达垃圾所在位置：当在抓取机构所能抓取的范围内没有发现有垃圾时，小车后轮驱动电机启动小车向前行进，寻找垃圾，直至发现在其范围内发现垃圾时，驱动电机关闭小车停止移动，然后启动抓取机构控制系统，抓取机构通过传感器调整抓取机构位置使爪子对准垃圾，爪子闭合抓取垃圾，机械手随转台向垃圾箱方向转动，转到垃圾箱上方触碰到一行程开关，将垃圾放入垃圾箱内，随后机械手随转台转回到自由初始状态。小车继续行进寻找垃圾目标。校园捡拾垃圾机构在工作过程中，通过周围装有的传感器发现有障碍物时，转向电机启动，控制机构转向，避开障碍物。校园垃圾拾捡机构行走机构设计- 6 -3 校园捡拾垃圾机构行走机构设计与计算3.1 行走机构的工作原理行走机构是采用传感器技术自动控制小车的向前行进（后退）和转向的一种全自动化的移动平台。校园捡拾垃圾机构通过摄像头 视觉传感器，传达垃圾位置信息，进而控制小车的前进与否及转向。(1)行走机构移动平台图图 3.1 行走机构 （2）行走机构向前前后移动校园捡拾垃圾机通过视觉传感器传达垃圾位置：当在机械手所能达到的范围内没有发现有垃圾时，机器人继续向前行进，寻找目标，直至发现在其范围内发现垃圾时，行走机构停止移动，启动机械手控制系统，将垃圾拾捡入垃圾箱，之后机构继续移动。（3）行走机构转向机构在工作过程中，小车体上方装有传感器，当发现有障碍物时，控制转向电机启动，进而控制校园捡拾垃圾机构转向。从而使小车避开障碍物。校园垃圾拾捡机构行走机构设计- 7 -小车转向原理如下图：3.2 方案设计（1）后轮驱动，前轮转向（）（2）前轮驱动，前轮转向（3）四轮驱动，四轮转向最终采用方案（1）进行设计3.2.1 后轮驱动原理（如下图）后轮驱动路线： 链 传 动 键 联 接电 动 机 启 动 后 驱 动 轴 转 动 车 轮 转 动移 动 平 台 后 轮 驱 动图 3.3 后轮驱动图aa图 3.2 转向梯形校园垃圾拾捡机构行走机构设计- 8 -3.2.2 前轮转向原理（如下图）前轮转向路线： 联 轴 器 联 轴 器 键 联 接电 动 机 启 动 （ 停 止 ） 减 速 器 前 轮 转 向 轴 车 轮移 动 平 台 前 轮 转 向3.4 前轮转向图 3.3 电动机选型选取为 Z4 系列的直流电动机。额定功率 P=1.1kw额定电压 220v 额定转速 450r/min 电动机,校园垃圾拾捡机构行走机构设计- 9 -图 3.5 电机电机安装尺寸：3.4 设计链传动图 3.6 链轮和链条链轮转速分别为：小链轮： 大链轮： 中心距 a 不小于 300mm1450/minnr2150/minnr3.4.1 选择链轮齿数传动比 12/3i假设链速312zn 1/us因为齿数一般大于等于 17。所以取小链轮齿数 21, 大链轮齿数1Z263Z3.4.2 确定链节数 Lp安装尺寸机座号A C1 E K G R S n2001.05731.05 40 15 14.8-0.12 01.512 4-0.30B D H F N M h32051.0518+0.014+0.02140-0.5 5 -0.010-0.055130-0.040 165 4-0.30外形尺寸p b1 b2 h L122200 194 158 314.5 437校园垃圾拾捡机构行走机构设计- 10 -初定中心距 a=25p 250pao6842.123Zf .9321opPafL链节数一般取偶数 4PL3.4.3 确定链条节距按小链轮转速估计工作点落在线顶点左侧 Km=1.0。表 5.11 查得：工作情况系数：KA=1.3,小齿轮齿数系数 Kz=1.11,链长系数 Kl=1.06 所以采用单排链，由表查得单排系数，得到工作条件下的传动功率为 01.68AZLmKPkw根据计算得到的齿轮的转速和功率，由图 5.26 选择滚子链型号为 08A，其节距为P=12.7mm3.4.4 确定链长 L 和中心距链长： 1.90Pm查表可得中心距计算系数74.12ZL 24156.0f中心距：212 184PZpaLPZ 计算得 a=318.9mm中心距减少量 0.2.40.6381.27aam实际中心距校园垃圾拾捡机构行走机构设计- 11 -317.68.280am取3.4.5 验算速度 1.7325/60nzpums与 假 设 相 符3.4.6 作用于在轴上的轴力 1.2QK工 作 平 衡 取 