校園垃圾拾撿機器人抓取及驅動機構設計

校園垃圾拾撿機器人抓取及驅動機構設計,校園,垃圾,拾撿,機器人,抓取,驅動,機構,設計 學校代碼：10410 序 號：20050369本本 科科 畢畢 業(yè)業(yè) 設設 計計題目：題目：校園垃圾拾撿機器人抓取及驅動機構設計 學學 院：院： 工 學 院 姓姓 名：名： 徐平 學學 號：號： 20050369 專專 業(yè)：業(yè)：機械設計制造及其自動化 年年 級：級： 機制 051 指導教師：指導教師： 饒洪輝 二二 OO 九年九年 五五 月月校園垃圾拾撿機器人抓取及驅動機構設計摘 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，垃圾拾撿機器人是由機械手固定在移動平臺上構成的一類特殊的移動機器人。其中機械手用來實現(xiàn)如抓取、操作等動作，平臺的移動用來擴展械手的工作空間，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動機器人的性能；移動平臺是一種采用前輪轉向后輪驅動的四輪式小車結構。關鍵詞: 校園；垃圾機器人；控制機構；驅動機構校園垃圾拾撿機器人抓取及驅動機構設計- 2 -AbstracAbstracWith the rapid economic development and increasing peoples living standards, waste emissions by increasing the pressure on the environment increasing, especially in densely populated areas on campus this place every day in the manufacture of a large number of spam, such as waste paper , plastics, used batteries, such as skin. 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 spam robots can be solved a lot of trouble, 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, garbage拾撿 robot manipulator is fixed on the mobile platform consisting of a special kind of mobile robot. Manipulator which is used to achieve, such as crawling, operation moves the mobile platform to extend the work of the hands of armed space robot can be a more appropriate gesture tasks, the robot is also greatly improved by adding the dynamic performance of robot ; mobile platform is a front wheel steering using the four-wheel rear-wheel drive car-type structure. Key words: school; spam robot; control; drive mechanism校園垃圾拾撿機器人抓取及驅動機構設計- 3 -目目 錄錄一一 緒論緒論.- 4 -1.1移動機器人概述.- 4 -1.2課題研究意義.- 4 -二二 校園垃圾拾撿機器人總原理校園垃圾拾撿機器人總原理.- 5 -三三 機械手夾緊機構機械手夾緊機構手爪設計手爪設計.- 6 -3.1 手爪的工件原理.- 6 -3.2 手爪技術參數(shù).- 6 -3.3 夾緊力的計算.- 6 -3.3.1 當量夾緊力的計算（滑槽式的兩指夾緊機構）.- 7 -3.3.2 手指夾緊力的計算.