校园垃圾拾捡机器人捡拾机构设计.docx

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校园垃圾拾捡机器人捡拾机构设计

学校代码：

10410

序号：

100997

本科毕业设计

题目：

校园垃圾拾捡机器人捡拾机构设计

学院：

工学院

姓名：

翁胤容

学号：

20100997

专业：

农业机械化及其自动化

年级：

农机101

指导教师：

饶洪辉

二O一四年五月十日

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；捡拾机构。

Abstract

Withtherapideconomicdevelopmentandincreasingpeople'slivingstandards,wasteemissionsbyincreasingthepressureontheenvironmentincreasing,Speciallycampusthiskindofdenselypopulationplace,everydayismakingmassivetrash,suchaswastepaper,plastics,batteries,fruit,etc..Inorderforthecampusmustbekeptcleanonthechargesofhumanmaterialandfinancialresourcesandsoon.

Ifyoudesignacampusthatisgarbagerobotcansolvealotoftrouble,thecampusgarbagerobotisarobotenvironment-aware,dynamicdecision-makingandplanning,suchasactsofcontrolandtheimplementationofmultiplefunctionsinoneintegratedsystem.Manipulatorgarbagefromtheentirehydrauliccontrol,mechanicalhandfixedinthemobileplatformconsistingofaspecialkindofmobilerobotsystem.Manipulatorwhichisusedtoachieve,suchascrawling,operationmovestoexpandmobileplatform,manipulatoroftheworkingspace,sothatrobotcanbeamoreappropriategesturetasks,theadditionofrobotisalsogreatlyimprovedtheperformanceofthemobilerobot

Keywords:

campus;Trashascendstopicktherobot;Pickmechanism

摘要····································································································I

Abstract·····························································································II

第一章绪论·····················································································1

移动机器人概述·················································································1

·移动机械手平台系统·········································································1

校园垃圾拾捡机器人意义····································································1

第二章机器手整体设计································································2

运动机构及机械手简介········································································2

机械手整体方案设计··········································································2

手腕及手臂的设计·········································································2

机械手工作原理示意图······································································4

第三章液压系统整体设计···························································4

液压系统控制油路图··········································································5

液压控制优点..........................................................................................................7

液压缸的选择·····················································································7

爪子液压缸的选择······································································7

3.3.2两个手臂的油缸的选择································································8

3.3.3摆动液压缸的选择········································································8

液压泵的选择··················································································10

校核································································································12

3.6其它元件的选择···············································································15

3.7本章小结························································································15

第四章总结·····················································································16

参考文献···························································································17

第一章绪论

移动机器人概述

移动机器人的研究始于60年代末期，斯坦福研究院（SR）I的NiISSen和

CharleSRosen等人，在1966年至1972年中研造出了取名Shakey的自主移

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。

移动机械手平台系统

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。

目前校园中存在着广泛的一种现象，那就是每天会产生大量的校园垃圾，如果这些垃圾不能被及时的捡拾及处理的话，将会严重的破坏校园形象和影响校园环境。

因此如果能在依赖清洁工之外，设计出能在校园平坦的地面上行驶，并能实现拾捡常见垃圾（如纸张，瓶罐，塑料袋等）动作的一种小巧的校园垃圾拾捡机器人，不仅能减轻清洁工的工作负担，同时也无疑会是校园中一道独特靓丽的风景线。

这也就是本次设计的目的所在。

第二章机械手整体设计

2.1运动机构及机械手简介

运动机构一般由液压、气动、电气装置驱动。

运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。

为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。

自由度是机械手设计的关键参数。

自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。

本设计采用5自由度机械手。

机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。

本设计才用液压式驱动，因为其结构简单，尺寸紧凑，控制方便，驱动力大。

机械手的组成及各部分关系概述

机械手由三大部分（机械部分、传感部分、控制部分）六个子系统（驱动系统、机械结构系统、感受系统、机器人-环境交互系统、人机交互系统、控制系统）组成。

机械结构系统：

机器人的机械结构又主要包括末端操作器、手腕、手臂、机身（立柱）。

驱动系统：

驱动器是把从动力源获得的能量变换成机械能，使机器人各关节工作的装置，常见的驱动形式有步进电机驱动、直流电机驱动、交流电机驱动、液压驱动、气压驱动以及近些年出现的一些特殊的新型驱动（例如超声波驱动、磁致伸缩驱动、静电驱动等）。

