基于慧魚平臺的自動化搬運系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)帶開題報告.zip
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一、選題依據(jù)
1.論文(設(shè)計)題目:
基于慧魚平臺的自動化搬運系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)2.研究領(lǐng)域:
慧魚平臺、單片機領(lǐng)域、機電控制領(lǐng)域。
3.論文(設(shè)計)工作的理論意義和應(yīng)用價值:
物資由原材料到產(chǎn)品的生成,由生產(chǎn)到消費的過程中,物料搬運作業(yè)是十分必要 的,搬運工作的好壞將直接影響到物流成本的高低。如果搬運方案不合理,將會對生 產(chǎn)作業(yè)的順利進行造成不利影響,造成作業(yè)時間的浪費,產(chǎn)品的損壞,進而降低生產(chǎn) 率。所以在國家制造業(yè)迅速發(fā)展的今天,物料搬運系統(tǒng)的研究是非常必要的。在制造 企業(yè)中引入物料搬運方案,可以有效提高搬運效率,合理安排生產(chǎn)時間,節(jié)約人力資 源,減少機器加工等待時間,讓更多的生產(chǎn)力投入到產(chǎn)品的加工中去,從而提高企業(yè) 的競爭力。合理優(yōu)化物料搬運路線,選擇合適的搬運單元和搬運工具,可以減少物料 中轉(zhuǎn)的復(fù)雜程度,減少物料在中轉(zhuǎn)過程中的損耗,便于生產(chǎn)車間的合理布局和管理。 對于一個自動化搬運系統(tǒng)而言,搬運機器人是其中的核心所在。搬運機器人是可
以進行自動化搬運作業(yè)的工業(yè)機器人,用一種設(shè)備握持工件,是指從一個加工位置移 到另一個加工位置。搬運機器人可安裝不同的末端執(zhí)行器以完成各種不同形狀和狀態(tài) 的工件搬運工作,大大減輕了人類繁重的體力勞動。
在現(xiàn)代生產(chǎn)過程中,自動化搬運系統(tǒng)中的核心就是搬運機器人的研發(fā)。而機器人 的研制和生產(chǎn)已迅速發(fā)殿起來的一門新興的技術(shù),搬運機器人可以很好地實現(xiàn)與機械 化和自動化的有機結(jié)合。搬運機械人雖然目前還不如人那樣靈活,但它具有能不斷重 復(fù)工作和勞動,不知疲勞,不怕危險,抓舉重物的力量比人手力大的特點。因此,搬 運機械人越來越廣泛地得到了應(yīng)用,也是今后工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。
4.目前研究的概況和發(fā)展趨勢
在國內(nèi)外研究領(lǐng)域里,自動化搬運系統(tǒng)的研究主要是在生產(chǎn)物流系統(tǒng)方面。美國 工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)過程中裝卸搬運費用占成本的 20%~30%,德國企業(yè)物料搬運費用占營業(yè)額的 1/3,日本物料搬運費用則占國民生產(chǎn)總值的 10.73%??梢姡锪习徇\系統(tǒng)在國外的研究已經(jīng)開始起步,并逐漸進入發(fā)展成熟階段。近幾十年來,隨著我國科學(xué) 技術(shù)水平的快速發(fā)展,我國開始逐漸重視物料搬運水平的提高。從最初的簡單人力搬 運,到機械化搬運水平的過渡,雖然還沒有完全實現(xiàn)現(xiàn)代化的物料搬運水平,但是各 個制造企業(yè)已經(jīng)開始逐步在生產(chǎn)中引入物料搬運系統(tǒng)分析的方法以及機械化的搬運 設(shè)備。隨著對物料搬運的逐漸重視和發(fā)展,我國制造企業(yè)的生產(chǎn)力水平也在逐漸提高, 生產(chǎn)率和利潤在同步提升。越來越多的國內(nèi)企業(yè)看到了物料搬運對于企業(yè)發(fā)展的重要 程度,在國內(nèi),物料搬運的發(fā)展,進入了一個新的階段。雖然我國的物料搬運技術(shù)與 世界上發(fā)展中國家還是有一定差距,但是隨著企業(yè)的共同努力,我國的物料搬運水平 將會逐漸與國際先進水平接軌。
隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù)的提高,機器人設(shè)計生產(chǎn)能力進一步得到加強,尤其當機器 人的生產(chǎn)和柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合,從而改變目前機械制造的人工操作 狀態(tài),提高了生產(chǎn)效率。就目前來看,總的來說現(xiàn)代工業(yè)機器人有以下幾個發(fā)展趨勢;
(1)提高運動速度和運動精度,減少重量和占用空間,加速機器人功能部件的標 準化和模塊化,將機器人的各個機械模塊、控制模塊、檢測模塊組成構(gòu)件不同的機器 人;
(2)開發(fā)各種新型結(jié)構(gòu)用于補貼類型的場合,如開發(fā)微動機構(gòu)用以保證精度,開 發(fā)多關(guān)節(jié)多自由度的手臂和手指;開發(fā)各類行走機器人,以適應(yīng)不同的場合;
(3)研制各類傳感器及檢測元器件,如,觸覺、視覺、聽覺、味覺、和測距傳感 器等,用傳感器獲得工作對象周圍的外界環(huán)境信息、位置信息、狀態(tài)信息已完成模式 識別、狀態(tài)檢測。并采用專家系統(tǒng)進行問題求解、動作規(guī)范,同時,越來越多的系統(tǒng) 采用微機進行控制。
二、論文(設(shè)計)研究的內(nèi)容
1.重點解決的問題:
(1)自動化搬運系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的搭建;
(2)電路之間的連接;
(3)慧魚平臺的使用;
(4)多個傳感器的使用;
(5)舵機與電機的控制。
2.擬開展研究的幾個主要方面(論文寫作大綱或設(shè)計思路)
(1)自動化搬運系統(tǒng)的概況;
(2)慧魚平臺的介紹;
(3)機械手臂的搭建;
(4)機械小車的搭建;
(5)傳感器的選擇;
(6)電路的規(guī)劃與編程的設(shè)計;
(7)預(yù)期的功能;
(8)總結(jié)。
3.本論文(設(shè)計)預(yù)期取得的成果:
完成一個搬運系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)的搭建,慧魚程序的編輯,傳感器、舵機、電機控 制方案的設(shè)計,并成功實現(xiàn)一個自動化搬運系統(tǒng),使之可以應(yīng)用于工業(yè)自動化生產(chǎn)線, 把工業(yè)產(chǎn)品從一條生產(chǎn)線搬運到另外一條生產(chǎn)線,實現(xiàn)自動化生產(chǎn),減輕產(chǎn)業(yè)工人大 量的重復(fù)性勞動同時又可以提高勞動生產(chǎn)率。
三、論文(設(shè)計)工作安排
1.擬采用的主要研究方法(技術(shù)路線或設(shè)計參數(shù));
查閱相關(guān)文獻,了解并掌握慧魚平臺與傳感器等使用方法;
實際搭建自動化搬運系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),在實踐中不斷地優(yōu)化整個系統(tǒng)。
2.論文(設(shè)計)進度計劃;
第一周:明確畢業(yè)設(shè)計任務(wù),查閱參考文獻; 第二周:整理參考文獻;
第三周:書寫開題報告;
第四周:給與老師檢查,尋求意見,準備開題答辯;