- 7 -四四 垃圾拾撿機器人移動平臺設計與計算垃圾拾撿機器人移動平臺設計與計算.- 8 -4.1移動平臺的工作原理.- 8 -4.2 方案設計.- 8 -4.3電動機選型.- 9 -4.4設計鏈傳動.- 10 -4.5鏈輪的設計及計算.- 12 -4.6軸的設計及計算.- 12 -4.7聯(lián)軸器的選擇.- 14 -4.8減速器的選擇.- 15 -4.9鍵的選用與校核.- 16 -4.10軸承選擇 .- 17 -4.11螺紋緊固件選型 .- 18 -4.12防松裝置 .- 19 -4.13 密封件選擇.- 20 -五五 一些標準零件一覽表一些標準零件一覽表.- 20 -六六 總結總結.- 21 -參考文獻參考文獻.- 22 -致致 謝謝.- 23 -校園垃圾拾撿機器人抓取及驅動機構設計- 4 -一一 緒論緒論1.1 移動機器人概述移動機器人的研究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。移動機器人系統(tǒng)一般由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分構成 移動機器人是一個集環(huán)境感知、動態(tài)決策和規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多種功能于一體的綜合系統(tǒng)。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(xiàn)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。1.2 課題研究意義把機械手安裝在移動平臺上，這種結構使機械手擁有幾乎無限大的工作空間和高度的運動冗余性，并同時具有移動和操作功能，這使它優(yōu)于一般的移動機器人和傳統(tǒng)機械手;另一方面，移動平臺和機械手不但具有不同的動力學特性，而且存在強藕合，有的移動平臺還受非完整約束。因此，研究這類系統(tǒng)的控制問題有十分重要的理論價值和實踐意義。 這種特殊結構的機器人在工業(yè)裝配、無人惡劣環(huán)境中工作(如滅火、外星球探測和各類危險的科學研究)以及室內服務工作(如運送、導游和巡邏)等方面具有一定研究價值。校園垃圾拾撿機器人抓取及驅動機構設計- 5 -二二 校園垃圾拾撿機器人總原理校園垃圾拾撿機器人總原理2.1 機器人總原理圖圖 2.1 機器人總原理2.2 機器人的操控過程機器人工作時，啟動遙控控制按鈕，點動電源控制按鈕，接通電源，操控遙控將機器人行至工作區(qū)域，啟動機器人操作全自動化按鈕，機器人進入自主運動狀態(tài)。機器人通過視覺傳感器傳達垃圾位置：當在機械手所能達到的范圍內沒有發(fā)現(xiàn)有垃圾時，機器人繼續(xù)向前行進，尋找目標，直至發(fā)現(xiàn)在其范圍內發(fā)現(xiàn)垃圾時，移動平臺停止移動，啟動機械手控制系統(tǒng)，機械手通過傳感器調整機械手位置使爪子對準垃圾，爪子閉合抓緊垃圾，機械手隨轉臺向垃圾箱方向轉動，轉到垃圾箱上方碰到一行程開關爪子張開，爪子完全張開碰到第二個行程開關，機械手隨轉臺轉回到自由初始狀態(tài)。機器人繼續(xù)移動尋找垃圾目標。機器人在工作過程中，通過周圍裝有傳感器發(fā)現(xiàn)有障礙物時，控制轉向電機啟動，控制機器人轉向，避開障礙物。 當機器人垃圾箱中垃圾占有一定空間時，機器人停止工作，遙控器報警。此時人為校園垃圾拾撿機器人抓取及驅動機構設計- 6 -通過遙控器操控機器人，通過無線導航系統(tǒng)，將機器人指引到附近的垃圾收集地，卸下垃圾。完成一次拾撿全過程。三三 機械手夾緊機構機械手夾緊機構手爪設計手爪設計機械手夾緊機構-手爪是用來抓取工件的部件，手爪抓取工件時要滿足迅速，靈活，準確和可靠性的要求。