機械畢業(yè)設計（論文）-校園垃圾拾撿機器人抓取及驅動機構設計【全套圖紙】

1、<p>　　學校代碼：10410</p><p>　　序 號：20050369</p><p>　　本 科 畢 業(yè) 設 計</p><p>　　題目：校園垃圾拾撿機器人抓取及驅動機構設計</p><p>　　學 院： 工 學 院 </p><p>　　姓 名：

2、 </p><p>　　學 號： </p><p>　　專 業(yè)：機械設計制造及其自動化 </p><p>　　年 級： 機制051 </p><p>　　指導教師： </p><p><b>　　二OO九年

3、五 月</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　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。</p><p>　　如果設

4、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)。</p><p>　　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

5、臺是一種采用前輪轉向后輪驅動的四輪式小車結構。</p><p>　　關鍵詞: 校園；垃圾機器人；控制機構；驅動機構</p><p>　　全套圖紙，加153893706</p><p><b>　　Abstrac</b></p><p>　　With the rapid economic development and i

6、ncreasing people's 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

7、 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 c

8、an be solved a lot of t</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　一 緒論- 4 -</p><p>　　1.1移動機器人概述- 4 -</p><p>　　1.2課題研究意義- 4 -</p><p>　　二 校園垃圾拾撿機器人

9、總原理- 5 -</p><p>　　三 機械手夾緊機構—手爪設計- 6 -</p><p>　　3.1 手爪的工件原理- 6 -</p><p>　　3.2 手爪技術參數- 6 -</p><p>　　3.3 夾緊力的計算- 6 -</p><p>　　3.3.1 當量夾緊力的計算（滑槽式的兩指夾緊機構）

10、- 7 -</p><p>　　3.3.2 手指夾緊力的計算- 7 -</p><p>　　四 垃圾拾撿機器人移動平臺設計與計算- 8 -</p><p>　　4.1移動平臺的工作原理- 8 -</p><p>　　4.2 方案設計- 8 -</p><p>　　4.3電動機選型- 9 -</p

11、><p>　　4.4設計鏈傳動- 10 -</p><p>　　4.5鏈輪的設計及計算- 12 -</p><p>　　4.6軸的設計及計算- 12 -</p><p>　　4.7聯(lián)軸器的選擇- 14 -</p><p>　　4.8減速器的選擇- 15 -</p><p>　　4

12、.9鍵的選用與校核- 16 -</p><p>　　4.10軸承選擇- 17 -</p><p>　　4.11螺紋緊固件選型- 18 -</p><p>　　4.12防松裝置- 19 -</p><p>　　4.13密封件選擇- 20 -</p><p>　　五 一些標準零件一覽表- 20 -<

13、;/p><p>　　六 總結- 21 -</p><p>　　參考文獻- 22 -</p><p>　　致 謝- 23 -</p><p><b>　　一 緒論</b></p><p><b>　　移動機器人概述</b></p><p>　　

14、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</p><p>　　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</p><p>　　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如抓取、操作等動作，平臺的移動用來擴展機械手

15、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。</p><p><b>　　課題研究意義</b></p><p>　　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

16、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。</p><p>　　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。</p><p>　　二 校園垃圾拾撿機器人總原理</p><p>　　2.1 機器人

17、總原理圖</p><p>　　圖2.1 機器人總原理</p><p>　　2.2 機器人的操控過程</p><p>　　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)。</p><p>　　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

18、沒有發(fā)現有垃圾時，機器人繼續(xù)向前行進，尋找目標，直至發(fā)現在其范圍內發(fā)現垃圾時，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。</p><p>　　機器人在工作過程中，通過周圍裝有傳感器發(fā)現有障礙物時，

19、控制轉向電機啟</p><p>　　動，控制機器人轉向，避開障礙物。</p><p>　　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。</p><p>　　三 機械手夾緊機構—手爪設計</p><p>　　機械手

20、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。</p><p>　　設計制造夾緊機構---手爪時，其夾緊力的大小則系根據夾持物體的重量，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</p><p>　　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</p><p>　　3

21、.1 手爪的工件原理</p><p>　　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)</p><p>　　3.2 手爪技術參數</p><p>　　抓重

22、（kg）=1kg</p><p>　　尺寸范圍（mm）:t/d<84mm</p><p>　　3.3 夾緊力的計算</p><p>　　夾緊機構在抓取物體時必須有一定的夾緊力即握力，其握力大小與夾緊機構的形</p><p>　　式，夾緊方位和工件的形狀有關，因而需要研究夾緊機構在什么方向時，夾緊工件所需的驅動力為最小，這個最小的夾緊力稱

