垃圾捡拾机器人控制结构设计毕业设计论文.docx
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垃圾捡拾机器人控制结构设计毕业设计论文
垃圾捡拾机器人控制结构设计毕业设计（论文）
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毕业设计（论文）
垃圾捡拾机器人控制结构设计
GARBAGEPICK-UPROBOTCONTROLARCHITECTUREDESIGN
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摘要
现今社会的公共卫生的保持还是需要消耗大量的人力，如果通过机器人来完成城市清洁的工作，就可以解放大量的劳动力。
在研究了垃圾捡拾机器人的情况之后，可以知道这种机器人的发展趋势是非常不错的，有着很高的研究价值。
本文主要对垃圾捡拾机器人的控制结构进行了研究。
通过查找文献，了解了机器人发展的状况与趋势，然后再对控制结构进行分析与设计。
这样我们就能够利用控制系统使机器人做到远程自动控制，大大的节约了社会资源，创造了丰富的价值。
关键词垃圾捡拾机器人；液压控制；PLC控制
Abstract
Modernsocietytomaintainpublichealthortheneedtoconsumealotofmanpower,ifthecitycleanworkdonebyarobot,youcanliberatealotoflabor.Afterstudyingthesituationofgarbagepickuptherobot,therobotcanknowthetrendsareverygood,hashighresearchvalue.
Inthispaper,garbagepick-uprobotcontrolstructurewerestudied.Bylookingforliterature,tounderstandthesituationanddevelopmenttrendoftherobot,andthencontrolstructureanalysisanddesign.Sothatwecanusetheremotecontrolsystemenablestherobottoachieveautomaticcontrol,greatlysavingsocialresources,tocreatearichvalue.
KeywordsGarbagepick-uprobotHydrauliccontrolPLCcontrol
全套图纸外文文献
扣扣1411494633
1绪论
1.1概述
1.1.1课题研究的背景和意义
虽然现在的社会是一个全民素质不断提高的社会，但是还是会存在一些随地乱扔垃圾的现象，还有生活垃圾的胡乱摆放的问题。
这些行为会对我们的生活环境产生许多不良的影响，假如有一个可以做到自动捡拾垃圾的机器人的话，这种情况就会得到很大的改善。
所以研究一台具有自动导航、识别目标、清理目标的能力的垃圾捡拾机器人既具有相当大的科研价值、又具有较高的实用价值。
这样的一台机器人能很好的满足城市清洁的需求。
1.1.2移动机器人的发展与应用
在机器人这个概念提出之后，无数看到其潜在价值的有识之士都对其投入了大量的人力、物力及财力。
在这样的一个良好的发育环境下机器人的发展亦是不断的进行着飞跃般的进步，在不同的领域中机器人的应用愈来愈广泛，同时不同类型的机器人如同雨后春笋一般的冒了出来，使机器人的大家族不断的扩张。
在这之中移动机器人以机器人的重要分支之一的身份从众多的机器人种类中脱颖而出，并不断的向着更高的水平发展。