設計制造夾緊機構-手爪時，其夾緊力的大小則系根據(jù)夾持物體的重量，慣性力的大小來計算，同時還要考慮有足夠的開口尺寸，以適應被抓物體的尺寸變化夾緊機構夾緊機構形式有：機械式，吸式，電磁式等，有的還帶有傳感器裝置3.1 手爪的工件原理桿在驅動力 P 的作用下上拉下推,手爪端部手指端部完成抓緊或松開動作，即工作夾緊狀態(tài)與自由張開狀態(tài)：當桿在作用力 P 作用下桿向下推時,手爪手指松開，處于自由張開狀態(tài)(如圖 3.1 A)；當桿在作用力 P 作用下桿向上位時,手爪手指抓緊，處于處于夾緊狀態(tài)(如圖 3.1 B)3.2 手爪技術參數(shù)抓重（kg）=1kg尺寸范圍（mm）:t/d10.7mm,故滿足強度要求同理，前輪轉向主動軸和從動軸及轉向連桿軸也同樣滿足強度要求各軸詳細數(shù)據(jù)見工程零件圖紙4.7 聯(lián)軸器的選擇4.7.1 確定聯(lián)軸器的計算轉矩caT=caTAKT-工作情況系數(shù)，取=1.3AKAK4.7.2 由和選擇聯(lián)軸器的型號與尺寸 caTTmaxnn-為所選用型號的許用轉矩 TNm-被聯(lián)接軸轉速 n/ minr-聯(lián)軸器的最高轉速 maxn/ minr12.1212.121212122109.814 .cos15406.52cos1523000.396.72cos1593.33sin1525cos15395.95sin1591.48eeQnentnrnyyZZMFFNDMTN mFFFFFNdFMdmmmFNFFNFFNFFFFNFFFFN即校園垃圾拾撿機器人抓取及驅動機構設計- 16 -由和14caTNm500 / minnr電機輸出軸與減速器聯(lián)接及減速器輸出軸與前輪轉向主動軸的聯(lián)接均用聯(lián)軸器聯(lián)接.選取 GB5843-86 凸緣聯(lián)軸器,選用 YL 型的 YL2 和 YL6 凸緣聯(lián)軸器825843 8630 824265843 8618 42GBJYLGBJJ30型號分別為 YL2聯(lián)軸器J18聯(lián)軸器4.7.3 外形結構，技術參數(shù)表 3 聯(lián)軸器技術參數(shù)4.8 減速器的選擇減速器是指原動機和工作機之間的獨立傳動裝置，選用型號為 KWO63 的錐面包絡圓柱蝸桿減速器，圖 4.7.結構尺寸見表 4表 3 許用轉速n(r/min)軸孔直徑d(mm)軸孔長度L(mm)螺栓型號額定轉矩nTNm鐵鋼鐵鋼YJJ1 DmmD1mm數(shù)量n直徑mmL0mm質量kg轉動慣量2.kg mYL2167200120001818423080644M6641.50.0035YL61005200800030308260110904M81243.990.017D1d(h7)LLODn-M圖 4.6 聯(lián)軸器圖 4.7 減速器校園垃圾拾撿機器人抓取及驅動機構設計- 17 -表 4 減速器技術參數(shù)4.9 鍵的選用與校核4.9.1 鍵的選用過程根據(jù)軸徑 D 查鍵的標準鍵的斷面尺寸（bh） 強度計算（必要時）根據(jù)輪轂的寬度 B鍵的長度 L(LB) 4.9.2 鍵的選型選用平頭普通平鍵（B 型） GB/T1096-2003 鍵 B6616 和 GB/T1096-2003 鍵 B8720圖 4.8 鍵校核4.9.3 鍵的校核擠壓強度條件公式4pTdhlB=6 h=6 l=16 d=18 T=14Nm由軸與鏈輪 聯(lián)軸器的材料選?。ㄝp度沖擊載荷）110paMP 44 14 100032.4111018 6 16apaTMPMPdhl 尺寸尺寸型號型號 a aB1B1B2B2C1C1C2C2h hH HH1H1d3d3l1l1d1d163146140115120160160221M102818j6b1b1t1t1L1L1d2d2l2l2b2b2t2t2L2L2L3L3L4L4質量（不含油）質量（不含油）kgkgKWO63KWO63620.511830j658833136866517校園垃圾拾撿機器人抓取及驅動機構設計- 18 -故滿足擠壓強度條件同理44 14 100013.3311030 7 20apaTMPMPdhl 滿足擠壓強度條件4.10 軸承選擇4.10.1 軸承選型（1）后輪采用軸承受很小的軸向應力作用，主要受徑向力作用，且徑向力作用不大時，選取深溝球軸承系列。6406。結構參數(shù)見（圖表 4.9）（2）前輪采用軸承同時受徑向力和軸向力，主要受軸向力作用，且軸向力作用較大時，選用圓錐滾子軸承系列，30307。