多功能环保机器人产品说明书

1、多功能环保机器人产品说明书项目名称： 多功能环保机器人 项目负责人： 朱珊 学号： 7130810511 联系电话：电子邮箱: 840932649 院系及专业： 英才学院 机械设计制造及其自动化 指导教师： 李增强 职称： 讲师 联系电话：电子邮箱： zqlee 院系及专业： 机电工程学院 机械设计制造及其自动化 填表日期： 2014 年 9月27日 多功能环保机器人英才学院 朱珊 何安迪 梁旭指导教师：李增强 讲师摘要：当前，随着城市化的现象日益加剧，城市面积日益增大，相应的城市环卫工作量随城市的发展而日益增大。在一些人流量大，对清洁程度要

2、求较高的公共场所，不仅需要定时清洁，而且要求收集的垃圾做相应的处理，如压缩、分类等。与此同时,恶劣工作条件使得清洁工人数短缺，亟待解决。本作品研发旨在设计一个能更为高效的代替环卫工人完成公共场所清理垃圾任务的智能环保机器人，并且可以实现将收集的垃圾进行压缩，分类，并及时到指定集中站处理更换集满的垃圾箱的功能，提高环境清洁效率。节省人力，提高人民生活水平。关键词：公共场所；环保；节省人力；智能机器人（一）课题背景随着社会的发展，物质生活丰富的同时，文明程度也随之提高。但一些公共场合，如街道、露天广场、室内大厅等地方仍可以看到垃圾随意丢弃等不文明现象。这不仅破坏了城市的形象，更造成了严重的污染，亟

3、待解决。传统意义上大多选择通过人工劳动力去除公共场所的垃圾，这样不但效率低下，而且早出晚归、工作条件恶劣、收入低下等客观条件使得环卫工人越来越稀缺。如是情况下，一个高效、可持续工作、抗逆性强的环保机器人应运而生。目前，美国、意大利、日本等国家已经成功研发出各样的捡垃圾机器人，除了可以实现简单的拾取功能外，还具有一些现代化的功能。其中，最为著名的意大利捡垃圾机器人增添了短信联系上门服务并判断人们是否将垃圾准确投放到其所属的循环代码下的功能；至于对垃圾分类有着极其严苛要求的日本，其所研究出的机器人，目前可以利用波长不同识别并分离出六种可循环塑料，大大提高了回收效率。这些人性化和绿色环保的思想将在我

4、们的设计中得以借鉴和发挥。但是其中仍有许多不足有待改进：首先，机器人大多采取了简单的轮式装配，致使这样的机器人可以通过一定程序设计避障，但运动范围受限，只能在平坦路面使用。其次，现有的捡垃圾机器人大多数都只是简单的做到将垃圾储存在其内部，垃圾间的空隙于瓶子等造成的极大的空间浪费，很大程度上降低了垃圾收集的效率。另外，还存在着一些垃圾不能即使清理等问题。针对于此，我们致力于设计一个更加高效、人性化、适应性强的多功能环保机器人。（二）课题研究内容与方法本小组的研究课题为：多功能环保机器人。针对生活中在环保工作问题上存在的一些漏洞与需求，针对传统环保机器人的设计和特性，优点于不足，本组根据设想实现的

5、功能，将机器人进行模块化设计，最后将不同模块完整的融合为一体，同时借鉴了一些已经较为成熟的感知控制功能，如传感器等，运用机械设计只是和人性化设计原理对其进行改进，以提高环保机器人的可操控性、抗逆性和人性化。基于以上要求，我们的课题研究内容具体如下：1.驱动系统：针对传统捡垃圾机器人采用普通轮胎装备导致其活动范围受限的问题，本组设计中准备采用六轮悬架系统对其进行改进，使之可以进行简易的越障、原地旋转等功能。考虑到本设计的自重问题，在传统六轮悬架的基础上，还增添了一个滑轨（如图7）从而使得机器人在越障过程中，悬架受力相应减小，支撑结构不易磨损。同时，采取六轮悬架系统于行星齿轮减速器连用，使驱动系统

6、应对方向、大小多变的负载时，传动更加稳定。2.分类系统：考虑到瓶子，无论是塑料瓶还是玻璃瓶，对压缩装置的要求极高，而且易发生破碎，爆炸等危险，所以本设计通过一个简单的分类装置，先将瓶子类垃圾进行单独处理，然后将剩余的垃圾统一收集，压缩，投入垃圾箱，这样既起到了良好的回收功效，又可以降低压缩的难度。具体实现即在箱内设有两个连体的垃圾箱，靠近前端的垃圾箱负责收集压缩后的垃圾，而靠近后方的垃圾箱则负责收集机械臂撷取的瓶子。当传感器感受到瓶子存在后，发出信号传到机械臂，机械臂随之拾取地上的瓶子，递送到箱体右端的开口中，存储到相应的垃圾箱内。3.收集系统：收集系统采用传统的铲车结构，与箱体上方的折叠板相