最早的移动机器人是由斯坦福研究院（SRI）的NiISSen和CharleSRosen等人在1966年到1972年之间制造的名为Shakey的移动型机器人，由此开启了对移动机器人研究的新的时代。
这项研究是为了能够在较为冗杂的工作与环境下，通过应用人工智能技术使移动机器人系统能够做到自主的分析、判断和控制来完成任务。
步行机器人的出现解决了机器人在高低起伏地区容易出现行动困难的问题，而且推动了多足步行机器人的研究。
机器人的研究在计算机技术和传感器技术的发展下，非常迅猛的发展起来。
在这样的一股热潮下世界各大机构、组织与公司等，都加入了机器人研究的行列中来。
而他们所制造的机器人则又可以作为各个大学和研究机构的实验平台，对机器人的研究进行反哺，从而促使机器人在不同领域中都能够得到充足的发展。
其中美国NASA提供资金进行研发的“丹蒂II型”八足行走机器人，就是一个远程探险型机器人。
它与其他的机器人相比较，与众不同的地方在于它在1994年的时候在斯珀火山的火山口中进行了成功的探险测试。
虽然它在完成任务后返回的途中，在一处地面环境极差的路上失去了平稳性，但它作为探险型机器人的探险任务却是的到了圆满到的完成。
而别的机器人在类似的探险运动过程中，都还必须要在工作人员的参与下才能完成探险的任务。
丹蒂计划的主要研究目的是为了能够在月球那凹凸不平的表面或其它人类足迹不容易踏上星球的表面进行探险而设计一种高性能移动机器人。
而现在这个设想已经完成，人类发送的移动机器人已经在近地的几个星球上留下了它们行走的痕迹。
就目前来看，国内对于移动机器人方面的研究因为起步比较晚的缘故,和国外的一些研究成果还存在着很大的差距，大多数的研究还只是对某些单个项目进行研究。
不过在国人的努力下，各大院校和研究中心都有移动机器人方面的研究成果面世。
其中清华大学研制的智能型移动机器人在1994年通过了实际运行的考验。
它涉及了五个方面的关键性技术：
根据地图的路径规划技术研究；根据传感器的局部路径规划技术研究；路径规划的仿真技术研究；传感器技术与信息交互技术研究；智能移动机器人的结构设计和实现。
香港城市大学的自动化及制造研究中心在对智能设计进行了一段时间的研究后研制了智能型自动导航车和自主服务机器人。
位于沈阳的中国科学院自动化研究所则是制造了AGV和防爆机器人。
还有许多的研究成果在这里就不一一详细列举和介绍。
关于移动机器人的研究大多围绕着各自不同的领域展开，各个方面都存在着不同的难题等着人们去解决。
第一，要考虑机器人的移动方式，它们有：
轮式、履带式、仿足式，而对于水下机器人，则靠推进器来进行移动。
因为不同的使用个环境对机器人的移动方式有着不一样的要求，因此在确保移动便捷的同时是机器人具备在多种地形下的移动能力也是研究的重点。
第二，要考虑驱动系统的控制，来让机器人达到要求的移动。
如果不能准确的控制机器人的移动，那么移动机器人的使用价值将大打折扣几近于零，这是一个必须仔细考虑到的问题。
第三，导航系统或移动路线的规划，在规划路线时，存在着更多的方面需要考虑，比如传感器信号的交互通信，对外界环境特征的提取，避免产生碰撞以及环境的映射。
这些不同方面的要求，促使着人们迎接许多新的挑战和工程技术上难题，并不断促进着移动机器人的发展，引起了许多这些方面的专家教授和工程技术人员们不断钻研的热情。
还因为它在国防军事的侦察、排险、防范核化污染等危险的环境以及在生产生活中的原材料的搬运和零部件的装配上具有广阔的发展前景，所以对移动机器人的研究将是一个长期且艰难的过程，但也是一个对社会发展有极大促进的过程，值得我们为此投入大量的精力。
移动机器人的系统组成是把探测、分析、判断、控制等多种模块结合在一起，进而在现实环境中完成所要求的任务。
