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1、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姓名学号专业年级指导教师：工学院一四年 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、
2、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。AbstractWith the rapid economic development and increasing peoples living standards, waste emissions by increasing the pressure on the environment increasing, Specially campus this kind of densely population place
3、, 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 robo
4、t 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 mob
5、ile 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 robotKey words :
6、campus ; Trash ascends to pick the robot ;Pick mechanism目录摘要IAbstractII第一章绪论i1.1移动机器人概述112.移动机械手平台系统11.3校园垃圾拾捡机器人意义1第二章机器手整体设计221运动机构及机械手简介22.2机械手整体方案设计22.3手腕及手臂的设计 22.4机械手工作原理示意图4第三章液压系统整体设计431液压系统控制油路图53.2液压控制优点73.3液压缸的选择73.3.1爪子液压缸的选择73.3.2两个手臂的油缸的选择83.3.3摆动液压缸的选择83.4液压泵的选择103.5校核1236其它元件的选择153.7
7、本章小结15第四章总结16参考文献17第一章 绪论1.1 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NilSSen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
8、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。1.2 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
9、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。1.3校园垃圾拾捡机器人意义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
10、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、
11、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
12、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
13、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（Rol 1）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
14、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
15、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机械手工作原理图图2.1机械手示意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