7、互配合，前端小铲在正常行驶过程中会不断收集遇到的物体，当铲内垃圾到达一定高度后，通过液压系统的连接，铲子将会举起至箱体上方，上方折叠板打开，铲子倾斜，将垃圾倒入压缩舱，开始下一步的压缩工序。4.压缩系统：传统意义上的捡垃圾机器人大多只是储存收集的垃圾，这样导致垃圾只是简单堆砌在箱体内，更换垃圾箱的频率高，工作效率低下。而本设计通过压缩装置，充分减少垃圾所占体积以及垃圾间的空隙，从而使得垃圾总体占用的体积大量缩小，提高了收集垃圾的效率。压缩程序结束后，垃圾下方的承重板将会向下旋转，使得压缩后的垃圾掉落在压缩舱下方正对的垃圾桶内。5.集中站机制：考虑到本设计实际应用到日常生活中的前景，决定将垃圾箱

8、的清理与更换及机器人内部的清洗采取集中站式机制进行管理。即在一片街区内集中设立一个集中站，当机器人内部传感器检测到内部垃圾高度已经达到承载上限时，会根据内部设定指令运动到该街区对应的集中站。到达集中站指定更换地点后，箱体前端收集铲向上抬起，前后板展开，集中站内相应装置将两个相连的空垃圾箱推入，从而将两个载满的垃圾箱推出，进行下一步瓶子收集与垃圾箱清洗功能。（由于此部分于控制方面联系较为紧密，机械中很难展现，故不予赘述）项目具体实施方案如下：（1）准备阶段第九届全国信息技术应用水平大赛比赛（太尔时代创意设计与制造综合技能）的赛题公布，比赛要求结合三维扫描技术与3D打印技术。经过接近两周的讨论，我

9、们最终选择准备研究一个可以实现一定程度分类、收集、压缩、越障的多功能环保机器人。（2）选题阶段确定设计方向后，我们开始上网查找资料，了解了目前环保机器人的发展趋势以及尚存在的问题。在查阅资料后，我们发现目前的环保机器人已经达到了一定的智能化，如可以通过一定的程序避开行人，运动到指定地点，以及可以做到简单的分类等。但是仍然存在着不足，比如适应地形较为单一，内部存储垃圾的空间有限，且有些垃圾造成了一定的空间浪费，垃圾箱不能及时倾倒会造成异味等.因此我们决定设计一款具有人性化、适应地形广、高效可持续工作的多功能环保机器人。（3）总体设计阶段最开始，我们发现了现有多功能机器人还存在着一些不足：如不能很

10、好的越障，只能实现一定程度的避障、垃圾没有一定的压缩装置，所以造成很大程度的空间浪费等。所以我们决定采用六轮悬架结构与行星减速器相结合的机构，使之可以进行简易的越障、原地旋转等功能。考虑到本设计的自重问题，在传统六轮悬架的基础上，还增添了一个滑轨。从而使得机器人在越障过程中，悬架受力相应减小，支撑结构不易磨损。同时，采取六轮悬架系统于行星齿轮减速器连用，使驱动系统应对方向、大小多变的负载时，传动更加稳定。本设计通过压缩装置，充分减少垃圾所占体积以及垃圾间的空隙，从而使得垃圾总体占用的体积大量缩小，提高了收集垃圾的效率。压缩程序结束后，垃圾下方的承重板将会向下旋转，使得压缩后的垃圾掉落在压缩舱下

11、方正对的垃圾桶内。同时，考虑到本设计实际应用到日常生活中的前景，决定将垃圾箱的清理与更换及机器人内部的清洗采取集中站式机制进行管理。即在一片街区内集中设立一个集中站，当机器人内部传感器检测到内部垃圾高度已经达到承载上限时，会根据内部设定指令运动到该街区对应的集中站。到达集中站指定更换地点后，箱体前端收集铲向上抬起，前后板展开，集中站内相应装置将两个相连的空垃圾箱推入，从而将两个载满的垃圾箱推出，进行下一步瓶子收集与垃圾箱清洗功能。而分类系统则采取机械臂与机械铲相结合，使瓶子单独放置在一个垃圾箱内，既环保，又减小压缩的负担。收集系统则采取简单的机械铲铲除垃圾，与传统项目类似。（4）确定尺寸阶段确

