校园垃圾拾捡机器人抓取及驱动机构设计

图书分类号:密级:毕业设计（论文）校园垃圾拾捡机器人抓取及驱动机构设计PICKINGUPGARBAGEANDCRAWLINGROBRTDRIVINGMECHANISMDESING学生姓名班级学院名称专业名称指导教师学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用或参考的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标注。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。论文作者签名：日期：年月日学位论文版权协议书本人完全了解关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：本校学生在学习期间所完成的学位论文的知识产权归所拥有。有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的纸本复印件和电子文档拷贝，允许论文被查阅和借阅。可以公布学位论文的全部或部分内容，可以将本学位论文的全部或部分内容提交至各类数据库进行发布和检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。论文作者签名： 导师签名：日期： 年月日日期： 年月摘要科技与经济的高速发展，人们生活条件不断改善，废弃物排放的不断增加，使环境得到很大的破坏，特别是在校园，每天产生超多的垃圾，如旧纸，垃圾袋，易拉罐等，为了让校园保持干净，必须投入大量的劳动力。这时候我们设计一个捡垃圾的机器人可以帮我们解决校园里的大麻烦，我们的机器人要有环保意识，自主决策与计划，行动和拾取行为等功能，集成系统集成的集合。捡垃圾机器人由一个液压或气压来运作的，它是在移动平台上，一种特殊的移动式机器人的配置完成的。其中机器人可以达到这样的抓取效果，一些简单操作和其他操作，移动平台是可以扩大工作范围的机器，使机器人可以是有更好的状态去完成任务，使得机器人被添加一些性能；移动平台是利用前轮转向轮驱动的：四轮汽车结构。[1]关键词：校园；垃圾机器人；控制机构；驱动机构AbstractWiththerapideconomicdevelopmentandincreasingpeople'slivingstandards,wasteemissionsbyincreasingthepressureontheenvironmentincreasing,especiallyindenselypopulatedareasoncampusthisplaceeverydayinthemanufactureofalargenumberofspam,suchaswastepaper,plastics,usedbatteries,suchasskin.Inorderforthecampusmustbekeptcleanonthechargesofhumanmaterialandfinancialresourcesandsoon.Ifyoudesignacampusspamrobotscanbesolvedalotoftrouble,campusgarbagerobotisarobotenvironment-aware,dynamicdecision-makingandplanning,suchasactsofcontrolandtheimplementationofmultiplefunctionsinoneintegratedsystem.Manipulatorgarbagefromtheentirehydrauliccontrol,garbagerobotmanipulatorisfixedonthemobileplatformconsistingofaspecialkindofmobilerobot.Manipulatorwhichisusedtoachieve,suchascrawling,operationmovesthemobileplatformtoextendtheworkofthehandsofarmedspacerobotcanbeamoreappropriategesturetasks,therobotisalsogreatlyimprovedbyaddingthedynamicperformanceofrobot;mobileplatformisafrontwheelsteeringusingthefour-wheelrear-wheeldrivecar-typestructure.KeywordsschoolspamrobotcontroldrivemechanismSOSTOE酒国dVOSnv日网9'S日网S'£6呷冒希Y獭噂0iOSTOE第图俄冲皿axr姑axZ7OT神，_3$对七SOSTOE酒国dVOSnv9XEB£T9XO'9EEBmp'IE晔牌0iOSTOE利革1AAOaxiaxiimpgYf贿史曰Emp，麟Yf姓囹；£9V6如由LOO饥P'图上胰山主牌l幡羊现lit瑚1呷脉揖孕一物图章下本勰舅蠢$呷畛龄W1叩晚朝列匚I眄雌朝目0iOSTOE/图avo^rvax9%9XA'9SSO-STOC第园qvjqnvaxOfrTEax海£SOSTOE■'■33I^Q4J[050JDI|^|9X9'I0991/Mri"+哓PI祐扁iOSTOE“'幡国avo°*nvaxsotax0'9TSEJT™H钠革潍筋n"ffl借目箪到尊aaiAJ97T务馨-注杏加」'徊洲曜漓湘破Y制啊黑取瓯回暮季巨，！□&<2>有鬓苜工刘孳制革 我旬咨瞄g£-」实’腮薜I帷疑直豳rr翳L彩黑斑南国斡芬TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"摘要 I\o"CurrentDocument"ABSTRACT II\o"CurrentDocument"1绪论 1\o"CurrentDocument"1.1移动机器人概述 1\o"CurrentDocument"1.1.1移动机器人的系统结构 1\o"CurrentDocument"1.1.2移动机械手平台系统 1\o"CurrentDocument"1.2机械手概述 2\o"CurrentDocument"1.2.1机械手机构设计 2\o"CurrentDocument"1.2.2机械手的机能和特性 41.2.3躯干和传动系统 5\o"CurrentDocument"1.3课题研究背景及意义 6\o"CurrentDocument"2校园垃圾拾捡机器人总原理 72.1机器人总原理图 7\o"CurrentDocument"2.2机器人的操控过程 83机械手夹紧机构一手爪设计 错误！未定义书签。3.1手爪的工件原理 错误！未定义书签。3.2手爪技术参数 错误！未定义书签。3.3夹紧力的计算 错误！未定义书签。3.3.1当量夹紧力的计算（滑槽式的两指夹紧机构） 错误！未定义书签。3.3.2手指夹紧力的计算 错误！未定义书签。4垃圾拾捡机器人移动平台设计与计算 错误！未定义书签。4.1移动平台原理 错误！未定义书签。4.2方案设计 错误！未定义书签。4.3电动机选型 错误！未定义书签。4.4设计链传动 错误！未定义书签。4.4.1选择链轮齿数 错误！未定义书签。4.4.2确定链节数Lp 错误！未定义书签。4.4.3确定链条节距 错误！未定义书签。4.4.5验算速度 错误！未定义书签。4.4.6作用于在轴上的轴力 错误！未定义书签。4.4.7设计结果 错误！未定义书签。4.5链轮的设计及计算 错误！未定义书签。4.6轴的设计及计算 错误！未定义书签。4.6.1选择轴的材料及热处理 错误！未定义书签。4.6.2初估轴径 错误！未定义书签。4.6.3结构设计 错误！未定义书签。4.6.4轴上零件的周向固定 错误！未定义书签。4.6.5轴上倒角与圆角 错误！未定义书签。4.6.6轴的校核 错误！未定义书签。4.7联轴器的选择 错误！未定义书签。4.7.1确定联轴器的计算转矩 错误！未定义书签。4.7.2选择联轴器的类型 错误！未定义书签。4.7.3外形结构，技术参数 错误！未定义书签。4.8减速器的选择 错误！未定义书签。4.9键的选用与校核 错误！未定义书签。4.9.1键的选用过程 错误！未定义书签。4.9.2键的选型 错误！未定义书签。4.9.3键的校核 错误！未定义书签。4.10轴承选择 错误！未定义书签。4.10.1轴承选型 错误！未定义书签。4.10.2轴承的轴向紧固方式 错误！未定义书签。4.10.3轴承的安装形式 错误！未定义书签。4.11螺纹紧固件选型 错误！未定义书签。4.11.1选型见 错误！未定义书签。4.11.2校核轴与车轮的联接螺栓强度 错误！未定义书签。4.12防松装置 错误！未定义书签。4.13密封件选择 错误！未定义书签。5控制流程 错误！未定义书签。