23、為當量夾緊力，當量夾緊力就是使工作處于水平位置時的最小驅動力</p><p>　　3.3.1 當量夾緊力的計算（滑槽式的兩指夾緊機構）</p><p>　　（1）當夾緊機構上指平衡時 </p><p><b>　　由夾緊力概念可知</b></p><p><b>　?。?）考慮工件重量</b><

24、;/p><p>　　由式（1）+式（2）得</p><p>　　當手爪尚未夾緊工件時所需的最小驅動力</p><p>　　將（3）代入（1）式</p><p>　　*說明杠桿滑桿式兩指間其當量夾緊力為工件重量的1/2</p><p>　　3.3.2 手指夾緊力的計算</p><p>　　四 垃圾拾

25、撿機器人移動平臺設計與計算</p><p><b>　　移動平臺的工作原理</b></p><p>　　移動平臺是采用傳感器技術自動控制移動平臺的向前行進（后退）和轉向的一種全自動化的移動平臺。機械人通過視覺傳感器，傳達垃圾位置信息，進而控制移動平臺的前進與否及轉向。</p><p><b>　　控制原理過程如下</b>&

26、lt;/p><p>　?。?）移動平臺直線移動</p><p>　　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)現有垃圾時，機器人繼續(xù)向前行進，尋找目標，直至發(fā)現在其范圍內發(fā)現垃圾時，移動平臺停止移動，啟動機械手控制系統(tǒng)，將垃圾拾撿入垃圾箱，之后機器人繼續(xù)移動。</p><p><b>　　（2）移動平臺轉向</b></

27、p><p>　　機器人在工作過程中，通過車體周圍裝有傳感器發(fā)現有障礙物時，且需避開，控制轉向電機啟動，進而控制移動平臺轉向。</p><p>　　采用梯形連桿機構轉向，如下圖4.1</p><p><b>　　4.2 方案設計</b></p><p>　　（1）四輪驅動，四輪轉向</p><p>　　

28、（2）前輪驅動，后輪轉向</p><p>　　（3）后輪驅動，前輪轉向（★）)</p><p>　　4.2.1 驅動原理（如圖4.2）</p><p><b>　　驅動路線</b></p><p>　　前輪轉向原理（如圖4.3）</p><p><b>　　轉向路線</b>&

29、lt;/p><p>　　圖4.2 驅動原理圖</p><p>　　圖4.3 轉向原理圖</p><p><b>　　電動機選型</b></p><p>　　選取電動機為Z2系列的自通風直流電動機，額定功率P=1.5kw,額定轉速1500r/min,額定電壓220v。即Z2-22</p><p>　

30、　主要技術數據見（表1）</p><p>　　表1 電動機尺寸參數</p><p>　　圖4.4 電動機的結構</p><p><b>　　設計鏈傳動</b></p><p>　　鏈輪轉速分別為： 中心距a不小于300mm</p><p><b>　　選擇鏈輪齒數</b&g

31、t;</p><p><b>　　傳動比 </b></p><p><b>　　假設鏈速</b></p><p>　　由表5.14取小輪齒數,大輪齒數</p><p>　　4.4.2 確定鏈節(jié)數Lp</p><p>　　初定中心距a=25P </p><p

32、><b>　　確定鏈條節(jié)距</b></p><p>　　由圖 5.26按小齒輪轉速估計工作點落在線頂點左側Km=1.0, 表5.11查得工作情況系數KA=1.3,由表5.12查得小齒輪齒數系數Kz=1.11, 由圖5.28查得鏈長系數Kl=1.06 </p><p>　　彩單排鏈，由表查得多排系數，因此實際工作條件下的傳動功率為 </p><

33、p>　　由小鏈齒輪的轉速和功率，由圖5.26選擇滾子鏈型號為08A ，其節(jié)距為P=12.7mm</p><p>　　確定鏈長L 和中心距</p><p>　　得a=318.9mm</p><p><b>　　中心距減少量</b></p><p><b>　　實際中心距</b></p&

34、gt;<p>　　4.4.5 驗算速度 </p><p><b>　　作用于在軸上的軸力</b></p><p><b>　　設計結果</b></p><p>　　滾子型號 08A—1×94 GB1243.1-83</p><p><b>　　鏈輪齒數 &l