因此移动机器人系统就是一个整合了周围环境探测、信息分析与判断、动作控制与执行等多种功能的综合系统。
而移动机械手则是一种在一个可移动式的装载平台系统上安装机械手来组成的移动机器人系统。
这样的机械手系统可以实现抓取、持有和放置的操作，借助装载平台的移动使机械手的工作范围得到极大的提升并且具备相当高的运动冗杂性。
移动机械手系统是一个涉及多个学科，比如：
机械、电子、计算机视觉、无线通讯与智能控制等的综合性系统。
应用了这些知识的移动机器人将会为机器人导航、模糊控制以及神经网络等方面的研究提供良好的基础与平台。
而且这种机械手在工业装配与运输、恶劣环境中代替人们工作和室内服务性工作等方面都有很高的使用价值和研究价值。
1.1.3主要研究内容与研究方法
将移动机器人的技术应用到垃圾捡拾机器人领域中并对机器人的控制结构的设计是本次研究的主题，即本次研究的目的就是能够做到，通过一定的控制手段使机器人在接受到传感器传送来的信号后能够较为准确的进行移动与抓取操作。
在研究的过程中，我们需要使用到许多的资料和文献，把他们进行整理并吸收它们中对自己研究方向有用的部分使自己的想法更具可行性。
在确定了方案之后，通过计算来获得更为合理的方案与数据。
1.2垃圾捡拾机器人的运行框图
垃圾捡拾机器人正式的工作过程可以用图1.1的过程来表示，具体如下：
开启机器人系统后①机器人的软件操作系统启动；②对机器人进行自检并初始化任务，同时把当前的状态进行储存；③先通过传感器确定周围的环境，建立区域地图；④在开始寻找目标；⑤数据确定后，机器人开始垃圾的捡拾工作。
图1.1垃圾捡拾机器人运行框图
2垃圾捡拾机器人方案设计与选择
2.1捡拾机构设计
2.1.1方案一：
铲斗车型结构
现实生活中铲斗车的使用非常的频繁，这使这种结构的实际已经趋于完善，人们对于它的适用范围与特点基本已经了解清楚。
这种方案设计的主要优点是它的结构较为简单，易于制造和维护；操作简便，可以节约过多的操作带来的浪费。
并且使用铲斗车型结构会使整体结构更加的紧凑，减小设计出来的机器人的体积。
则铲斗车的与铲斗的示意图如图2.1,2.2所示：
图2.1铲车示意图图2.2铲斗示意图
然而这种结构在捡拾垃圾的过程中却存在着致命的缺点，它在工作的过程中存在着较大的不稳定性，极有可能不能很好的处理某些垃圾（如易拉罐、纸片之类），而且由于它的一次拾取的范围有点大会对周围的环境产生破坏。
所以这种结构只能作为备用选项来进行考虑。
2.1.2方案二：
机械手抓取型结构
机械手机构现在大多都是应用于工业生产中，通常情况下都是较为大型的机械手，一般是有液压进行驱动，也有使用气压来驱动的。
它们有的进行搬运的工作，有的进行着零件的装配。
将机械手应用于日常生活中的设计向具有很高的研究意义与价值，这将会对我们整体社会的公共基础设施建设起到良好的促进作用。
采用机械手结构来进行垃圾的捡拾，对比铲斗车结构可以发现机械手机构具有许多铲斗车结构所不具备的优点。
机械手的抓取机构针对性强不容易产生抓取错误的情况，不会对周围的环境产生不良的影响。
但是它在具有诸多优越性的同时也因为为了达到这些优点导致机械手机构存在着结构复杂的缺点和因此引发的制造与维修的困难，而且要达到精确的操控机械手的移动与抓取则需要灵敏的感应系统以及良好的控制系统。
2.1.3方案三：
旋转毛刷收集机构
现在市面上已经有了多种的家用清洁机器人，其中尤以智能型机器人应用前景最为高，且已经在一定范围中被广泛的使用。
这种结构在收集垃圾的过程中可以把它碰到的，只要是能够被毛刷带动的垃圾几乎都可以被清理干净。
这种结构在处理小型垃圾及尘埃等垃圾是有很好的效果，非常适合应用于家庭卫生的处理。
对于那些上班族或者是由于工作繁忙而没有时间来打理卫生的人们来说，这无疑是一个非常好的垃圾捡拾机器人。