5.1控制流程 错误！未定义书签。6PLC控制系统的设计 错误！未定义书签。6.1PLC机型的选择 错误！未定义书签。6.2控制系统硬件设计 错误！未定义书签。6.3PLC控制系统的软件设计 错误！未定义书签。标准零件一览表 错误！未定义书签。TOC\o"1-5"\h\z总结 9致谢 10参考文献 101绪论1.1移动机器人概述移动机器人的研究是20-60世纪，(SRI)等人，在取得了自主移动机器人研究1966至1972年被称为自主移动机器人。这样做的目的是研究人工智能传统技术，推理，计划和复杂的环境自主机器人系统控制。与此同时，第一次行走机器人操作的成功发展，开始行走机器人的研究结构，为了解决这个问题，机器人在不平运动场地面，设计并开发了多条腿走路的机器人。后期，随着计算机应用和传感器技术的普及，移动机器人的研究在20-70年代到达新的高层。在80年代中期，一波机器人的潮流遍布全世界，许多有名的公司开始发明制造移动机器人平台，研究移动机器人的平台，主要是大学里和一些研究机构，以促进各种机器人的研究。90年代以来，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的发展，高科技的象征计划实际环境中进行更高层次的移动机器人研究。⑶1.1.1移动机器人的系统结构目前移动机器人的研究：机器人可以识别自身工作环境，工作对象和它们的形态，它根据由所述结果的人的“自我”的理解和外界给出的指令，以分离的工作方法，利用操作机构和移动机构来实现任务目标的，并能适应该决变化的工作环境。这些机器人智能化，有的可以两只脚行走在路上。一个行驶在平坦的表面；看到东西到拾取，能够自行运作，自动拾取;一些独立的控制和决策能力。移动机器人组成部分：硬件和软件系统。根据研究用于不同的目的，形成了移动机器人的硬件，比较全面结构。移动机器人软件系统相当于机器人的“脑子”，智能机器人代替很多的工作，因为它具有类似于人脑的智能控制系统。1.1.2移动机械手平台系统移动机器人是一个拥有环境认识，自主拾取和思维运动，随后执行的集成系统。移动机器人是由机器人上固定构造的移动平台式移动机器人。其中，机器人用于实现这样的抓取，和其他操作，移动平台延长机器人的工作区中，以使机器人可以完成的任务更适合的姿势，而机器人也被加入大大提高了移动机器人的功能。移动机器人的架构设计带来的意识，行动，计划，行为等充分结合。1.2机械手概述机器人主要是执行机构，驱动机构和控制系统。执行器的机器人还包括手，手臂和躯干。安装在手的前部，该任务是准确地抓住当前工件，一个必须与人的手是类似的，它必须有手指头，并应具有人手或可替代同类动作已完成接下来的动作，以达到自己的目标。臂的作用是用来协助手抓住工件和可移动到所需的位置时，机器人的运动，有两种：一种是垂直直线运动，周围的其他线性运动。因此，它必须被装在一液压缸，电磁阀等，其执行构件或辅助系统的一部分。有四个主传动机构:液压驱动，气动驱动，电力驱动与机械驱动器。主要的电动和气动驱动器的主要用途配合少量液压和机械传动。4液压动力驱动工业方面的设备如：锅炉。它的优点是压力高，体积小，持续的力量大动作。缺点是笨重的结构。成本高。但也与压力源。一般使用4-6个大气压。也有一些变大。具体地，即使它的功率是相对小的，体积比较大，但对于低成本，并且不决定该操作。因此，我们手中使用这类驱动器。电驱动，直线运动可用于螺母机构。我们的通用机器人考虑步进电机，直线或交流伺服电机，和变速箱等电器的电源驱动简单，维护和使用起来更加方便。驱动机构采用电源的一种形式，功率是比较大的。因此，用这种驱动形式的设计。微小的，它是在一个电磁阀驱动气缸的形式。机械手的控制主要包括工作的顺序、提起的重量、运动所耗时间、到达的地方等。[5]数字控制系统可以根据行动序列的要求设。它必须首先被编程为存储，则按照程序来控制机器人的工作。为了使程序简单，来使用PLC控制系统执行操作。1.2.1机械手机构设计末端执行器俗称手爪。它是机器人的把持（或吸附）或工件保持特殊的工具（例如，枪，扳手，焊接工具）操作部件，具有仿手动操作的直接工具，所述机器人臂的前端安装结构和根据工作要求的大小来设计。从而形成多种结构类型的，并且可分为机械夹持器，吸附结束和专用工具的类别。自动操纵功能的设计，在某些条件下，来进行抓取。末端执行器的设计要求：具有足够满足夹紧力，需要夹紧位置精度操作要求；我们的手指应该有一定的收盘角；以确保工件的准确定位；具有足够的强度和刚性;由于这可能会使以减少手臂上的负载它结构简单，紧密，重量轻。