第五周:上交開題報告,擬定自動化搬運系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)構(gòu)想和方案; 第六周:熟悉慧魚工具箱中的硬件資源,具體擬定機械結(jié)構(gòu);
第八周:學(xué)習掌握慧魚系統(tǒng)的軟件開發(fā)環(huán)境; 第九周:學(xué)習理解電氣部件的工作原理;
第十周:調(diào)試完成搬運系統(tǒng)中各獨立環(huán)節(jié)的運行; 第十一周:完成整個搬運系統(tǒng)的實驗連接工作;
第十二周:查缺補漏,優(yōu)化設(shè)計;
第十三周:書寫別業(yè)設(shè)計說明書,翻譯與本設(shè)計相關(guān)的英文文獻; 第十四周:準備畢業(yè)答辯。
四、需要閱讀的參考文獻
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附:文獻綜述或報告
1. 慧魚模型的特點:
慧魚模型是 1964 年由德國發(fā)明家 ArthurFischer 博士在其專利“六面拼接體” 的基礎(chǔ)上發(fā)明創(chuàng)造的,包含多種工程技術(shù)類智慧拼裝模型,是展示科學(xué)原理和技術(shù)過 程中的理想教學(xué)工具[2].慧魚組合模型包括機械構(gòu)件、電氣元件、氣動器件傳感器件及 軟件等模塊組件,是由大量結(jié)構(gòu)功能件組成的創(chuàng)新系統(tǒng),涉及許多高科技領(lǐng)域。該模 型系統(tǒng)為創(chuàng)新教育和創(chuàng)新實驗提供了良好的載體,受到國內(nèi)外高校教育工作者的關(guān)注 和重視。
慧魚組合模型在實踐中的優(yōu)點[1]:
(1)提高大學(xué)生的動手能力,培養(yǎng)科學(xué)興趣?;埕~組合模型是由接近工程實際 的結(jié)構(gòu)組件和功能器件組成,其功能原理可以體現(xiàn)相關(guān)專業(yè)課程中的理論知識。學(xué)生 通過在實驗自主設(shè)計、使用和組裝功能構(gòu)件可以體驗理論知識和工程實踐的結(jié)合,提 高動手能力。同時,通過對搭建模型的調(diào)試和操作,學(xué)生也可以加深對于專業(yè)知識的 理解,培養(yǎng)學(xué)科性趣。
(2)啟發(fā)大學(xué)生創(chuàng)新思維、培養(yǎng)創(chuàng)新能力。傳統(tǒng)的實驗教學(xué)方式具有驗證性的 特點,實驗涉及的內(nèi)容主要是課本上固有的知識,實驗教學(xué)只是增強大學(xué)生對于已學(xué) 理論的驗證和理解,而沒有給與學(xué)生充分發(fā)揮現(xiàn)象和設(shè)計的空間,不利于創(chuàng)新能力的 培養(yǎng)。在慧魚創(chuàng)新實驗中,學(xué)生既可以進行驗證性實驗,還可以自主設(shè)計機電一體化 產(chǎn)品,利用慧魚組合模提供的機械、電子、控制等功能組件,搭建出新的機電產(chǎn)品。 慧魚創(chuàng)新實驗過程既可以啟發(fā)大學(xué)生的創(chuàng)新思維,有培養(yǎng)學(xué)生的動手能力。
2. 主流自動化搬運系統(tǒng)的概況:
60 年代中期,中國在一汽建成了第一條推式懸掛輸送機系統(tǒng),在該輸送機的軌道上裝有許多道岔,小車可通過機械接觸方式識別,并按特定的程序?qū)⑵滏i在相應(yīng)的 輸送線上。這是中國第一套自動物料搬運系統(tǒng)。70 年代末期,北京汽車廠建成自動立體倉庫,它有 2 臺 AS/R 機構(gòu),一臺有底部水平線上輸人輸送線,另一臺有頂部水平線上輸出輸送線。繼電邏輯電路用于巷道堆垛機和輸送機系統(tǒng)的自動控制。撥輪和打孔卡 用于目的地信息。
80 年代初期,某軸承廠開始運行一條電葫蘆的自動單軌系統(tǒng),至今已成功地運行
了 15 年以上。電葫蘆的水平運動和吊鉤的垂直運動,可通過接通或關(guān)閉頭頂上的感應(yīng)