然而我们这次设计的机器人不仅仅只考虑到在家庭等类似环境中的应用，还要对它在公共场所的使用情况进行考虑。
在公共场合中会有部分的垃圾是只依靠毛刷的旋转所不能够收集到的，这样就会造成垃圾捡拾机器人除了家庭使用外不能在其他场合下更好的完成任务。
2.1.4捡拾方案的确定
在对上述三个方案进行比较，并对铲斗车、机械手和旋转毛刷的现状进行了了解后，最终决定了使用方案二即机械手抓取机构作为本次研究的垃圾捡拾机器人的捡拾机构。
因为机械手可可发展性较高，而且属于新兴可以范畴，发展潜力以发展价值都很高。
2.2移动形式的确定
机器人的移动方式存在有轮式、履带式及仿足式等，我们在考虑到机器人的工作环境并不会出现路面状态特别差的情况，所以在这里我们可以直接选择使用轮式结构来作为机器人的移动方式。
3机器人工作过程简单分析与机械臂机构设计
3.1工作过程简单分析
3.1.1垃圾捡拾机器人驱动的简单分析
机器人的驱动采用电机进行驱动，方便实用，控制较为简单。
机器人的移动形式采用轮式结构，则可以选择三轮、四轮等，在这我们选用四轮行走并且是后轮作为驱动轮而前轮则进行方向的控制，即二轮驱动。
这样的驱动结构相当的平稳，且极具代表性。
在一般的道路上通常都是使用这样的后轮驱动前轮转向的驱动方式，大部分的车辆都是采用这种方式。
虽然现在不断的有各种各样的，新颖的驱动方式出现，但是现在及以后的较长一段时间内还会是这种方式占据主流地位，这是毋庸置疑的。
由上文可知，驱动方式为前轮控制转向后轮提供动力的方式，那么前后轮是否采用联动形式呢？
在考虑到设计的初衷后，决定不采用联动形式而是前后轮分别有电机进行控制，这种方式更加的简单方便。
3.1.2捡拾机器人的机械手的工作分析
图3.1机械手示意图
由图3.1可以看出通过摆动液压缸4的顺时针转动或者逆时针转动来带动上面的整个摆动台进行转动从而带动整个机械手转动，液压缸1的收缩与推出带动大手臂在上下方位上进行摆动，液压缸2的收缩与推出将会带动小手臂在前后方位上的摆动，而液压缸3的收缩与推出则会带动机械手手爪的闭合与张开。
这样的工作过程是为了能够更好的对机械手进行准确的控制，来完成垃圾的捡拾任务。
这是一个完全依靠液压系统来完成捡拾操作的机械手结构，类似的机械手在工业生产中的应用非常广泛，尤其是在货物的搬运以及零件的装配方面尤为突出，还能通过对机械手进行改装，可以使其能够辅助完成对物料的切割和零件的喷漆与涂覆特殊材料等。
目前较为大型的机械手已然发展的非常不错，之前曾在某个科技展示会上看到一个高约为两米左右的机械手可以对不同颜色的药片之类进行分类并放置，这让我很是惊叹。
3.1.3机器人支撑座
机器人支撑座用于支撑整个移动机器人系统，并提供系统的移动能力的加载空间。
由于本次设计的主要目的是机器人的控制系统的设计，所以支撑座的选择可以尽量的简单。
于是经过一段时间的考虑后，决定使用简单的平板型支撑座，这样就能在达到支撑效果与提供足够的空间以外，提高了机器人的实用性。
3.2机械臂的机构设计
3.2.1机械臂机构的设计要求
由于机械臂要承受机械手与机械手所要抓取的物品的重量，所以它要具有足够的强度。
这样才能够在机械臂进行工作的时候，保证其不会产生扭曲或者断裂的现象。
而且在保证足够强度的前提下，同时我们还要尽可能的减少机械臂的重量，减轻它的惯性力，避免出现意外状况时使机械臂受损。
机械臂设计出来之后还要具有很好的通用性，这样才能在应用环境发生变更的情况下，还能在进行小幅度的改变后继续工作。
3.2.2机械臂机构的具体设计
对整体机械手的示意图情况进行分析后我们可以得到如图3.2所示的机械臂机构简图。
综合考虑之后可以知道，该机械臂应该有三段手臂，其中的两段手臂可以进行统一行动，即它们可以合为一个手臂来完成作业，减少了控制难度，如图3.3.