35、t;/b></p><p>　　中心距 a=318mm</p><p><b>　　鏈輪的設計及計算</b></p><p><b>　　由以下公式：</b></p><p><b>　　分度圓直徑 </b></p><p>　　齒根圓直

36、徑 （為滾子直徑）</p><p>　　最大齒根距離：偶數齒 </p><p><b>　　奇數齒 </b></p><p>　　齒根最大距離： 取整</p><p>　　齒頂圓直徑 取整</p><p>　　鏈輪設計計算如下表2（GB 1244-76）

37、</p><p><b>　　表2</b></p><p><b>　　軸的設計及計算</b></p><p>　　選擇軸的材料及熱處理</p><p>　　由于軸傳遞的功率不大，對其重量和尺寸也無特殊要求故選擇常用材料45鋼,調質處理.</p><p><b>　

38、　初估軸徑</b></p><p>　　軸承選?。狠S承主要受徑向力作用，可選用軸承為深溝球軸承6405和6406,根據軸承確定各軸安裝軸承的直徑為:D1=25mm D=230mm</p><p><b>　　結構設計</b></p><p>　　各軸直徑的確定：初估軸徑后,句可按軸上零件的安裝順序,從右端開始確定直徑.該軸軸段1

39、安裝軸承6406,故該段直徑為25mm。2段裝軸承6406，為了便于安裝，取2段為30mm。左端用軸肩固定，計算得軸肩的高度為5mm，取3段為40mm。4段與車輪用螺栓聯(lián)接，取直徑100mm。</p><p>　　各軸段長度的確定：軸段1的長度為軸承6406的，取L1=100mm。2為軸承6406寬度和軸承到支撐腳內壁的距離加上支撐腳內壁之間的距離段取為L2=100mm。3段的長度按軸肩寬度公式計算L3=1.4h

40、；取L3=90mm，4段：L4=10mm。于是，可得軸的支點上受力點間的跨距L1=100mm，L2=100mm，L3=107.5mm。</p><p><b>　　軸上零件的周向固定</b></p><p>　　為了保證良好的對中性。與軸承內圈配合軸勁選用k6，l鏈輪與軸采用A型普通平鍵聯(lián)接，為鍵GB/T 1096——2003鍵6*6*18</p>&

41、lt;p><b>　　軸上倒角與圓角</b></p><p>　　為保證6405和6406軸承內圈端面緊靠定位軸肩的端面，根據軸承手冊的推薦，取軸肩圓角半徑為1mm。其他軸肩圓角半徑均為2mm。根據標準GB6403.4-1986，軸的左右端倒角均為1*45。</p><p><b>　　軸的校核</b></p><p&g

42、t;<b>　　判斷危險截面</b></p><p>　　顯然，如圖所示，B剖面右側合成彎矩最大、扭矩為T，該截面右側可能是危險截面； </p><p>　?。?）軸的彎扭合成強度校核</p><p>　　而d=20mm>10.7mm,故滿足強度要求</p><p>　　同理，前輪轉向主動軸和從動軸及轉向連桿軸也同

43、樣滿足強度要求</p><p>　　各軸詳細數據見工程零件圖紙</p><p><b>　　聯(lián)軸器的選擇</b></p><p>　　確定聯(lián)軸器的計算轉矩</p><p><b>　　=</b></p><p>　　----工作情況系數，取=1.3</p>&l

44、t;p>　　4.7.2 由和選擇聯(lián)軸器的型號與尺寸</p><p>　　----為所選用型號的許用轉矩 </p><p>　　------被聯(lián)接軸轉速 </p><p>　　----聯(lián)軸器的最高轉速 </p><p><b>　　由和</b></p><p>　　電機輸出軸與減速器聯(lián)接及

45、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</p><p>　　4.7.3 外形結構，技術參數</p><p><b>　　表3 </b></p><p>　　表3 聯(lián)軸器技術參數</p><p><b>　　減速器的選擇<

46、/b></p><p>　　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</p><p>　　表4 減速器技術參數</p><p><b>　　鍵的選用與校核</b></p><p>　　4.9.1 鍵的選用過程</p><

47、p>　　根據軸徑D查鍵的標準→鍵的斷面尺寸（b×h）↘</p><p>　　→強度計算（必要時）</p><p>　　根據輪轂的寬度B→鍵的長度L(L<B) ↗</p><p>　　4.9.2 鍵的選型</p><p>　　選用平頭普通平鍵（B型） </p><p>　　GB