控制系统：

机器人的控制方式多种多样，根据作业任务不同，主要可分为点位控制方式（PTP）、连续轨迹控制方式（CP）、力（力矩）控制方式和智能控制方式。

自由度机械手能够手抓张合，手部回转，手臂伸缩，手臂回转，手臂升降，5个主要运动。

2.2机械手整体方案设计

考虑本机械手工作要求的特殊情况，本设计采用悬臂式五自由度的机械手：

自由度具体分配如下：

1）手臂回转自由度。

拟采用液压马达来实现，液压马达通过齿轮传动通过带动与之相连的缸体也发生转动，从而实现机身的回转。

其行程角度靠挡块和限位行程开关来调整。

2）手臂俯仰自由度。

机器人的手臂俯仰运动，一般采用活塞油（气）与连杆机构联用来实现。

设计中拟采用单活塞杆液压缸来实现，缸体采用尾部耳环与机身连接，而其活塞杆的伸出端则与手臂通过铰链相连。

其行程大小靠挡块和限位行程开关来调整。

3）手臂伸缩自由度。

由于油缸或气缸的体积小，质量轻，因而在机器人手臂结构中应用较多。

设计中拟采用单活塞杆液压缸来实现，其伸缩行程大小靠挡块和限位行程开关来调整。

4）手腕俯仰自由度。

拟采用液压缸来实现。

其行程角度靠挡块和限位行程开关来调整。

5）手爪的抓取自由度。

拟采用液压缸来实现。

其行程角度靠挡块和限位行程开关来调整。

2.3手腕及手臂的设计

手腕的设计分析：

机器人手腕是连接末端操作器和手臂的部件，它的作用是调节或改变工件方位，因而它具有独立的自由度，以使机器人末端操作器适应复杂的动作要求。

此处手腕需实现手部的翻转（Roll）动作,腕部结构主要体现在手部相对于臂部的旋转运动上。

　　手臂的设计分析：

手臂是机器人执行机构中重要的部件，它的作用是将被抓取的工件运动到给定的位置上。

手臂的结构要紧凑小巧，才能使手臂运动轻快、灵活。

　　手臂一般有伸缩运动、左右回转运动、升降（或俯仰）运动三个自由度。

在一般情况，手臂的伸缩和回转、俯仰均要求匀速运动，但在手臂的起动和终止瞬间，运动是变化的，为了减少冲击，要求起动时间的加速度和终止前速度不能太大，否则引起冲击和振动。

伸缩运动一般采用直线液压缸驱动，俯仰运动大多采用伸缩单作用（单活塞杆）驱动，而回转运动则大多用回转缸或齿条缸来实现。

本设计采用单作用（单活塞杆）缸来实现手臂的伸缩。

为了增加手臂的刚性，防止手臂在伸缩运动时绕轴线转动或产生变形，手臂的伸缩机构需设置导向装置，或设计方形、花键等形式的臂杆。

手臂俯仰运动用单作用（单活塞杆）缸来驱动。

直线油缸的缸底与机身通过铰链相连，而油缸活塞杆的伸出端则与臀部铰接，这样当压力油进入油缸时就驱动活塞杆反复运动，通过活塞杆的运动就使与其相连的手臂形成了俯仰的运动。