線進行高頻搖控。多個不同程序有其相應(yīng)的線路。每個電葫蘆裝有 2 個磁性片。在上料點,操作人員需鍵人路線編號。磁性片的寫頭被激勵出磁性,并在流程中保持不變, 直到另一個寫頭被激勵出磁性,進人道岔前,有一個讀點可以識別極性,并啟動平行開 關(guān)或旋轉(zhuǎn)開關(guān),使其到達指定位置。這樣,起升機構(gòu)便可駛向指定的目的地。當電葫蘆 到達裝有酸或清洗劑的浴槽上方時,吊鉤將會根據(jù)程序邏輯控制器的控制在浴槽中上 下運動或保持靜止。第一臺中國自行設(shè)計和制造的自動導(dǎo)向車開發(fā)于 1987 年。AVG 首次在第二感光膠片廠得到應(yīng)用。當感光材料涂到膠片上后,膠卷由一 AGV 在黑暗的環(huán)境中進行裝卸。AGV 的另一次應(yīng)用是在腫瘤醫(yī)院放射治療中。在黑暗和有放射性的的環(huán)境中護士是無法照顧病人的。
從 80 年代初起,PLC 物料搬運系統(tǒng)逐步占據(jù)主要地位。目前,所有的自動多層倉庫都在單機水平和中央監(jiān)督水平上使用 PLC 作為控制設(shè)備。今天,中國最典型的自動多層倉庫都以下列方法進行操作托盤載荷。托盤載荷通常由人工碼盤,叉車將它抬起并 送到輸送機的堆放臺上。當托盤經(jīng)驗收,并在倉庫管理系統(tǒng)進行登記后由管理計算機 分配到貨架上的存放位置(通道列數(shù)和層數(shù))。這個位置可在線通過管理計算機和 PLC
之間的通訊界面?zhèn)鞯街醒氡O(jiān)控 PLC,由紅外裝置檢測載荷大小。當操作者按下“啟動” 按鈕時,由 PLC 控制的輸送機便開始順序運動,并將裝有貨物的托盤送到預(yù)定的通道, 體積過大的載荷將被拒絕并返回人口等待重新裝載。相應(yīng)的 s/R 設(shè)備將合格的載荷送到指定存放位置。PLC 可以自動控制運行和起降設(shè)備的速度和加速度。它可通過相對或絕對地址來識別目的地。當 S/R 設(shè)備到達所需地點后,通過紅外線設(shè)備或機械方式確認該位置是空的,以避免重復(fù)人庫。如果貨架上的載荷需要被取出,S/R 就會駛到管理計算機指定位置,拾起載荷送到通道上的存放臺,以便輸送機輸送。在輸送線上有幾 個轉(zhuǎn)向臺或升降臺和存儲輸送機,它由 PLC 控制以確保載荷達到指定的支線。倉庫管理程序及時更改數(shù)據(jù)。因為倉庫管理計算機與公司主機聯(lián)網(wǎng),有關(guān)倉庫存儲的所有信 息,可隨時在主機上查到。
3.慧魚搬運系統(tǒng)的設(shè)計:
機器人是一種可編程和多功能的操作機;或是為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可用電 腦改變和可編程動作的專門系統(tǒng)。從它的定義上我們可以看出,它既可以運行預(yù)先編 排的程序,還可以根據(jù)以人工智能技術(shù)制定的原則行動。機器人是靠自身動力和控制 能力來實現(xiàn)各種功能的一種機器。它的任務(wù)是協(xié)助或取代人類的一些危險或是重復(fù)繁 瑣的工作。
3.1 驅(qū)動裝置[7]
驅(qū)動裝置是驅(qū)使執(zhí)行機構(gòu)運動的機構(gòu),按照控制系統(tǒng)發(fā)出的指令信號,借助于動 力元件使機器人進行動作。它輸入的是電信號,輸出的是線、角位移量。機器人使用 的驅(qū)動裝置主要是電力驅(qū)動裝置,如步進電機、伺服電機等。市面上常見的機器人主 要使用伺服電動機對機械臂進行控制,所以伺服電動機對于機器人的研發(fā)起到重要的 作用,因此對于伺服電動機的研究就顯得非常的重要。