压 力 系 数 10634.9PFNu工 作 拉 力 7Q轴 上 压 力3.4.7 设计结果滚子型号 08A194 GB1243.1-83链轮齿数 12Z63中心距 a=318mm7.90QFN轴 压 力3.5 链轮的设计及计算由以下公式：分度圆直径 180sintdz23.851d02.52d齿根圆直径 （ 为滚子直径） =7.92frr r最大齿根距离：偶数齿 xfLd奇数齿 90cosxrz齿根最大距离： 18().Hdtg齿顶圆直径 0(.54)atctz校园垃圾拾捡机构行走机构设计- 12 -（1）小链轮：齿数：21 分度圆直径 d=8524mm齿顶圆直径 da=91mm 齿根圆直径 df=671mm最大齿根距离 Lx=7648mm 齿根最大距离 dH=70mm结构形式：实心式 材料：40热处理：淬火回火 40-50HRC（2）大链轮：链轮齿数：63 分度圆直径 d=25502mm齿顶圆直径 262mm 齿根圆直径 df=24651mm最大齿根距离 Lx=24643mm 齿根最大距离 dH=241mm结构形式：实心式 材料：40热处理：淬火回火 40-50HRC3.6 轴的设计及计算3.6.1 选择轴的材料及热处理由于小车的驱动轴传递的功率不是很大，故选择常用材料 45 钢,调质处理.3.6.2 初估轴径轴承选取：轴主要受径向力的作用，可选用轴承为深沟球轴承 6406,根据轴承确定各轴安装轴承的直径为:D1=40mm，D2=30mm。3.6.3 结构设计确定轴直径：初步估计轴后，轴可安装顺序的一部分，从中间开始，以确定直径。的轴部分安装了一个大链轮，因此为 40mm 的段的直径。2 段装轴承 6406，为了便于安装，取 2 段为 30mm。左端用轴肩固定，计算得轴肩的高度为 5mm，取 3 段为20mm。4 段与车轮用键联接，取直径 14mm。各轴段长度的确定：轴段 1 的长度取 L1=450mm。2 为轴承 6406 宽度和轴承到支撑脚内壁的距离加上支撑脚内壁之间的距离段取为 L2=125mm。3 段的长度按轴肩宽度公式计算 L3=1.4h；取 L3=90mm，4 段：L4=25mm。3.6.4 轴上零件的周向固定为了保证良好的对中性。与轴承内圈配合轴均选用 H7/p6，l 链轮与轴采用 A 型普通平键联接，为键 GB/T 10962003 键 6*6*183.6.5 轴上倒角与圆角3.6.6 为了确保对轴承内环 6406 定位肩的端面的端面，根据推荐的轴承的使用说明书，取肩圆角半径为 1mm。其他肩圆角半径是 2 毫米。根据标准 GB6403.4-1986，绕轴两端被倒角 1* 45。校园垃圾拾捡机构行走机构设计- 13 -3.6.7 轴的校核图 3.7 轴轴的校核图（1） 判断危险截面显然, B 剖面是危险截面； （2）轴的弯扭合成强度校核校园垃圾拾捡机构行走机构设计- 14 -初步估计校园捡拾垃圾机器人的总质量为 150Kg。Fy 剪力=Mg/4=375NFx 剪力=F/2=317.46NT=40.5N.mMy=Fy 剪力*l=375*0.2=75N.m2xy=34.85M=236MPa223=/0./()/1.5STD则可以得到 =24.6mm36*1D此处轴的直径为 40mm，满足要求。3.7 机架支脚端盖设计机架支脚端盖都采用铸铁，铸铁机架能适应结构形状比较复杂的情况，有非常好的吸振性能和机加工性能。由于小车结构小，重量轻，所以采用整体式车架。机架支脚端盖都采用 HT200（1）后支脚 图 3.8 后支脚（2）前支脚图 3.9 前支脚校园垃圾拾捡机构行走机构设计- 15 -（3）端盖图 3.10 端盖3.8 轴承选择3.8. 1 轴承选型（1）后轮采用轴承受很小的轴向应力作用，主要受径向力作用，且径向力作用不大时，选取深沟球轴承系列，6406。结构参数见下表（2）前轮受两方面的力的作用，所以选用圆锥滚子轴承，30307。结构参数见下表dDBA/215Ta3.8.2 轴承的轴向紧固方式采用端盖紧固轴承外圈和轴肩紧固轴承内圈。3.8.3 轴承的安装形式除轮毂轴承外，轴承均是成对出现的，均采用背对背方式安装定位。