結構參數(shù)見（圖表 4.10）圖表 4.9dDBDdAA/2A/215BaT圖表 4.104.10.2 軸承的軸向緊固方式采用端蓋緊固軸承外圈和軸肩緊固軸承內圈4.10.3軸承的安裝形式軸承均是成對出現(xiàn)的，均采用背對背方式安裝定位的如下圖 4.11圖 4.11 軸承代號尺寸（mm）dDB6406309023軸承代號基本尺寸 mmdDTBCa30307358022.75211817校園垃圾拾撿機器人抓取及驅動機構設計- 19 -4.11 螺紋緊固件選型4.11.1 選型見（表 5）名稱個數(shù)用途螺釘 GB/T 65 M103524后輪端蓋用的聯(lián)接螺釘螺栓 GB/T 5782-86 M16*4016軸與車輪的緊固聯(lián)接螺母 GB/T 6172 M1616軸與車輪的緊固聯(lián)接螺栓 GB5780-86 M157016底板與電動機底座的緊固聯(lián)接螺母 GB/T 6172 M1532底板與電動機底座的緊固聯(lián)接螺栓 GB5780-86 M20*8012支腳與底座的聯(lián)接螺母 GB6172-86 M20 24支腳與底座的聯(lián)接螺栓 GB5780-86 M10604減速器的聯(lián)接螺栓螺母 GB6172-86 M108減速器的聯(lián)接螺栓螺栓 GB5780-86 M6354聯(lián)軸器的聯(lián)接螺栓螺栓 GB5780-86 M8354聯(lián)軸器的聯(lián)接螺栓螺母 GB6172-86 M68聯(lián)軸器的聯(lián)接螺栓螺母 GB6172-86 M88聯(lián)軸器的聯(lián)接螺栓螺栓 GB5780-86 M20802轉向連桿聯(lián)接螺栓螺釘 GB75-85 M8*123緊定鏈輪的緊定螺釘螺釘 GB75-85 M5*63緊定鏈輪的緊定螺釘螺母 GB6172-86 M162鏈輪預緊螺母螺母 GB6172-86 M202鏈輪預緊螺母表 54.11.2校核軸與車輪的聯(lián)接螺栓強度如圖 4.12 T=14 r=35mm n=4 由表查得螺栓材料的許用剪Nm016dmm切應力=2.5（靜載荷） aMP由和剪切強度條件snFrT 204sFd m 2222200004414 10001.242.535164saaTTFTn rrMPMPd md md mr d m滿足強度條件校園垃圾拾撿機器人抓取及驅動機構設計- 20 -圖 4.124.12 防松裝置防松裝置采用雙螺母防松（圖 4.13）和采用開口銷防松（圖 4.14）選用 銷 540 GB91（大鏈輪防松）圖 4.13 雙螺母防松圖 4.14 開口銷防松校園垃圾拾撿機器人抓取及驅動機構設計- 21 -4.13 密封件選擇軸的外表面氈封圈密封，見表 6，ZB68-62 型號個數(shù)材料氈圈 40 ZB68-624半粗羊毛氈氈圈 40 ZB68-622半粗羊毛氈氈圈 30 ZB68-622半粗羊毛氈表 6五五 一些標準零件一覽表一些標準零件一覽表型號名稱個數(shù)型號名稱個數(shù)氈圈 40 ZB68-624螺釘 GB75-85 M5*63氈圈 40 ZB68-622螺釘 GB75-85 M8*123氈圈 30 ZB68-622螺栓 GB5780-86 M20802銷 540 GB912螺母 GB6172-86 M88螺母 GB6172-86 M202螺母 GB6172-86 M68螺母 GB6172-86 M162 螺栓 GB5780-86 M8354螺栓 GB5780-86 M6354螺母 GB6172-86 M108螺栓 GB5780-86 M10604螺母 GB6172-86 M20 24螺栓 GB5780-86 M20*8012螺母 GB/T 6172 M1532螺栓 GB5780-86 M157016螺母 GB/T 6172 M1616螺栓 GB/T 5782-86 M16*4016螺釘 GB/T 65 M103524825843 8630 82GBJJ30YL2聯(lián)軸器14265843 8618 42YLGBJJ18聯(lián)軸器1軸承 303074軸承 64052軸承 6406 2GB/T1096-2003 鍵 B66164GB/T1096-2003 鍵 B87204減速器 KWO631表 7校園垃圾拾撿機器人抓取及驅動機構設計- 22 -六六 總結總結轉眼之間，歷經整整兩個月的畢業(yè)設計馬上就要結束了，我的大學生活也將結束了。