校园垃圾拾捡机器人抓取机构设计

本本科科毕毕业业设设计计题目校园垃圾捡拾机器人抓取机构设计专业作者姓名学号单位指导教师2018年05月教务处编原创性声明本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研究取得的成果。除文中已经引用的内容外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得**大学或其他教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均在文中以明确的方式表明。本人承担本声明的相应责任。学位论文作者签名：日期：指导教师签名:日期：i摘要近年来，国内经济迅速发展，带动的人民的生活水平不断提高，不可避免的造成生活垃圾的排放增加，对环境的破坏也日渐增大，尤其是在校园这种人口密集的地方，每天都在造成大量的日常垃圾，比如塑料袋、饮料瓶、废纸、果皮等等。这就势必要雇佣许多的清洁工来维持校园的清洁。近些年机器人技术的迅猛发展为我们制造一个可以自主捡拾校园垃圾的机器人提供了极大地帮助，本人设计的这种机器人具有自主决策意识，可以进行环境感知并自主进行行为控制与执行命令。捡拾垃圾的机械手采用全液压控制，它可以仿照人的手和手臂的行动，采用电脑程序来进行控制抓取和搬运物体，以及其抓取物体大小的计算和动力源大小及其校核。机器人采用四轮行走模式，加以视觉传感器来自主识别和捡拾范围内的校园垃圾。机械手用来实现抓取、操纵的命令，移动平台用来扩大机械手的动作执行空间，使机械手更好的发挥其功能。关键词：校园；垃圾机器人；机械手；控制机构iiAbstractInrecentyears,therapiddevelopmentofdomesticeconomy,therisingstandardoflivingofthepeople,theinevitablecauseoftheincreaseindomesticwasteemissions,environmentaldamageisincreasing,especiallyinthecampusofsuchdenselypopulatedplaces,everydayinthecauseofalargenumberofdailywaste,suchasplasticbags,beveragebottles,wastepaper,peelandsoon.Thisisboundtohirealotofcleanerstokeepthecampusclean.Inrecentyears,therapiddevelopmentofrobottechnologyforustocreatearobotcanpickupthecampusgarbagetoprovideagreathelp,Idesignedtherobotwithindependentdecision-makingconsciousness,cancarryoutenvironmentalawarenessandautonomousconductcontrolandexecutionorders.Themanipulatorofgarbagecollectionadoptsfullhydrauliccontrol,itcanimitatetheactionofhumanhandandarm,usecomputerprogramtocontrolgraspingandmovingobjects,andthecalculationandpowersourcesizeofgraspingobjectanditschecking.Usingfour-wheelwalkingmode,therobotcanidentifyandpickupthecampusrubbishintherangebyvisualsensor.Themanipulatorisusedtorealizegraspingandmanipulatingcommands,andthemobileplatformisusedtoenlargetheManipulator'sactionexecutionspace,sothatthemanipulatorcanplayitsfunctionbetter.Keywords：Campus,Garbagerobot,manipulator,controlmechanismI目录第一章绪论.......................................................11.1课程研究背景及其意义.........................................11.2移动机器人国内外发展现状.....................................11.3论文内容.....................................................21.4机械手概述...................................................2第二章校园垃圾捡拾机器人方案..................................32.1机器人的功能.................................................32.2机器人的工作原理.............................................32.3机器人总原理图...............................................4第三章机械手的整体设计.........................................53.1机械手的工作原理图...........................................53.2机械手爪的液压控制系统油路图.................