如下图：轴承代号 尺寸（mm）d D B6406 30 90 23轴承代号 基本尺寸 mmd D T B C a30307 35 80 22.75 21 18 17校园垃圾拾捡机构行走机构设计- 16 -3.9 联轴器的选择3.9.1 确定联轴器的计算转矩 caT=caTAK-工作情况系数，取 =1.3AK3.9.2 由 和 选择联轴器的型号与尺寸caTmaxn-为所选用型号的许用转矩 TN-被联接轴转速 n/ir-联轴器的最高转速 max n由 和40.5cTN150/minr再加上电动机和减速齿轮减速器输出轴与前轮转向传动联轴器的输出轴用于联接连接。选取 GB5843-86 凸缘联轴器,选用 YL 型的 YL2 和 YL6 凸缘联轴器8254386304265618GBJYLJ型 号 分 别 为 L联 轴 器联 轴 器凸缘联轴器的参数如下所示：(1)YL2 凸缘联轴器:额定转矩 =16 许用转速 n=7200r/minnTNm轴孔直径 d=18mm 轴孔长度 L=30mmD1=80mm D=64mm 螺栓 M6 L0=64mm质量:1.5Kg 转动惯量 0.0035 2.kgm(2)YL6 凸缘联轴器:额定转矩 =100 许用转速 n=5200r/minnTNm轴孔直径 d=30mm 轴孔长度 L=60mm校园垃圾拾捡机构行走机构设计- 17 -D1=110mm D=90mm 螺栓 M6 L0=124mm质量:3.99Kg 转动惯量 0.017 2.kgm3.9.3 外形结构，技术参数如下表 3.10 减速器的选择选用型号为 KWO63 的锥面包络圆柱蜗杆减速器，其外形如下：KWO63 的锥面包络圆柱蜗杆减速器结构尺寸如下表：3.11 转向梯形设计转向连杆梯形用来保证在小车转弯时，前轮轮子都尽可能绕一个瞬时转向中心，在不同的圆周上做无滑动的纯滚动。常用的转向梯形有整体是和断开式两种，本设计尺寸型号 a B1 B2 C1 C2 h H H1 d3 l1 d163 146 140 115 120 160 160 221 M10 28 18j6b1 t1 L1 d2 l2 b2 t2 L2 L3 L4 质量（不含油）kgKWO63 6 20.5 118 30j6 58 8 33 136 86 65 17图 3.11 减速器D1d(h7)LLODn-M校园垃圾拾捡机构行走机构设计- 18 -采用的是整体式转向梯形。要确定两个参数：一是梯形底角 ；二是梯形臂长 m。两个梯形臂延长线的交点 T，通常在距后轴 2/3L 附近，所以，可按照下式初选梯形底角 3cot=4KL梯形臂的长度 m，可以参考现有汽车梯形臂长度与主销中心距 K 的比值的统计数据来进行初选，一般 m 的范围如下：m=（0.11 0.15）K初选了 和 m 后，还需要校核这个梯形是否能满足要求，可以用作图法进行校核。如下图如图所示，A，B 是的交点延伸的主销的中心线与地面的点，BD 和 AC 都平行于纵向轴线的两条直线，相交于后轴，分别，C，D 点，E 是纵轴交点 AB，连接乳油，线任取一点点楼这一个，B 由两个连接的，是符合，外眼角要求。证明如下：校园垃圾拾捡机构行走机构设计- 19 -过 F 作 AB 的垂线，与 AB 交与 G。设 （外轮转角） ；0i00cot=2cotti2cotti=BEGFABFEFCKGL由 于 相 似 于 ， 所 以i=FAE（内轮转角） ，则0i00cot=2cotti2cotti=BGEFABGFEGFCKL由 于 相 似 于 ， 所 以因此，直线 EC 就是保证内、外轮转角正确关系的理想特性线。有了这条线，用图解法来校核就比较方便了。具体做法如下：（1）首先按初选转向梯形臂长 m；按初选底角 ，画出中间位置时的转向梯形图，所得图形如下校园垃圾拾捡机构行走机构设计- 20 -（2）再给出一系列内轮转角 i，通过作图求得相对应的外轮转角 。0（3）分别以 A、B 为原点，把 i 和 画在图上，如下图所示。每对射线有一个交点，把这些0交点连接起来，就得到在选定的梯形底角 下的实际特性曲线。