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校園垃圾拾撿機器人控制機構設計
學校代碼：10410
序 號：100997
本 科 畢 業(yè) 設 計
題目： 校園垃圾拾撿機器人撿拾機構設計
學 院： 工 學 院
姓 名： 翁胤容
學 號： 20100997
專 業(yè)： 農業(yè)機械化及其自動化
年 級： 農機101
指導教師： 饒洪輝
二O一四年 五 月 十 日
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校園垃圾拾撿機器人撿拾機構設計
摘要
隨著經濟的快速發(fā)展和人民生活水平的日益提高，垃圾排放量與日俱增，對環(huán)境的壓力越來越大，特別是校園這種人口密集的地方，每天都在制造大量的垃圾，如廢紙、塑料、廢電池、果皮等。為了讓校園保持清潔就必須要費大的人力物力和財力等。
如果設計一種校園拾撿垃圾機器人就可以解決很大的麻煩， 校園撿垃圾機器人機器人是一個集環(huán)境感知、動態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多種功能于一體的綜合系統(tǒng)。撿垃圾機械手是由全液壓控制，機械手固定在移動平臺上構成的一類特殊的移動機器人系統(tǒng)。其中機械手用來實現如抓取、操作等動作，平臺的移動用來擴展機械手的工作空間，使機械手能以更合適的姿態(tài)執(zhí)行任務，機械手的加入也極大的提高了移動機器人的性能。
關鍵詞: 校園；垃圾拾撿機器人；撿拾機構。
Abstract
With the rapid economic development and increasing people's living standards, waste emissions by increasing the pressure on the environment increasing, Specially campus this kind of densely population place , every day is making massive trash , such as waste paper, plastics, batteries, fruit, etc. . In order for the campus must be kept clean on the charges of human material and financial resources and so on.
If you design a campus that is garbage robot can solve a lot of trouble, the campus garbage robot is a robot environment-aware, dynamic decision-making and planning, such as acts of control and the implementation of multiple functions in one integrated system. Manipulator garbage from the entire hydraulic control, mechanical hand fixed in the mobile platform consisting of a special kind of mobile robot system. Manipulator which is used to achieve, such as crawling, operation moves to expand mobile platform, manipulator of the working space, so that robot can be a more appropriate gesture tasks, the addition of robot is also greatly improved the performance of the mobile robot
Key words : campus ; Trash ascends to pick the robot ;Pick mechanism
校園垃圾拾撿機器人撿拾機構設計
目錄
摘要····································································································I
Abstract·····························································································II
第一章 緒論······················· ······························································1
1.1移動機器人概述·················································································1
1.2·移動機械手平臺系統(tǒng)········································································· 1