................53.3机械手手爪设计...............................................73.3.1手爪的工作原理.........................................73.3.2夹紧力的计算...........................................73.4液压缸的选型.................................................93.4.1爪子液压缸的选型.......................................93.4.2两个手臂油缸的选型.....................................93.4.3摆动液压缸的选择......................................103.5液压泵的选择................................................113.6校核........................................................123.7其它元件的选型..............................................14总结..............................................................15参考文献..........................................................16致谢..............................................................171校园垃圾拾捡机器人抓取及驱动机构设计第一章绪论1.1课程研究背景及其意义对移动机器人的钻研始于1960年末期，斯坦福研究院的Niissen和CharlesRosen等人，在1966年至1972年中研制出了取名Shakey的智能移动机器人。目标是钻研人工智能技术，在具体情况下智能机器人的自主、推理、规划和控制。60年代后期，美苏两国为了完成探月计划，研制并应用了移动机器人，其中代表的有美国的“探测者”3号和苏联的“登月者”20号。70年代初，日本早稻田大学研制出了具有仿人功能的两足步行机器人。移动机器人平台涉及机械、无线电通讯、视觉系统、模式识别和许多学科的智能控制，机械手也越来越多的被应用，在机械工业中的很多工种中都有广泛应用。机器人被安装在移动平台上，这种结构允许机器人几乎拥有无限的工作空间和高度的运动冗余性，并同时拥有行动执行功能，这使得它比其他传统移动机器人和机械手更好；这种特殊结构的机器人可以代替人类的许多工作，并且它可以连续工作而不需要像人一样休息。它可以在工业中提高生产的自动化程度，并可以在生活中改善人们的劳动条件，避免人身事故的发生，在危险恶劣环境中工作是其一个非常亮眼的优点。1.2移动机器人国内外发展现状移动机器人在国外的初期研究，主要集中在从学术角度，研究室外机器人的体系结构和信息处理，并建立实验系统进行验证。美国国防高级研究计划局（简称DARPA）在80年代开始就制定了地面无人作战计划，1983-1990年，DARPA的“战略计算机“计划中的自主地面车辆(ALV)计划;1986-1995年，能源部制订的为期10年的机器人和智能系统计划(RIPS)；以及后来的空间机器人计划，以及在极限环境下作业的机器人计划等，90年代后，随着技术的不断进步，移动机器人开始在现实的基础上开拓到各个领域,向实用化进军。2相比较而言国内对其研究起步较晚，大多数的研究都处在某个单项研究阶段。国内研究的主要成果有：香港城市大学智能设计、自动化及制造研究中心的自动导航车和服务机器人；中国科学院沈阳自动化研究所的AGV和防爆机器人；中国科学院自动化所自行设计、制造的全方位移动式机器人视觉导航系统等。1.3论文内容本文在查阅资料后决定主要研究移动机器人机械臂部分的研究，涉及机器人主体部分内容，本文后两章主要描述了（1）机器人的总设计图机器各个部分的作用，机器人的作用过程；（2）机械手的整体设计，涉及了机械手的工作原理图，其液压控制油路图，手爪的设计及其部分数据计算，液压缸液压泵的选型及其动力校核，其他元件的选择。1.4机械手概述机械手的驱动系统由液动机（各种油缸、油马达）、伺服阀、油泵、油箱组成，机械手具有很大的抓取力且结构紧凑，各种性能都比较优秀，这就对制造精度和密封性有很高的要求。机械手具体包括手、手臂和躯干。手安装在执行器前部，其任务是准确地抓住当前物件，它必须有手指头，可以完成抓取物件之后的动作,以达到自己的目标。臂的作用是用来协助手抓住工件和移动到手所需的位置。躯干起到支撑作用。3第二章校园垃圾捡拾机器人方案2.1机器人的功能本文设计的机器人可以实现自主运动，在由视觉传感器规划路线及发现垃圾并由机械爪捡拾垃圾，且拥有收集和转移两个功能，在垃圾收集箱收集满垃圾后，机器人会将垃圾箱内的垃圾转移到附近的垃圾收容处。这样的一个机器人可以帮助减少清洁工的工作量。2.2机器人的工作原理图2.1机器人的工作原理图按下遥控器按钮，移动电源控制按钮，全自动化操作按钮启动机器人，机器人进入自主运动。机器人利用视觉传感器到达垃圾位置，当机器人视野内没有发现垃圾，机器人继续向前行驶，寻找目标，发现垃圾之后，停留在垃圾附近位置，移动平台感应器捕捉到垃圾使移动平台移动到垃圾前方停下使机械手在垃圾前方机械手通过定位扑捉感应器扑捉垃圾的精准位置调整机械手位置使爪子抓住垃圾机械手提起垃圾并向垃圾箱方向转去碰到行程开关，爪子完全分开自由状态4停止运行，启动机械手控制系统，通过传感器调整机械手的位置使爪子对准垃圾，而后爪子闭合抓住垃圾，随后机械手转动到收集垃圾箱方向，转到垃圾箱上方碰到一行程开关使爪子张开，松开垃圾，完成一次捡拾。随后继续寻找垃圾。当机器人垃圾箱中垃圾占有一