转向梯形连杆机构如下图所示：校园垃圾拾捡机构行走机构设计- 21 -图 3.12 转向梯形连杆机构3.12 键的选用与校核3.12.1 键的选型选用平头普通平键（B 型） GB/T1096-2003 键 B6616 和 GB/T1096-2003 键 B87203.10.2 键的校核挤压强度条件公式 4pTdhlB=6 h=6 l=16 d=18 T=14Nm校园垃圾拾捡机构行走机构设计- 22 -由轴与链轮 联轴器的材料选取 （轻度冲击载荷）10paMP41032.4186aTPdhl故满足挤压强度条件同理 .1007apaPl 满足挤压强度条件3.13 纹紧固件选型选型见下表名称 个数 用途螺钉 GB/T 65 M1035 24 后轮端盖用的联接螺钉螺栓 GB5780-86 M1570 16 底板与电动机底座的紧固联接螺母 GB/T 6172 M15 32 底板与电动机底座的紧固联接螺栓 GB5780-86 M20*80 12 支脚与底座的联接螺母 GB6172-86 M20 24 支脚与底座的联接螺栓 GB5780-86 M1060 4 减速器的联接螺栓螺母 GB6172-86 M10 8 减速器的联接螺栓螺栓 GB5780-86 M635 4 联轴器的联接螺栓螺栓 GB5780-86 M835 4 联轴器的联接螺栓螺母 GB6172-86 M6 8 联轴器的联接螺栓螺母 GB6172-86 M8 8 联轴器的联接螺栓螺栓 GB5780-86 M2080 2 转向连杆联接螺栓螺钉 GB75-85 M8*12 3 紧定链轮的紧定螺钉螺钉 GB75-85 M5*6 3 紧定链轮的紧定螺钉螺母 GB6172-86 M16 2 链轮预紧螺母螺母 GB6172-86 M20 2 链轮预紧螺母3.14 防松装置防松装置采用双螺母防松和采用开口销防松选用 销 560 GB91（大链轮防松）校园垃圾拾捡机构行走机构设计- 23 -双螺母防松 开口销防松3.15 密封件选择轴的外表面均采用毡圈密封，材料为半粗羊毛毡。见下表型号 个数 材料毡圈 40 ZB68-62 4 半粗羊毛毡毡圈 40 ZB68-62 2 半粗羊毛毡毡圈 30 ZB68-62 2 半粗羊毛毡3.16 一些标准零件一览表型号名称 个数 型号名称 个数毡圈 40 ZB68-62 4 螺钉 GB75-85 M5*6 3毡圈 40 ZB68-62 2 螺钉 GB75-85 M8*12 3毡圈 30 ZB68-62 2 螺栓 GB5780-86 M2080 2销 540 GB91 2 螺母 GB6172-86 M8 8螺母 GB6172-86 M20 2 螺母 GB6172-86 M6 8校园垃圾拾捡机构行走机构设计- 24 -螺母 GB6172-86 M16 2 螺栓 GB5780-86 M835 4螺栓 GB5780-86 M635 4 螺母 GB6172-86 M10 8螺栓 GB5780-86 M1060 4 螺母 GB6172-86 M20 24螺栓 GB5780-86 M20*80 12 螺母 GB/T 6172 M15 32螺栓 GB5780-86 M1570 16 螺母 GB/T 6172 M16 16螺栓 GB/T 5782-86 M16*40 16 螺钉 GB/T 65 M1035 24825438630GBJYL2联 轴 器1 42658361YLGBJ联 轴 器 1轴承 30307 4 轴承 6405 2轴承 6406 6 GB/T1096-2003 键 B6616 4GB/T1096-2003 键 B8720 4 减速器 KWO63 14 总结在大学的学习过程，毕业是我们社会的参与到实际的项目中一个很好的演示文稿的规划和建设的一个重要方面。是毕业四年的学习和提高，并做同样的研究和开发工作的总结，必须有严谨求实的科学态度。毕业设计有一定的学术意义和实用价值，能够看出解决问题的能力体现的专业知识和分析。毕业后的整整两个月就要结束了，我的大学生活将结束。这是我们大学的最后也是最重要的一个设计阶段之中。毕业，是我们大学的一个试验已经学会在过去的四年中，它要求我们的大学四年能够消化所学知识，熟练应用和要求我们能够理论联系实际，培养我们的综合能力解决实际问题和能力。在两个月内，我们继续学习，不断积累，并不断提高。在饶老师的指导的指导下，我们从最初的开题，整体规划设计方案开始;大小后制定，选择和各部分的计算，绘制几个阶段装配图，零件图。在本次毕业设计也让我们进一步同学关系，给予了我很多的建议和意见，所以在这里我非常感谢帮助我同班同学。毕业设计，是我们已经了解到在四年内，如果实际测试，知识这四年中我们所学到的专业知识全面，让我回顾一下已经几乎
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