图3.2机械臂机构简图
图3.3两段机械臂机构简图
上述的机械臂都属于关节型机械臂，这种机械臂就要是两端的旋转点的旋转进行运动的。
这种机构的特点是它可以在狭小的空间中更好的运动，且占空间小。
它的旋转点采用转轴的形式来完成，这样就可以在液压系统的拉力或推力的作用下进行摆动。
对于机械臂的强度即刚度的计算入下，
式（3.1）
k——结构刚度是指弹性物体抵抗形变的能力
P——作用于物体的力
σ——由于力产生的形变
则我们可以知道必须在知道其形变的的情况下进行相应的计算。
4液压控制环节
4.1液压控制的优点
对于机械手的控制方式有气压传动控制与液压传动控制等方法，它们各自都有其优缺点。
其中气压传动的优点有：
回路中的介质为空气，取之不尽用之不竭，而且在那些易燃易爆的环境下使用，更是为工作人员提供了安全的工作环境；空气在回路中的流动阻力较小，便于远距离的传输动力；参与控制的执行元件的结构较为简单，制造方便，且易于维护，所以使用的寿命比较长。
但是气压传动系统还是存在着许多的缺点，如：
因为它的传动介质是空气，空气的可压缩性相当高，这会导致传动系统的平稳性变差，容易影响我们对系统控制的准确性；气压传动在工作的时候会产生相当大的噪音，这将会影响周围的环境，而我们的目的是设计一个可以在公共场合使用的机器人，如果噪音过大则它在应用是必然会产生不必要的麻烦；虽然本次设计的机器人的体积并不是很小，但总的来说其实也只是一个小型的机器人，而气压传动要想达到和液压传动所达到的功率一致则需要的体积将会远远大于液压系统的体积大小。
所以我们在经过深思熟虑后决定采用液压传动系统来做为本次设计的机械手的控制系统。
更多的原因是因为液压系统的优点与我们想要的控制方案很吻合。
采用液压系统进行控制的原因是其具备与整体机器人系统的良好适配性：
①在相同功率的情况下，液压系统的执行元件的体积相当小、重量比较轻、整体结构较为紧凑。
例如同功率液压马达的重量约只有电动机的1/6左右，还有我国制造的1m3型挖掘机在采用液压传动后，它的整体质量与采用机械传动时相比减轻了足足1t的重量。
这样就能让我们设计的机器人的重量减轻，减少了由于质量给驱动系统带来的压力；②液压传动系统的各种元件，可根据实际需要进行方便、灵活地布置；③液压系统的装置工作状况比较平稳，由于重量比较轻所以惯性小，整个液压系统的反应很快，液压装置能相当容易的实现机械手的快速启动、制动和频繁的变更方向；④系统的操纵与控制非常方便，可以实现较大范围内的无级调速（其调速范围可达2000：
1，可以比较容易得到极低的速度），它甚至可以在运行的过程中进行调速而不会对运动本身产生较大的影响。
如此方便的调整方式，让机器人能够在机械手运行中如果出现错误能够及时的修正；⑤液压系统的工作介质一般会采用矿物油作为其工作介质，这样可以让相对运动的平面之间能够自行润滑，使机械手的使用寿命更长，达到节约资源的目的；⑥液压系统可以较为轻易的实现直线运动，通过连接方式的不同可以使机械手做到在各个方向上的运动；⑦对实现机器的自动化和实现整体控制系统的过载保护有很大的帮助，让机械手在运行的过程中确保了安全的第一要务。
如果采用电液联合控制甚至使用计算机进行控制的话，可以实现大负核、高精确度、远程自动控制；⑧液压系统的各种元件已经实现了标准化、系列化和通用化，便于设计、制造和使用，这样对于机械手的液压系统的元件选择就有了一个可靠的标准。
4.2液压系统控制油路图
液压系统的控制采用的是电气与液压共同作用来达到自动控制的目标，使社会的人力资源能够大大的减少，并用于其他有需求的地方。
这样的液压系统设计有着丰富的社会经济价值，也只有这样的液压控制系统才会真正的被人们所认可并且被人们大量的使用，才能够真正的应用于实际生活中。