1.3校園垃圾拾撿機器人意義····································································1
第二章 機器手整體設計································································2
2.1運動機構及機械手簡介········································································2
2.2 機械手整體方案設計··········································································2
2.3手腕及手臂的設計········································································· 2
2.4機械手工作原理示意圖······································································ 4
第三章 液壓系統(tǒng)整體設計··························································· 4
3.1液壓系統(tǒng)控制油路圖·········································································· 5
3.2液壓控制優(yōu)點..........................................................................................................7
3.3液壓缸的選擇·····················································································7
3.3.1 爪子液壓缸的選擇······································································7
3.3.2 兩個手臂的油缸的選擇································································8
3.3.3 擺動液壓缸的選擇········································································8
3.4液壓泵的選擇·················································································· 10
3.5校核································································································12
3.6 其它元件的選擇···············································································15
3.7 本章小結························································································ 15
第四章總結·····················································································16
參考文獻···························································································17
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第一章 緒論
1.1移動機器人概述
移動機器人的研究始于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
動機器人。目的是研究應用人工智能技術，在復雜環(huán)境下機器人系統(tǒng)的自主
推理、規(guī)劃和控制。與此同時，最早的操作式步行機器人也研制成功，從而
開始了機器人步行結構方面的研究，以解決機器人在不平整地域內的運動問
題，設計并研制出了多足步行機器人。70年代末，隨著計算機的應用和傳感
器技術的發(fā)展，移動機器人研究又出現了新高潮。特別是在80年代中期，設
計和制造機器人的浪潮席卷全世界，一大批世界著名的公司開始研制移動機
器人平臺，這些移動機器人主要作為大學及研究機構的移動機器人實驗平臺，
從而促進了移動機器人學多種研究方向的出現。90年代以來，以研制高水平
的環(huán)境信息傳感器和信息處理技術，高適應性的移動機器人控制技術，真實
環(huán)境下的規(guī)劃技術為標志，開展了移動機器人更高層次的研究。
1.2移動機械手平臺系統(tǒng)