48、/T1096-2003鍵B6×6×16和GB/T1096-2003鍵B8×7×20</p><p><b>　　圖4.8 鍵校核</b></p><p>　　4.9.3 鍵的校核</p><p><b>　　擠壓強度條件公式</b></p><p>　　B=

49、6 h=6 l=16 d=18 T=14</p><p>　　由軸與鏈輪 聯(lián)軸器的材料選?。ㄝp度沖擊載荷）</p><p><b>　　故滿足擠壓強度條件</b></p><p><b>　　同理</b></p><p><b>　　滿足擠壓強度條件</b>

50、</p><p><b>　　軸承選擇</b></p><p>　　4.10.1 軸承選型</p><p>　?。?）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。結構參數見（圖表4.9）</p><p>　?。?）前輪采用軸承同時受徑向力和軸向力，主要受軸向力作用

51、，且軸向力作用較大時，選用圓錐滾子軸承系列，30307。結構參數見（圖表4.10）</p><p><b>　　圖表4.9</b></p><p><b>　　圖表4.10</b></p><p><b>　　軸承的軸向緊固方式</b></p><p>　　采用端蓋緊固軸承外圈

52、和軸肩緊固軸承內圈</p><p><b>　　軸承的安裝形式</b></p><p>　　?軸承均是成對出現的，均采用背對背方式安裝定位的如下圖4.11</p><p><b>　　圖4.11 </b></p><p><b>　　螺紋緊固件選型</b></p>

53、<p>　　4.11.1選型見（表5）</p><p><b>　　表5</b></p><p>　　校核軸與車輪的聯(lián)接螺栓強度</p><p>　　如圖4.12 T=14 r=35mm n=4 由表查得螺栓材料的許用剪切應力=2.5（靜載荷）</p><p><b>　　由和

54、剪切強度條件</b></p><p><b>　　滿足強度條件</b></p><p><b>　　圖4.12</b></p><p><b>　　防松裝置</b></p><p>　　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）</p&

55、gt;<p>　　選用 銷5×40 GB91（大鏈輪防松）</p><p>　　圖4.13 雙螺母防松</p><p>　　圖4.14 開口銷防松</p><p><b>　　4.13密封件選擇</b></p><p>　　軸的外表面氈封圈密封，見表6，ZB68-62 </p>&

56、lt;p><b>　　表6</b></p><p>　　五 一些標準零件一覽表</p><p><b>　　表7</b></p><p><b>　　六 總結</b></p><p>　　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

57、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。</p><p>　　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

58、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。</p><

59、;p>　　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。</p><p>　　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

60、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。</p><p>　　我們知道，我們的設計還存在很多

61、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。</p><p>　　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！</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]于就泗，齊發(fā)主編.機械工程材料：大連

62、理工大學出版社，2007</p><p>　　[2]蔡春源主編。簡明機械零件手冊：冶金工業(yè)出版社，1995</p><p>　　[3]劉力主編，王冰副主編。機械制圖第二版：高等教育出版社，2002</p><p>　　[4]楊明忠，朱家誠主編。機械設計：武漢理工大學出版社，2001</p><p>　　[5]機械工程手冊第5卷：機械工業(yè)出版社

63、，1982</p><p>　　[6]機械工程手冊第6卷：機械工業(yè)出版社，1982</p><p>　　[7]中小型電機標準匯編：技術標準出版社，1971</p><p>　　[8]劉鴻文主編。材料力學（Ⅰ）：高等教育出版社，2004</p><p>　　[9]陸祥生 楊秀蓮編。機械手-理論及應用：中國鐵道出版社，1985</p>

64、;<p>　　[10]哈爾濱工業(yè)大學理論力學教研室編。理論力學（Ⅰ）第六版：高等教育出版社，1981</p><p>　　[11]劉鴻文主編。材料力學（Ⅱ）：高等教育出版社，2004</p><p>　　[12]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，2002</p><p>　　[13]關文達主編。汽車構造（第二版）：機械工

65、業(yè)出版社，2004.10</p><p>　　[14]王望予主編。汽車設計（第四版）：機械工業(yè)出版社，2004.8</p><p>　　[15]電機工程手冊第四卷，機械工業(yè)出版社，1996.7</p><p>　　[16]鄭文緯 無克堅主編。機械原理（第七版），高等教育出版社，1996.11</p><p><b>　　致 謝&