根据垃圾捡拾机器人的机械手工作分析得到如下图4.1所示的液压控制油路图：
图4.1液压油路控制图
通过上面的液压油路控制图可以知道该系统是由4个三相四通电磁换向阀来分别控制4个油缸的运动，换向阀与油缸之间则通过锁紧回路连接起来，如此一来油缸就可以更为准确的停在某个要求的位置，这样就提高了移动机器人的机械手在工作的时候的精准度和效率。
而整个机械手运动的速度则要依靠电磁比例溢流阀按照一定的比例来控制整个油路里的压力大小来对整体的速度进行控制，同时可以使油路中的压力不会上升的过高。
而这五个电磁阀的接通会产生的效果如下所述：
当1YA接通时，溢流阀会在油路里的压力过高时进行降压使油路中的压力不至于对液压设备造成破坏，起到了过载保护的作用。
当2YA接通时，机械手的手爪会张开，起到松开垃圾和为下次垃圾的抓取做准备的作用。
当3YA接通时，机械手的手爪会闭合，以此来实现抓取目标垃圾的目的。
当4YA接通时，手臂1即与摆动台连接的部分开始向下放下手臂。
当5YA接通时，手臂1开始向上提高手臂。
当6YA接通时，手臂2即与装载有机械手手爪的部分向后摆动。
当7YA接通时，手臂2向前摆动。
当8YA接通时，液压摆动缸进行顺时针摆动，从而通过摆动缸使整个机械手做顺时针的摆动。
当9YA接通时，带动整个机械手进行逆时针的摆动。
10S行程开关，发出信号对机械手进行控制，让机械手手爪松开，并放下垃圾。
11S行程开关，发出信号，控制单叶片摆动液压缸开始摆动。
而与机械手相连接的调速阀则是用于控制机械手手爪抓紧垃圾的速度。
整个机械手的液压工作过程如下：
首先，通过传感器可以得到目标垃圾的位置信号，然后在接收到这个信号时电气控制系统会对3YA，4YA，6YA，7YA进行控制，逐渐的把机械手手爪移动到了垃圾的上方并进行抓取垃圾操作。
其中4YA先得电使手臂1的活塞杆推出，让手臂1向下摆动；6YA或7YA得电（具体情况视垃圾的位置而定），使手臂2向后或向前摆动；3YA得电，机械手手爪开始对垃圾进行抓取。
接收到垃圾已经被抓取完毕的信号后，让5YA与9YA得电使手臂1的活塞缸和摆动液压缸工作，在机械手手臂向上移动到合适位置时使5YA失电，摆动液压缸在9YA得电的情况下，开始进行逆时针摆动。
当摆动液压缸旋转到一定角度后就会触发行程开关，然后2YA得电，机械手手爪松开，垃圾进入垃圾箱中。
在机械手手爪张开到最大时触发行程开关使8YA得电摆动液压缸开始顺时针摆动使机械手回归初始位置。
4.3液压系统油缸选型
4.3.1摆动液压缸的选型
随着液压缸技术的不断发展，液压缸已经出现了许多不懂的类型，其中摆动液压缸就可以分成螺旋摆动液压缸、叶片摆动液压缸和齿轮齿条液压缸这三种类型。
其中齿轮齿条摆动液压缸具有许许多多的优良特质，但是它的体积相对于其他两种来说略显偏大，故不作考虑。
本文讨论了下列两种摆动液压缸的具体情况，它们分别是叶片型摆动液压缸和螺旋型摆动液压缸这两种。
通过把这两种摆动液压缸的特点进行比较后，我们可以发现螺旋型摆动液压缸的整体密封效果非常好，且具有很高的旋转扭矩并且能够在非常高的工作压力在正常的运行，但是它的制造要求的精度是非常高的。
而叶片型摆动液压缸的整体结构非常的紧凑，而且它的输出转矩比较大，可是它的整个液压缸的密封效果较差，会出现一定的泄露情况。
由于本次设计的移动机器人系统在对机械手的控制过程中所需要的压力并不是很大，属于中低压系统，而叶片摆动液压缸在中低压系统中诸如转位、往复摆动和间歇性运动等运行状态对比螺旋摆动液压缸具有相当大的优势，故选用叶片摆动液压缸。
叶片型摆动液压缸在根据它的内部结构中叶片的数量，还可以分成单叶片摆动液压缸
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