机器人应该能够抓住物体的部分，变成一定角度（＞90。）的部分回落。要求抓取部件体重高达1公斤。另外，通过在夹持器结构的形式不同的形式的能量的设计适应的结构和大小的不同部分。腕部又称手腕。与致动器臂组件的端部连接，并且其功能是实现在臂和工作单元上的坐标空间的基础上的三个位置的端部的腰，手腕姿势的坐标来实现的工作空间。手腕的设计要求：因为手腕的臂的端部，以降低负载手臂，手腕紧凑组件应设法减少其重量和体积;不盲目地增加的自由度的手腕的数目；改善手腕的准确性，提高传输刚度，应尽量减少由于反转带来更糟的机械传动。两自由度机械手的结构，即手腕和抓手旋转摆动，姿态处理操作，以满足空间需求。对于手腕简单且紧凑的结构，在手腕驱动，通过驱动机构绕腕关节轴摆动驱动；旋转夹紧器由电动机的旋转来驱动。臂部又称手臂。接头和连接从电源开始，用于支撑和调整手腕构件的端部。具有2至3个自由度，包括驱动装置，定位装置，和测试等的。由于臂的重量本身是大的，而且还承担在手腕上，端部执行器和工件，并在运动产生的动态负载的重量，所以应力情况更为复杂。臂部的设计要求：结构和任务的大小，工作要满足空间需求;根据所受载荷手臂和结构特点，合理选择臂截面形状和高强度轻质材料；减少重量和臂相对于它的关节旋转轴的转动惯量和转矩的时刻，以降低负载的驱动；减少动态负载的动作的影响，提高运动的反应速度；以减少所造成的机械误差，提高运动准确度和强度，提高定位强度。机器人臂与所提出的结构的形式有三个自由度，每个有两个自由度以及一个旋转自由度的，以满足的装卸作业的空间位置的要求。为了降低该臂的重量，考虑到材料的性能参数，利用铝作为材料的选择。围绕肘部臂和臂肩关节周围旋转来实现上下运动，结合转矩，惯性的平衡的要求，各关节的驱动源被放置在上一节，由一个大齿轮驱动，臂围绕各个实施的关节轴旋转。肩上联合旋转达到旋转运动，手臂和手爪的旋转运动，臂部关节轴驱动器被放置在机座。机座是机器人的一个基本组成部分，起到支架作用，它可分为稳定和移动两种。由于这项研究的机器人组装生产线的机器人，所以选择一个稳定的基地。它由直接驱动和驱动臂的方式实现手臂摆动。传动、驱动方式选择与分析选择连接和驱动源和从动齿轮和关节件的驱动模式选择装置。连接和驱动模式的基本形式有以下几种：连接驱动器，远程传输，间接驱动，直接驱动。驱动源常见的方式有：液压驱动，气压驱动，直流电动机驱动和交流驱动器的四种基本类型。交流马达驱动器是最近开发的驱动方法。液压驱动器：液压驱动，主要是靠气缸，马达，齿轮齿条的直线运动由摆动油缸，和减速机，汽缸与齿条，齿轮和链条以实现旋转运动。液压传动压力的优点，体积小，产量大，运动平稳，无级变速，易于自锁，并可以靠在中间。它配备有一个压力源，系统复杂性和高消费。气动驱动器：用于气动气缸，气动发动机，阀门等气动驱动元件。使用4到6个大气压，每个8到10个大气压，它的优点是方便的天然气供应，维修方便，成本低。的缺点是，有助于小和大体积。因空气压力较大，难以停在中间位置的压缩，速度不好控制，慢反应动作不顺畅，它有一个影响，仅在控制位置，而润滑不良，气动系统易于锈，以降低冲击时产生停止压力系统配备有速度控制机构或者缓冲机构。电气型：驱动系统由一个电机驱动，三相感应电动机来驱动力，具有较大的减速比减速，以驱动致动器;直线运动是由电机螺杆螺母机构驱动；易电源，信号传输，操作方便，响应速度快，适用于工业化机器人的驱动力，但必须使用减速构件（例齿轮减速机，谐波齿轮减速机）的优势，所需的电机是步进电机直流伺服电动机和交流伺服电机。选择和计算齿轮和通用机械传动装置是基本相同的。然而，要满足机器人传输紧凑，重量轻，惯性和小尺寸的要求，要求消除的驱动器空间，增加其运动和位置精度。除了传动齿轮，蜗杆传动，链传动；行星齿轮驱动器，但也常用丝杠，谐波齿轮，同步带和绳索的驱动器。经过综合考虑系统的平衡性，这个机械手采用直接连接传动，间接驱动。交流伺服电机（在未通电，有自锁转矩），传送装置用齿轮传动和丝杠传动，所使用的每个关节的驱动方法如下：（1） 机座回转：交流伺服电机通过一对正齿轮驱动垂直方向，驱动机器人的整体移动。（2） 大臂回转的肩关节：安装在驱动齿轮的基础上，从而带动围绕肩部的转动臂，产生上下运动的交流伺服电机，这种运动是由电机驱动。（3） 小臂的上下运动：这个运动由电机安装在驱动臂，其驱动电机驱动。（4） 小臂的回转运动：这个运动由电动机控制运动。（5） 手腕的回转运动：这个运动由腕部的电动机驱动。