移動機械手是由機械手固定在移動平臺上構成的一類移動機器人系統(tǒng)。其中機械手用來實現如抓取、操作等動作，平臺的移動用來擴展機械手的工作空間，使機械手能以更合適的姿態(tài)執(zhí)行任務，同時機械手的加入也極大提高了移動機器人的性能。移動機器人體系結構的設計就是要把感知、建模、規(guī)劃、決策、行動等多種模塊有機地結合起來，建立在動態(tài)環(huán)境中完成目標任務的一個或多個機器人結構框架。
1.3校園垃圾拾撿機器人意義
目前校園中存在著廣泛的一種現象，那就是每天會產生大量的校園垃圾，如果這些垃圾不能被及時的撿拾及處理的話，將會嚴重的破壞校園形象和影響校園環(huán)境。因此如果能在依賴清潔工之外，設計出能在校園平坦的地面上行駛，并能實現拾撿常見垃圾（如紙張，瓶罐，塑料袋等）動作的一種小巧的校園垃圾拾撿機器人，不僅能減輕清潔工的工作負擔，同時也無疑會是校園中一道獨特靚麗的風景線。這也就是本次設計的目的所在。
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第二章 機械手整體設計
2.1 運動機構及機械手簡介
運動機構 一般由液壓、氣動、電氣裝置驅動。運動機構的升降、伸縮、旋轉等獨立運動方式， 稱為機械手的自由度 。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6 個自由度。自由度是機械手設計的關鍵參數。自由度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結構也越復雜。本設計采用5 自由度機械手。
機械手的種類，按驅動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械 手；按適用范圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點 位控制和連續(xù)軌跡控制機械手等。本設計才用液壓式驅動，因為其結構簡單，尺寸緊 湊，控制方便，驅動力大。機械手的組成及各部分關系概述
機械手由三大部分（機械部分、傳感部分、控制部分）六個子系統(tǒng)（驅動系統(tǒng)、機械結構系統(tǒng)、感受系統(tǒng)、機器人-環(huán)境交互系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)、控制系統(tǒng)）組成。
機械結構系統(tǒng)：機器人的機械結構又主要包括末端操作器、手腕、手臂、機身（立柱）。
驅動系統(tǒng)：驅動器是把從動力源獲得的能量變換成機械能，使機器人各關節(jié)工作的裝置，常見的驅動形式有步進電機驅動、直流電機驅動、交流電機驅動、液壓驅動、氣壓驅動以及近些年出現的一些特殊的新型驅動（例如超聲波驅動、磁致伸縮驅動、靜電驅動等）。
控制系統(tǒng)：機器人的控制方式多種多樣，根據作業(yè)任務不同，主要可分為點位控制方式（PTP）、連續(xù)軌跡控制方式（CP）、力（力矩）控制方式和智能控制方式。
自由度機械手能夠手抓張合，手部回轉，手臂伸縮，手臂回轉，手臂升降， 5 個主要運動。
2.2 機械手整體方案設計
考慮本機械手工作要求的特殊情況，本設計采用懸臂式五自由度的機械手： 自由度具體分配如下： 1）手臂回轉自由度。擬采用液壓馬達來實現，液壓馬達通過齒輪傳動通過 帶動與之相連的缸體也發(fā)生轉動，從而實現機身的回轉。其行程角度靠擋塊和限 位行程開關來調整。 2）手臂俯仰自由度。機器人的手臂俯仰運動，一般采用活塞油（氣）與連 桿機構聯用來實現。設計中擬采用單活塞桿液壓缸來實現，缸體采用尾部耳環(huán)與 機身連接，而其活塞桿的伸出端則與手臂通過鉸鏈相連。其行程大小靠擋塊和限 位行程開關來調整。 3）手臂伸縮自由度。由于油缸或氣缸的體積小，質量輕，因而在機器人手 臂結構中應用較多。設計中擬采用單活塞桿液壓缸來實現，其伸縮行程大小靠擋 塊和限位行程開關來調整。 4）手腕俯仰自由度。擬采用液壓缸來實現。其行程角度靠擋塊和限位行程開關來調整。 5）手爪的抓取自由度。擬采用液壓缸來實現。其行程角度靠擋塊和限位行程開關來調整。
2.3 手腕及手臂的設計
手腕的設計分析：機器人手腕是連接末端操作器和手臂的部件，它的作用是調節(jié)或改變工件方位，因而它具有獨立的自由度，以使機器人末端操作器適應復雜的動作要求。此處手腕需實現手部的翻轉（Roll）動作,腕部結構主要體現在手部相對于臂部的旋轉運動上。
手臂的設計分析：手臂是機器人執(zhí)行機構中重要的部件，它的作用是將被抓取的工件運動到給定的位置上。手臂的結構要緊湊小巧，才能使手臂運動輕快、靈活。
手臂一般有伸縮運動、左右回轉運動、升降（或俯仰）運動三個自由度。在一般情況，手臂的伸縮和回轉、俯仰均要求勻速運動，但在手臂的起動和終止瞬間，運動是變化的，為了減少沖擊，要求起動時間的加速度和終止前速度不能太大，否則引起沖擊和振動。伸縮運動一般采用直線液壓缸驅動，俯仰運動大多采用伸縮單作用（單活塞桿）驅動，而回轉運動則大多用回轉缸或齒條缸來實現。
本設計采用單作用（單活塞桿）缸來實現手臂的伸縮。為了增加手臂的剛性，防止手臂在伸縮運動時繞軸線轉動或產生變形，手臂的伸縮機構需設置導向裝置，或設計方形、花鍵等形式的臂桿。
手臂俯仰運動用單作用（單活塞桿）缸來驅動。直線油缸的缸底與機身通過鉸鏈相連，而油缸活塞桿的伸出端則與臀部鉸接，這樣當壓力油進入油缸時就驅動活塞桿反復運動，通過活塞桿的運動就使與其相連的手臂形成了俯仰的運動。由于俯仰油缸是是采用底部耳環(huán)擺動式直線缸，所以在活塞桿反復運動的同時，缸體可在平面內擺動。