這是我們大學之中最后一個也是最重要的一個設計、一個階段。畢業(yè)設計是考驗我們大學這四年來的所學，它要求我們將大學這四年來所學到的知識能夠融會貫通、熟練應用，并要求我們能夠理論聯(lián)系實際，培養(yǎng)我們的綜合運用能力以及解決實際問題的能力。在這個過程中，感到自己有學到了好多東西。在這兩個月里，我們不斷學習、不斷積累并且不斷提高。在指導老師饒洪輝老師的悉心指導下，我們從最初的開題做起，進行設計方案的整體規(guī)劃；之后尺寸擬定、各個零部件的選擇及計算、繪制裝配圖、零件圖等幾個階段。這次的畢業(yè)設計，是對我們這四年來所學的專業(yè)知識是否踏實的檢驗，讓我們對這四年中所學的知識進行了綜合，也讓我溫習了一些已經快要淡忘的專業(yè)知識，更學習到了一些實際機械應用的經驗。與此同時，我們也充分認識到自身的許多不足之處：基礎知識的不夠扎實，缺乏綜合運用及理論聯(lián)系實際的能力等，相信通過這次畢業(yè)設計所得到的鍛煉，在未來的日子中我們能克服自身的缺點。通過這次設計，無論是我們的學習知識的能力得到了鍛煉，更是使我們團隊協(xié)作精神得到了很好的鍛煉，此項設計是由我和另同學兩個人共同完成，在整個設計的過程中，我們兩個人主動承擔任務，分工協(xié)作、積極配合，幾次修改設計方案，并進行了大量的理論計算，在能力范圍內努力使設計更加趨向完善。雖然設計是短暫的，但得到的知識卻是永久的，一個完好的設計是對整個四年大學生活的一個總結，并是對未來新的生活的一個良好的開端，所以在進行設計的時候，我們都是抱著非常認真的態(tài)度，遇到任何的問題，都會積極向指導老師請教，但是知識還是要靠自己去獲得的，所以我們更多的時間都是自主找資料，把相關的書籍都認真的尋找，即使最后沒有找到需要的資料，但本身在看書的過程中也是一種收益，就是在指導老師和圖書館尋找資料的幫助下，我們的設計一點點的明朗，一點點的完善，這是充滿自己汗水的成果啊。我們知道，我們的設計還存在很多不足之處，還有待大家的點評指正，和大家的幫助，我們一定會把它努力做得更好的。最后，我們要衷心的感謝我們的指導老師饒洪輝，還有其他所有給過我?guī)椭椭С值睦蠋熀屯瑢W們，沒有你們，就沒有我們今天這個小小的成果，感謝你們！校園垃圾拾撿機器人抓取及驅動機構設計- 23 -參考文獻參考文獻1于就泗，齊發(fā)主編.機械工程材料：大連理工大學出版社，20072蔡春源主編。簡明機械零件手冊：冶金工業(yè)出版社，19953劉力主編，王冰副主編。機械制圖第二版：高等教育出版社，20024楊明忠，朱家誠主編。機械設計：武漢理工大學出版社，20015機械工程手冊第 5 卷：機械工業(yè)出版社，19826機械工程手冊第 6 卷：機械工業(yè)出版社，19827中小型電機標準匯編：技術標準出版社，19718劉鴻文主編。材料力學（）：高等教育出版社，20049 陸祥生 楊秀蓮編。機械手-理論及應用：中國鐵道出版社，198510哈爾濱工業(yè)大學理論力學教研室編。理論力學（）第六版：高等教育出版社，198111劉鴻文主編。材料力學（）：高等教育出版社，200412張學政，李家樞主編。金屬工藝學實習教材（第三版） ，高等教育出版社，200213關文達主編。汽車構造（第二版）：機械工業(yè)出版社，2004.1014王望予主編。汽車設計（第四版）：機械工業(yè)出版社，2004.815電機工程手冊第四卷，機械工業(yè)出版社，1996.716鄭文緯 無克堅主編。機械原理（第七版） ，高等教育出版社，1996.11校園垃圾拾撿機器人抓取及驅動機構設計- 24 -致致 謝謝這次畢業(yè)設計論文是在導師的精心指導下完成的。在我在校期間，老師淵博的學識、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設計和論文的撰寫，也順利地完成了學士階段的學業(yè)。在本論文即將結稿時，我要向導師表示最衷心的感謝。