隨著機器人技術(shù)的發(fā)展,機器人的驅(qū)動裝置中誕生了一個新的詞匯,那就是舵機, 在各式各樣的機器人中,舵機逐漸變成了最關(guān)鍵、使用最多的部件。能將信號轉(zhuǎn)換成 轉(zhuǎn)軸的角位移或角速度,這就是舵機的功用。而隨著社會科技的發(fā)展,舵機控制的發(fā) 展成為了越來越重要的主題。依據(jù)控制方式的特點,舵機應(yīng)該稱為微型伺服馬達。早 期在模型上使用最多,主要用于控制模型的舵面,所以俗稱舵機。用作自動控制裝置 中執(zhí)行元件的微特電機,又稱執(zhí)行電動機。其功能是將電信號轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)軸的角位移或 角速度。舵機外殼、電路板、無核心馬達、齒輪與位置檢測器所構(gòu)成。 舵機是一種位置伺服的驅(qū)動器,適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。其工作原 理是:控制信號由接收機的通道進入信號調(diào)制芯片,獲得直流偏置電壓。它內(nèi)部有一 個基準電路,產(chǎn)生周期為 20ms,寬度為 1.5ms 的基準信號,將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較,獲得電壓差輸出。最后,電壓差的正負輸出到電機驅(qū)動芯片決定 電機的正反轉(zhuǎn)。當電機轉(zhuǎn)速一定時,通過級聯(lián)減速齒輪帶動電位器旋轉(zhuǎn),使得電壓差 為 0,電機停止轉(zhuǎn)動。
3.2 控制裝置
3.2.1 顏色識別傳感器[4]
顏色識別傳感器是由半導(dǎo)體色敏元件和相應(yīng)的器件組裝的。由于這種傳感器體積 小,能識別物體的彩色標記和痕跡,響應(yīng)時間快,約15xl0^6 秒左右,很適合對產(chǎn)品進行在線的頗色識別和檢測。該傳感器是繼傳統(tǒng)的光學(xué)色計量器之后又一種全新的、結(jié)構(gòu) 簡單的、造價低廉的頗色識別器。這種傳感器能將顏色的波長和光譜范圍,直接轉(zhuǎn)換 成對應(yīng)的電量信號值。既容易作為自動化裝置的信號輸入,又可直讀數(shù)據(jù)。
顏色傳感器一直用裝配線來檢測特定的組件。顏色傳感器的挑戰(zhàn)是檢測微妙差異 相似或高度反光的顏色。例如,金屬涂料在汽車工業(yè)中使用很難區(qū)分灰度的顏色或黃 金。匹配組件這是重要的,如鏡子的身體或保險杠都離不開傳感器協(xié)助。此外,顏色傳 感器通過數(shù)量有限的顏色可以檢測,并通過他們有限的能力迅速改變設(shè)置或處理多個 顏色。
電子技術(shù)的發(fā)展,光學(xué),軟件促進顏色傳感器發(fā)展。這項技術(shù)使得更敏感的傳感器, 可以忽略光澤和區(qū)別出微妙的色調(diào)??梢哉{(diào)整方便靈活的制造和精確的色彩校正。一 個典型的顏色傳感器具有高強度白光 LED,光在目標項目調(diào)制。反射從目標是分析的成分紅,綠,藍(RGB)值和強度。此信息用于驗證正確的部分和組裝,準確控制制成品的顏 色。在一個典型的應(yīng)用程序中,機器操作員持有一個顏色樣本在前面的傳感器,編程它 對這個特定顏色相匹配。這個過程期間及之后,運營商可能會注意到匹配失敗涉及色 彩略暗或略輕,但仍在可接受的質(zhì)量標準。操作員然后重組傳感器與更廣泛的高/低設(shè) 置點和通過試錯過程建立理想的范圍。如果傳感器有多個通道,它可以被編程來識別 多種顏色一個顏色在每個頻道,每個頻道信號是一個離散報警輸出。這一技術(shù)使簡單 的顏色識別或匹配,比如排序或部分識別功能,通過/失敗標準是足夠的。下一代顏色 傳感器提供三個額外的輸出表示 RGB 顏色值。好處包括更多的智能控制的制造。在實踐中,傳感器輸出原始 RGB 讀數(shù)為模擬信號。模擬信號更適合通信,因為數(shù)字讀數(shù)為三個渠道將超過每 150us 吞吐量限制典型的串行協(xié)議。