12、定具体研究内容之后，我们开始细化各个部位的尺寸。通过对实现功能所需占有空间的机械以及垃圾箱最适体积的讨论，我们确定了一些主要部位的尺寸。目的是，让垃圾箱体积足够的情况下尽可能缩小整体机器人的空间，从而使之行动更自如，更节约能源。主要确定的尺寸是：整体外形体积、机械铲尺寸、机械臂长度、六轮悬架系统的相关尺寸等。（5）草图绘制阶段在明确了各主要部位的尺寸之后，我们设计了机器人许多原理图。那时我们工程制图课程才开始学尺寸标注，所以在这第一张草图上，有很多尺寸标注方法的错误，但是这并没有对我们的进度带来太大的影响。之后我们根据装配图，设计了一些部件的草图，比如六轮悬架、机械臂等。（6）三维建模阶段之后

13、我们根据草图，利用软件对各个零件进行三维建模。用来建模的软件，我们需要从头开始自学，经过不断地自学与尝试，我们对软件由生疏到熟练。做出的三维模型也更加漂亮、细腻。（7）装配调整阶段我们将制作好的零件汇总起来，进行装配。首先将零件组合成为部件（比如机械铲、六轮悬架、液压杆等部分），然后将各个部分组装成总体。（8）优化设计阶段产品设计的过程，也是不断优化，化繁为简。经过考虑与斟酌、比较，我们决定将最初的打包环节与吸尘环节删去，因为垃圾经过打包后需要耗费许多的原料与能量、而其所能达到的去除异味的功能也可以通过即使清理垃圾桶去弥补；吸尘功能则主要针对室内环境，对于其主要工作的室外工作空间来说，颇为浪费

14、。之后我们根据新方案为相关零件重新建模。最后，对零件增加圆角、倒角等细节。（9）动画仿真阶段模型优化完成后，开始制作仿真动画。针对机器人不同模块，录制了各个功能的演示动画与爆炸图动画。（10）后期处理阶段进行渲染，截图，并利用会声会影等软件对动画进行后期处理，做出展示用视频。撰写各种材料，制作展示用PPT。2.人员组织与分工（1）人员组织赛题公布后，按照兴趣驱使、自愿参加的原则组队，经过讨论决定朱珊任项目组长兼项目负责人，何安迪、梁旭两人为组员。由班主任老师推荐，自行联系指导老师李增强。项目组正式成立。（2）项目分工创意收集与讨论：全员参加尺寸收集与确定：梁旭（收集主要外形尺寸），何安迪（测绘

15、主要零件尺寸）草图绘制：朱珊（主体框架、机械铲）、何安迪（六轮悬架系统、机械臂）、梁旭（压缩系统、垃圾箱设计）三维模型制作：朱珊（主体框架、机械铲）、何安迪（六轮悬架系统、机械臂）、梁旭（压缩系统、垃圾箱设计）仿真动画制作：何安迪，梁旭3.项目运行关键问题评判、决策及攻关项目在运行中存在的关键问题及解决方法如下：1. 轮压与板压的选取：在压缩装置选取的问题上，小组进行了全方面的展开探讨。轮压可以使所压的物品更加彻底，形状更加规则，但是占地面积大且相比于板压速度更慢一些。板压虽然压缩不够彻底，但对于一个需要持续工作、快速高效、所占空间尽可能小的环保机器人来说，轮压无疑是更好的选择。2. 驱动系统

16、的选择：通过查找相关的资料，我们得知，履带结构可以很好的进行避障和越障，但是INVENTOR中很难表现履带的运动情况。在借鉴学长的一些经验后，我们改用有同样功效的六轮悬架结构，同时在制作末期，我们引入了行星减速器，从而使机器人在面对速度方向改变的情况下更能保持驱动系统的稳定。（三）研究结果至结题前，我们已使用三维建模软件Autodesk Inventor构建了多功能环保机器人的三维模型。将四个模块：驱动系统，分类系统，收集系统以及压缩系统进行了系统的绘制。除此之外，我们利用软件自带的运动仿真功能，对机器人的一系列运动进行了模拟仿真。我们对机器人的轮胎运动，撷取瓶子，铲除垃圾，压缩垃圾等一系列运