對于懸臂式的機械手，還要考慮零件在手臂上的布置，就是要計算手臂移動零件時的重量對回轉、升降、支承中心的偏重力矩。偏重力矩對手臂運動很不利，偏重力矩過大，會引起手臂的震動，在升降時還會發(fā)生一種沉頭現象，也會影響運動的靈活性，嚴重時手臂與立柱會卡死。所以在設計手臂時要盡量使手臂重心通過回轉力矩，或離回轉中心要盡可能地近，以減少偏重力矩。為減少轉動慣量：1）可減少手臂運動件的輪廓尺寸 2）減少回轉半徑，在安排機械手動作順序時，盡可能在較小的前伸位置進行回轉動作 。
2.4 機械手工作原理圖
圖 2.1機械手示意圖
由圖可以看出擺動液壓缸4帶動上面的轉臺轉動從而帶動整個機器手轉動，液壓缸1的伸縮帶動大手臂的擺動，液壓缸2的伸縮帶動小手臂的擺動，液壓缸3的伸縮帶動爪子的張開與閉合。
第三章 液壓系統(tǒng)整體設計
3.1 液壓系統(tǒng)控制油路圖
由圖2.2可以看出4個電磁換向閥分別控制4個油缸，換向閥與油缸之間用鎖緊回路連接這樣就可以使油缸準確的停在某一個位置從而提高機械手的工作精準度。
1YA 接通時當油路里的壓力過高則開通溢流閥降壓。
2YA 接通時爪子張開。
3YA 接通時爪子閉合抓緊垃圾。
4YA 接通時手臂1向下擺動。
5YA 接通時手臂1向上擺動。
6YA 接通時手臂2向后擺動。
7YA 接通時手臂2向前擺動。
8YA 接通時整個機械手順時針擺動。
9YA 接通時整個機械手逆時針擺動。
10S 行程開關控制爪子的松開。
11S 行程開關控制擺動液壓缸的擺動。
調速閥控制機械手抓緊垃圾的速度。
電磁比例溢流閥可以按比例控制油路里的壓力從而控制整個機械手運動的速度。
工作過程：當爪子抓緊垃圾是感應開關同時使5YA和9YA得電控制手臂油缸1和單葉片擺動油缸進油，手臂向上擺動達到水平位置5YA失電，同時單葉片擺動油缸逆時針擺動，當擺動油缸碰到行程開關10S時2YA得電爪子開始松開，垃圾放入垃圾箱里。當爪子完全張開時碰到行程開關11S時8YA得電單葉片擺動油缸順時針擺動，當接到撲捉垃圾信號時8YA失電使擺動停下，同時控制2YA,4YA,6YA,7YA使爪子定位到垃圾上方并抓住垃圾，再執(zhí)行上面動作。
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圖2.2
3.2 液壓控制優(yōu)點
（1）在同等功率情況下，液壓執(zhí)行元件體積小、重量輕、結構緊湊。例如同功率液壓馬達的重量約只有電動機的1/6左右。
(2) 液壓傳動的各種元件，可根據需要方便、靈活地來布置；
(3) 液壓裝置工作比較平穩(wěn)，由于重量輕，慣性小，反應快，液壓裝置易于實現快速啟動、制動和頻繁的換向；
(4)操縱控制方便，可實現大范圍的無級調速(調速范圍達2000：1)，它還可以在運行的過程中進行調速；
(5) 一般采用礦物油為工作介質，相對運動面可自行潤滑，使用壽命長；
(6) 容易實現直線運動；
(7) 既易實現機器的自動化，又易于實現過載保護，當采用電液聯合控制甚至計算機控制后，可實現大負載、高精度、遠程自動控制。
(8) 液壓元件實現了標準化、系列化、通用化，便于設計、制造和使用。
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3.3液壓的缸的選擇
3.3.1 爪子液壓缸選型
由于要使機械手上的爪子伸縮則液壓缸必須直線運動又由于液壓缸是固定在機械手臂上的，則根據（實用液壓技術手冊）表5-1選用 雙作用單桿帶不可調緩沖裝置的液壓缸。再根據（實用液壓技術手冊）表5-14選擇液壓缸的安裝方式：因為是固定在機械手臂上的，則選用“尾部耳環(huán)連接”方式固定，缸中間再用一個環(huán)套固定在機械手臂上。
由表6-0和爪子的行程設定油缸的行程為50mm可以確定爪子液壓缸的行程也為50mm，再根據（液壓傳動設計手冊）表6-4，表6-1，表6-2，表6-9，表6-17，表6-18，表6-20，可以選擇出液壓缸的內徑為40mm,活塞桿直徑為20mm，供油孔直徑為8mm，導向行程為40mm，液壓缸的外徑為50，缸體和缸蓋的連接為內螺紋連接，活塞與活塞桿的連接用螺紋連接，活塞桿端部的螺紋尺寸為M12*15。如圖2.3
圖2.3
3.3.2 兩個手臂油缸的選型
和3.3.1大體一樣，因為機械手臂是在擺動的，則液壓缸也是隨著手臂擺動的，則選用液壓缸缸端部為“尾部耳環(huán)連接”方式連接而不須用環(huán)套，不過活塞桿端部不是用螺紋連接而是用單耳環(huán)連接。單耳環(huán)的尺寸為內徑為16mm，外徑為32mm，厚度為20mm。如圖2.4
6
圖2.4
活塞缸的速度比：
3.3.3 擺動液壓缸的選擇
現在市場上有兩種擺動液壓缸，葉片擺動液壓缸和螺旋擺動液壓缸。對兩種液壓缸進行比較發(fā)現螺旋擺動液壓缸的擺動效果不好，轉矩不大，可密封效果較好，而擺動液壓剛結構緊湊，輸出轉矩大，密封效果較差。但對于中低壓系統(tǒng)中往復擺動，轉位或間歇運動的地方有很好的優(yōu)勢，則選用擺動液壓缸。
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擺動液壓缸有分為單葉片擺動液壓缸和多葉片擺動液壓缸，單葉片擺動液壓缸的最大轉角不超過280度，多葉片擺動液壓缸的最大轉角不超過150度。而本文設計的機械手擺動角度為180度，則選用單葉片擺動液壓缸。
根據液壓設計手冊上的經兩種擺動液壓缸規(guī)格如下表6-43，試選用型號為BM-150。
表6-43 擺動液壓缸技術參數表
表 6-0 活塞行程系列 (mm)
注，GB 2349-80 按優(yōu)先次序給出了三個系列值，