一個傳感器可以將原始 RGB 信號模擬與 10 位分辨率將輸出 5mV 的每個 1023 步。如果顏色變化的原因是無法輕易地發(fā)覺或者如果沒有顯示可用,模擬 RGB 信號可以數(shù)字化和美聯(lián)儲到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。這允許全面的變化趨勢,分析傳感器讀數(shù)。一些傳感器提供一個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲模式原始數(shù)字讀 數(shù)。
3.2.2 紅外線傳感器[9]
紅外傳感器工作原理:
(1) 待側(cè)目標。根據(jù)待側(cè)目標的紅外輻射特性可進行紅外系統(tǒng)的設(shè)定。
(2) 大氣衰減。待測目標的紅外輻射通過地球大氣層時,由于氣體分子和各種 氣體以及各種溶膠粒的散射和吸收,將使得紅外源發(fā)出的紅外輻射發(fā)生衰 減。
(3) 光學(xué)接收器。它接收目標的部分紅外輻射并傳輸給紅外傳感器。相當于雷 達天線,常用是物鏡。
(4) 輻射調(diào)制器。對來自待測目標的輻射調(diào)制成交變的輻射光,提供目標方位 信息,并可濾除大面積的干擾信號。又稱調(diào)制盤和斬波器,它具有多種結(jié) 構(gòu)。
(5) 紅外探測器。這是紅外系統(tǒng)的核心。它是利用紅外輻射與物質(zhì)相互作用所 呈現(xiàn)出來的物理效應(yīng)探測紅外輻射的傳感器,多數(shù)情況下是利用這種相互 作用所呈現(xiàn)出來的電學(xué)效應(yīng)。此類探測器可分為光子探測器和熱敏感探測 器兩大類型。
(6) 探測器制冷器。由于某些探測器必須要在低溫下工作,所以相應(yīng)的系統(tǒng)必 須有制冷設(shè)備。經(jīng)過制冷,設(shè)備可以縮短響應(yīng)時間,提高探測靈敏度。
(7) 信號處理系統(tǒng)。將探測的信號進行放大、濾波,并從這些信號中提取出信 息。然后將此類信息轉(zhuǎn)化成為所需要的格式,最后輸送到控制設(shè)備或者顯 示器中。
(8) 顯示設(shè)備。這是紅外設(shè)備的終端設(shè)備。常用的顯示器有示波器、顯象管、 紅外感光材料、指示儀器和記錄儀等。
依照上面的流程,紅外系統(tǒng)就可以完成相應(yīng)的物理量的測量。紅外系統(tǒng)的核心是 紅外探測器,按照探測的機理的不同,可以分為熱探測器和光子探測器兩大類。下面 以熱探測器為例子來分析探測器的原理。 熱探測器是利用輻射熱效應(yīng),使探測元件接收到輻射能后引起溫度升高,進而使探測器中依賴于溫度的性能發(fā)生變化。檢測其 中某一性能的變化,便可探測出輻射。多數(shù)情況下是通過熱電變化來探測輻射的。當 元件接收輻射,引起非電量的物理變化時,可以通過適當?shù)淖儞Q后測量相應(yīng)的電量變 化。 歐姆龍公司生產(chǎn)的漫反射式和對射式光電傳感器,這兩種傳感器主要用于事件檢測和物體定位。圖 中的紅燈和綠燈表示傳感器的狀態(tài)。 紅外傳感器已經(jīng)在現(xiàn)代化的生產(chǎn)實踐中發(fā)揮著它的巨大作用,隨著探測設(shè)備和其他部分的技術(shù)的提高,紅外傳 感器能夠擁有更多的性能和更好的靈敏度。
本課題就是從構(gòu)建一個小型的智能搬運系統(tǒng)出發(fā),搭建一個自動化搬運機器人, 在機器人傳感系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)硬件基礎(chǔ)上,進行智能搬運機器人移動功能和自主搬運 功能的設(shè)計與分析,通過軟件編程加以實現(xiàn),在此基礎(chǔ)上進行設(shè)計開發(fā)。
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