17、动的过程参数进行了计算，并用软件一一进行实现。最终，我们将其中的部分运动以视频的形式输出，作为我们成果的一部分。具体内容如下：1.材料选择：围绕着3D打印主题，本组的外壳采用工程塑料，工程塑料具有高强度、高机械模数、低潜变性、强耐磨损及耐疲劳的特性，有良好的机械性能和尺寸稳定性，在高、低温下仍能保持其优良性能。关键部分如齿轮转轴仍使用传统的金属。而其他部分如悬架主体、机械臂主体则主要采用工程塑料。图1 多功能环保机器人侧面图(1)图2 多功能环保机器人侧面图（2）2.驱动系统:本系统采取六轮悬架结构。单边包含三个轮子和主臂、副臂。主臂上端设有两个圆轴，分别装入入主箱体侧面的固定槽和滑轨。通过绕

18、固定槽轴心的转动，主臂与车体的相对角度可以有小幅度的变化。滑动槽内设弹簧可以对震动进行缓冲以提高车体稳定性。而如果在滑动槽上设置电机则可以进一步加强对悬架姿态的控制。副臂与主臂之间使用简单的铰链链接自行适应地形。臂的下端与轮子之间安装摆动液压缸以控制轮子的朝向。 图3 驱动系统正面图图4 驱动系统后视图轮子主要部件为轮架、电机、齿轮组、外壳以及侧面小轮。通过对负载的预估计，本组认为选用57伺服电机比较合适。为了降低转速提高扭矩，轮架上安装了行星轮减速装置，齿轮外环与轮壳固连。再通过一级外啮合齿轮，电机与轮壳之间的减速比最终达到20：1。为了使轮架负载相对平衡，在与轮壳相对的另一侧设置小轮，小轮

19、无驱动。 图5 单轮放大图图6 行星齿轮结构图7 滑轨放大图3.分类系统：主箱体下半部的空腔内有前后两个活动垃圾箱，前者用于储存经过压缩的一般垃圾，而后者用于存放易拉罐、塑料瓶等可回收垃圾。机械臂的前端如图所示。外部小电机通过带动齿轮可以使小盒绕轴作有限的摆动。盒内有电机和蜗杆传动装置以带动前方的机械爪做出开合动作从而抓取物品。设想中传感器也置于小盒内（图中未画出）。通过传感器，机器人可以识别出易拉罐、塑料瓶，用机械臂进行抓取，通过主箱体侧面的开口投入分类垃圾箱中。图8 前端机械臂放大图4.收集系统：主箱体前方设有小铲，用于将垃圾铲起，举起，通过顶端开口将垃圾倾入压缩舱。铲子由两级臂和主箱体连

20、接，通过两个摆动液压缸和一个小电机控制位置。图9 机械铲侧视图5.压缩系统：在主箱体的上半部设有压缩舱和压缩板，压缩板由两个双级液压缸推动，对压缩舱内的垃圾进行挤压以减小体积。压缩舱前部有活门，当压缩完成后活门打开，使垃圾落入下方的垃圾箱内。压缩板后方的空间如图所示，安放了液压缸和液压系统。压缩舱左右两边的位置用于安放电池和控制电路。由于是向上拔出的插槽式设计，电池可以在集中站很轻松地直接更换，省却了充电的时间。图10 压缩系统侧视图图11 压缩杆放大图6.与3D打印的结合：考虑到机器人需要承载一定重量，所以本设计中的外壳体以及轮子仍采取传统铝合金结构。而其他部分准备采用3D打印技术。由于模块

21、化处理，可以分别用3D打印技术快速打印，其复杂的内部结构也可以得到很好的解决。（四）创新点（1） 在驱动方面，合理地采用六轮悬架结构与行星减速器合理融合的形式，有效地解决了现今大多环保机器人行动受限，使得面对多种地形时，机器人更平稳的控制驱动系统的运行，更具有普遍适用性。（2） 在分类方面，采用机械臂与机械铲相配合的机制，可以实现一定程度的分类回收功能，既提高了压缩的效率，又符合环保的理念。（3） 在压缩方面，针对传统环保机器人只是将垃圾简单的堆砌，十分占用空间，降低了收集效率，本组设计加入了一个压缩装置，可以很好的减少垃圾所占用的体积以及垃圾间的空隙。（4） 在垃圾管理方面，设立集中站机制，可以即使进行垃圾箱的更换，清理，减少异味，同时可以在整个城市构成一个系统的集中网，覆盖到每一个街区，使设计具有开阔的前景。（五）结束语就我们所研究的课题而言，我们感受到了环保已经不只是一个简单的词语，人们的内在素质的提高需要一个漫长的过程，这期中就要求我们用相应的设施予以配合，共同完成人类共同的目标。机器人的前景十分的开阔，无论在什么领