由于俯仰油缸是是采用底部耳环摆动式直线缸，所以在活塞杆反复运动的同时，缸体可在平面内摆动。

对于悬臂式的机械手，还要考虑零件在手臂上的布置，就是要计算手臂移动零件时的重量对回转、升降、支承中心的偏重力矩。

偏重力矩对手臂运动很不利，偏重力矩过大，会引起手臂的震动，在升降时还会发生一种沉头现象，也会影响运动的灵活性，严重时手臂与立柱会卡死。

所以在设计手臂时要尽量使手臂重心通过回转力矩，或离回转中心要尽可能地近，以减少偏重力矩。

为减少转动惯量：

1）可减少手臂运动件的轮廓尺寸2）减少回转半径，在安排机械手动作顺序时，尽可能在较小的前伸位置进行回转动作。

2.4机械手工作原理图

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。

第三章液压系统整体设计

3.1液压系统控制油路图

由图2.2可以看出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。

1YA接通时当油路里的压力过高则开通溢流阀降压。

2YA接通时爪子张开。

3YA接通时爪子闭合抓紧垃圾。

4YA接通时手臂1向下摆动。

5YA接通时手臂1向上摆动。

6YA接通时手臂2向后摆动。

7YA接通时手臂2向前摆动。

8YA接通时整个机械手顺时针摆动。

9YA接通时整个机械手逆时针摆动。

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5YA和9YA得电控制手臂油缸1和单叶片摆动油缸进油，手臂向上摆动达到水平位置5YA失电，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2YA得电爪子开始松开，垃圾放入垃圾箱里。

当爪子完全张开时碰到行程开关11S时8YA得电单叶片摆动油缸顺时针摆动，当接到扑捉垃圾信号时8YA失电使摆动停下，同时控制2YA,4YA,6YA,7YA使爪子定位到垃圾上方并抓住垃圾，再执行上面动作。

3.2液压控制优点

（1）在同等功率情况下，液压执行元件体积小、重量轻、结构紧凑。

例如同功率液压马达的重量约只有电动机的1/6左右。

（2）液压传动的各种元件，可根据需要方便、灵活地来布置；

（3）液压装置工作比较平稳，由于重量轻，惯性小，反应快，液压装置易于实现快速启动、制动和频繁的换向；

（4）操纵控制方便，可实现大范围的无级调速（调速范围达2000：

1），它还可以在运行的过程中进行调速；

（5）一般采用矿物油为工作介质，相对运动面可自行润滑，使用寿命长；

（6）容易实现直线运动；

（7）既易实现机器的自动化，又易于实现过载保护，当采用电液联合控制甚至计算机控制后，可实现大负载、高精度、远程自动控制。

（8）液压元件实现了标准化、系列化、通用化，便于设计、制造和使用。

3.3.1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（实用液压技术手册）表5-1选用双作用单杆带不可调缓冲装置的液压缸。

再根据（实用液压技术手册）表5-14选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。

3.3.2两个手臂油缸的选型

和3.3.1大体一样，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”

活塞缸的速度比：

3.3.3摆动液压缸的选择

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6-43，试选用型号为BM-150。

表6-43摆动液压缸技术参数表

表6-0活塞行程系列（mm）

注，GB2349-80按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500mm的系列值。

表6-1液压缸内径尺寸系列（mm）

见液压缸活塞杆外径尺寸系列表6-2

表6-2液压缸活塞杆外径尺寸系列（mm）

图为所选用的摆动液压缸

3.4液压泵的选择

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：

V1：

活塞缸的最大排量。

V2：

摆动缸的最大排量。

d：

为活塞直径。

h：

为活塞缸的行程。

d1：

叶片直径。

d2：

叶片轴直径。

h1：

叶片高度。

根据上面的总排量和液压传动设计手册上表2-2选用型号为GB-B40型齿轮油泵。

（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：

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2-5

对于有活塞杆一端进油时油缸活塞杆向缸内收进时的拉力：

（2）缸体与缸底用电焊连接时的焊缝应力：

焊接材料选用Z208其抗拉应力为148kgf/cm3

式中P为油缸推力。

为焊接效率，可取

。

D1为缸外径。

d1约为缸内径。

式中：

为焊条材料的抗拉强度。

n为安全系数一般取3.3~4。

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315kgf/cm2

螺纹处的拉应力：

螺纹处的剪切应力：

合应力为：

许用应力：

可以看出

则选用35号钢可以。

（4）液压缸的运动速度和推力：

活塞缸；

当无活塞杆端进油时；

当有活塞杆端进油时；

摆动液压缸：

转矩T

转角速度

3.6其它元件的选择

（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M8型螺栓。

（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。

3.7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。

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。