（6） 手腕的上下运动：这个运动是由电机驱动的腕部带动（手腕内部结构有两个电机）。1.2.2机械手的机能和特性机械手最显著特点如下：（1） 可编程生产自动化的快速发展为灵活的自动化。机器人可以随需要改变他们的工作环境被重新编程，所以它是在小批量多品种具有灵活的制造过程，以平衡的高效率可以起到很好的作用，是一种灵活的制造系统（FMS）是一种重要的组件。（2） 拟人机械手在人样手臂，手腕，夹持器和其他部件在控制计算机的机械结构。之夕卜，还有许多智能机器人类似人类的“生物传感器”：接触传感器，力传感器，负荷传感器。传感器提高了机械手对周围环境的熟悉能力。[6]（3） 通用性除了特殊机器人设计，在一般情况下，机器人具有在各种操作任务的执行良好的通用性。例如，替换的操作（夹持器，工具等）的操纵手端可以执行不同的工作任务。（4） 机电一体化主题机器人技术涵盖范围很广，但总结了机械科学和微电子技术的应用，特别是密切相关的计算机技术的应用。因此，机器人的发展体现一个发展中国家的发展水平，科学技术、工业技术也得到了体现。1.2.3躯干和传动系统机械手驱动器有液压，气动，电气和机械四种，本设计采用集成的传输方式，ARM使用电力驱动，同时使用气动手爪。（1） 夹紧机构工件机器人抓取一部分。因此，要准确，快速地抓住工件是最低要求的设计。当我们设计时，首先要知道的具体要求的机器人坐标，速度和加速度，还要考虑物体的重量被夹住，尺寸和惯性被计算。还需要考虑的夹持器开口的尺寸，以确保有足够的开口抓住物品。为了防止工件被夹紧时损坏，我们必须添加的接触部分有弹性。在一个夹紧机构的形式有很多种，吸盘状，用机械中，为了简洁我们的设计，因此，我们使用机械夹持机构。机械夹紧机构是用途很广泛的，它主要是更多的人可以与动作协调，可以线性运动，等等。本次决定用二指气动手爪，利PLC技术来完成他们的动作。（2） 躯干躯干和从机箱臂是由两部分组成。底盘支撑机器人本体的重量，仅在其中发挥设计的支撑作用。机器人臂的主要部分是它的功率由机器和连杆等的联合行动，是用于支承和调整手腕和端部位置的装置，它主要是一个支撑发挥作用夹纱器，其还通过编程控制器，用于控制所述电磁阀驱动气动气缸的控制臂来完成各种动作的脉冲信号。1.3课题研究背景及意义移动机器人平台涉及机械，电子，无线电通讯，视觉系统，模式识别和许多学科的智能控制，将研究基于移动机器人技术的未来的各个方面（如导航，视觉，模糊控制，神经网络等）提供了一个很好的平台。机器人被安装在移动平台上，这种结构允许机器人几乎有无限的工作空间和运动多余的高度，和行动执行功能，这使得它比其他移动机器人和机械手更好;另外，在移动平台上的机械手不仅有不一样的动力学机构，但有很强的结合，一些移动平台也不完整。因此，这样的系统问题的研究都具有重大的理论意义和实践意义。⑵2校园垃圾拾捡机器人总原理2.1机器人总原理图图2-1机器人总原理2.2机器人的操控过程当机器人工作，启动遥控器按钮，移动电源控制按钮，电源，控制线远程控制机器人工作区，全自动化操作按钮启动机器人，机器人进入自主运动。机器人利用视觉传感器到达垃圾位置：当在机器人视野内没有发现垃圾，机器人继续向前行驶，寻找目标，直到你找到它的范围之内发现的垃圾，移动平台不会运行，启动机器人控制系统，机器人操作器通过调节传感器的位置被对准，使得机械爪闭合，抓住，垃圾机器人与垃圾方向旋转的转盘，打开开关爪顶端，爪完全打开，第二次遭遇一个限位开关，变为自由的初始状态的机器人。机器人继续移动去寻找垃圾。在机器人行进的过程中，搭载可以发现周围障碍物的传感器，控制转向电机起动器，控制机器人转弯，躲开障碍物。当机器人中垃圾占满垃圾桶一定量时，机器人不工作了，发出报警声。远距离操作机器人，通过无线导航系统中，将控制机器人到附近的地方将收集的垃圾丢入。机器人完成捡的全过程。两个月的毕业设计就要结束了，写到总结的时候多少有些感慨，时间不长也不短，经历了太多太多，在这回顾一下自己走过的路，算是给自己大学四年画一个圆满的句号！当时拿到这个题目，确实感觉到一头雾水，不过又很开心，因为从小就对机器人这个东西非常有兴趣。时间不是很多，先网上查了一些关于与机器人的文章，逐渐明了这个毕业设计的侧重点在哪。机械手，我试着找一些机械手的文献资料，把外文翻译做好了，有了进一步了解。查了一些原理之后把机械手的原理和一些机构整理了出来，因为机械手的样式有很多，从中选了一种更符合我课题的机械手，使用CAD去尝试绘制手爪，当然因为长时间不接触CAD了，自己有些吃力，通过看书询问同