本表僅摘錄了第1表（優(yōu)先系列）中至500mm的系列值。
表6-1 液壓缸內徑尺寸系列（mm）
見 液壓缸活塞桿外徑尺寸系列 表6-2
表6-2 液壓缸活塞桿外徑尺寸系列（mm）
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圖為所選用的擺動液壓缸
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3.4 液壓泵的選擇
目前市場上使用廣泛，而齒輪泵的優(yōu)點有：
1 結構簡單緊湊，體積小，工藝性好。
2 自吸性能好，無論在高轉速或低轉速均能可靠地實現自吸。
3 轉速范圍大，由于齒輪泵的轉動部分基本上時平衡的，因而轉速可以很高。
4 油液中的污物對其工作影響不嚴重，并可以傳輸粘度較大的油
雖然齒輪泵的缺點是：噪音大，脈動大，限制了壓力的提高。但這些并不影響機器手的工作。所以選擇齒輪泵為液壓缸提供壓力。
液壓缸的排量：
V1：活塞缸的最大排量。
V2：擺動缸的最大排量。
d： 為活塞直徑。
h：為活塞缸的行程。
d1：葉片直徑。
d2：葉片軸直徑。
h1：葉片高度。
根據上面的總排量和液壓傳動設計手冊上表2-2選用型號為GB-B40型齒輪油泵。
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3.5校核
（1）活塞缸推力的計算。
對于無活塞桿的那邊油腔進油時，油缸活塞桿向外推出的推力為：
式中： p為工作壓力。
：油缸機械效率，在工程機械中用耐油橡膠密封式可取
圖 2-5
對于有活塞桿一端進油時油缸活塞桿向缸內收進時的拉力：
（2） 缸體與缸底用電焊連接時的焊縫應力：
焊接材料選用 Z208 其抗拉應力為148 kgf/cm3
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式中 P 為油缸推力。
為焊接效率，可取 。
D1 為缸外徑。
d1 約為缸內徑。
式中： 為焊條材料的抗拉強度。
n 為安全系數 一般取3.3~4。
則焊條材料符合。
（3） 缸體與缸蓋的螺紋連接計算：
根據液壓傳動設計手冊里所說的 油缸缸體的常用材料為20，35，45號鋼的無縫鋼管。20號鋼用的較少，因其機械性能底而且不能調質。與缸頭，缸底，管接頭，耳軸等零件焊接的缸體用35號鋼，并在粗加工后調質。不與其他零件焊接在一起的用45號鋼。我們可以選定缸體的材料為35號鋼。其屈服強度為315 kgf/cm2
螺紋處的拉應力：
螺紋處的剪切應力：
合應力為：
12
許用應力：
可以看出
則選用35號鋼可以。
（4）液壓缸的運動速度和推力：
活塞缸；
當無活塞桿端進油時；
當有活塞桿端進油時；
擺動液壓缸：
轉矩 T
13
轉角速度
3.6 其它元件的選擇
（1）液壓油的選擇：液壓油應具有適當的粘度和粘溫性能；有消泡性良好，壓縮性小；閃點高，油的蒸氣分離壓力??；流動性好；不使密封材料膨脹，硬化等過度變質；在各種溫度，壓力，速度等運轉條件下，具有良好的潤滑性能。抗乳化性和抗氧化性好。
根據液壓手冊上所列的類型，選用最普通的為 20號機械油。
（2）密封圈的選擇： 由于活塞缸是雙作用的，兩邊都受到高壓作用，則根據液壓手冊選用V型密封圈。
（3） 螺栓的選擇：根據擺動缸上連接孔的大小和螺栓表可以選擇M8型螺栓。
（4） 銷釘的選擇： 根據活塞桿端部的耳環(huán)內徑可以選擇直徑為16的銷。
（5） 機械手臂采用鋁合金材料制造以減少重量。
3.7 本章小結
本章主要介紹了機械手的工作原理有手臂的旋轉，伸縮和擺動。還介紹了各個部件的設計與選擇，主要有液壓缸的 選擇和液壓泵的選擇。最后是各個小零件的選擇。
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第四章 總結
移動機械手是具有機械手臂的移動機器人，有幾乎無限大的工作空間和
高度運動冗余等優(yōu)點，并同時具有移動和操作功能，一直是機器人技術領域
一個重要的研究課題。近年來，隨著“勇氣號”探測器成功登陸火星并完成
了一系列的考察工作，對更先進移動機械手的研究和開發(fā)再一次引起了人們
的注意。目前，國內外都在競相開展有關移動機械手的基礎理論、基本技術
以及應用方面的研究工作。
本論文在參考了國內外相關文獻的基礎上，對撿垃圾機器手進行了粗體設計，簡述了機器手的工作原理和手臂的各個運轉狀態(tài)，對機器手的控制采用了了全液壓控制方式，控制液壓系統(tǒng)采用了換向閥和行程開關再加上軟件系統(tǒng)進行控制，由攝像頭撲捉垃圾通過信號控制著液壓缸的進出油從而控制手臂的擺動和爪子的抓緊力再根據行程開關控制著手臂的轉動，擺動和爪子的張開。
文中所述的控制還不是很精準，好多的細節(jié)還不是一時半會可以解決的，必須經過長時間的研究和摸索才可以使這機械手達到真正的可行性工作。
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參考文獻`
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致 謝
本設計是在饒洪輝導師的精心指導下完成的。在我讀大學期間，導師淵博的學識、嚴謹治學的作風和精益求精的精神使我受益非淺。在我畢業(yè)課題的設計中，導師的想法給予我很多的啟發(fā)和幫助，使我能順利完成課題的研究和論文的撰寫。在本論文即將結稿時，我要向導師表示最衷心的感謝。
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