畢業(yè)設(shè)計(jì)-垃圾撿拾機(jī)器人控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖書分類號：密級：畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)垃圾撿拾機(jī)器人控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)GARBAGEPICK-UPROBOTCONTROLARCHITECTUREDESIGN學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用或參考的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品或成果。對本文的研究做出重要奉獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)注。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承當(dāng)。論文作者簽名：日期：年月日學(xué)位論文版權(quán)協(xié)議書本人完全了解關(guān)于收集、保存、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：本校學(xué)生在學(xué)習(xí)期間所完成的學(xué)位論文的知識產(chǎn)權(quán)歸所擁有。有權(quán)保存并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交學(xué)位論文的紙本復(fù)印件和電子文檔拷貝，允許論文被查閱和借閱?？梢怨紝W(xué)位論文的全部或局部內(nèi)容，可以將本學(xué)位論文的全部或局部內(nèi)容提交至各類數(shù)據(jù)庫進(jìn)行發(fā)布和檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。論文作者簽名：導(dǎo)師簽名：日期：年月日日期：年月日摘要現(xiàn)今社會的公共衛(wèi)生的保持還是需要消耗大量的人力，如果通過機(jī)器人來完成城市清潔的工作，就可以解放大量的勞動力。在研究了垃圾撿拾機(jī)器人的情況之后，可以知道這種機(jī)器人的開展趨勢是非常不錯(cuò)的，有著很高的研究價(jià)值。本文主要對垃圾撿拾機(jī)器人的控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。通過查找文獻(xiàn)，了解了機(jī)器人開展的狀況與趨勢，然后再對控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)。這樣我們就能夠利用控制系統(tǒng)使機(jī)器人做到遠(yuǎn)程自動控制，大大的節(jié)約了社會資源，創(chuàng)造了豐富的價(jià)值。關(guān)鍵詞垃圾撿拾機(jī)器人；液壓控制；PLC控制AbstractModernsocietytomaintainpublichealthortheneedtoconsumealotofmanpower,ifthecitycleanworkdonebyarobot,youcanliberatealotoflabor.Afterstudyingthesituationofgarbagepickuptherobot,therobotcanknowthetrendsareverygood,hashighresearchvalue.Inthispaper,garbagepick-uprobotcontrolstructurewerestudied.Bylookingforliterature,tounderstandthesituationanddevelopmenttrendoftherobot,andthencontrolstructureanalysisanddesign.Sothatwecanusetheremotecontrolsystemenablestherobottoachieveautomaticcontrol,greatlysavingsocialresources,tocreatearichvalue.KeywordsGarbagepick-uprobotHydrauliccontrolPLCcontrol全套圖紙外文文獻(xiàn)扣扣1411494633目錄TOC\o"1-3"\h\u318691緒論124661.1概述1170591.1.1課題研究的背景和意義1105601.1.2移動機(jī)器人的開展與應(yīng)用1265531.1.3主要研究內(nèi)容與研究方法281441.2垃圾撿拾機(jī)器人的運(yùn)行框圖3321842垃圾撿拾機(jī)器人方案設(shè)計(jì)與選擇4285182.1撿拾機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)4241592.1.1方案一：鏟斗車型結(jié)構(gòu)4212072.1.2方案二：機(jī)械手抓取型結(jié)構(gòu)4186802.1.3方案三：旋轉(zhuǎn)毛刷收集機(jī)構(gòu)5258312.1.4撿拾方案確實(shí)定5274722.2移動形式確實(shí)定525343機(jī)器人工作過程簡單分析與機(jī)械臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)659873.1工作過程簡單分析6304923.1.1垃圾撿拾機(jī)器人驅(qū)動的簡單分析6132033.1.2撿拾機(jī)器人的機(jī)械手的工作分析6201513.1.3機(jī)器人支撐座785433.2機(jī)械臂的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)7153893.2.1機(jī)械臂機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求7304463.2.2機(jī)械臂機(jī)構(gòu)的具體設(shè)計(jì)771164液壓控制環(huán)節(jié)925474.1液壓控制的優(yōu)點(diǎn)9212904.2液壓系統(tǒng)控制油路圖10324354.3液壓系統(tǒng)油缸選型11245694.3.1擺動液壓缸的選型11256534.3.2手臂1與2的液壓缸選型1292904.3.3機(jī)械手手爪活塞缸選型13283814.4液壓泵的選型14233304.5系統(tǒng)校核16115264.6液壓系統(tǒng)其他元件的選擇19172015機(jī)器人的控制機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)20116115.1PLC控制20144065.2機(jī)械手的控制2033245.3驅(qū)動系統(tǒng)的控制2331079總結(jié)2621420致謝272236參考文獻(xiàn)281緒論1.1概述1.1.1課題研究的背景和意義雖然現(xiàn)在的社會是一個(gè)全民素質(zhì)不斷提高的社會，但是還是會存在一些隨地亂扔垃圾的現(xiàn)象，還有生活垃圾的胡亂擺放的問題。這些行為會對我們的生活環(huán)境產(chǎn)生許多不良的影響，假設(shè)有一個(gè)可以做到自動撿拾垃圾的機(jī)器人的話，這種情況就會得到很大的改善。所以研究一臺具有自動導(dǎo)航、識別目標(biāo)、清理目標(biāo)的能力的垃圾撿拾機(jī)器人既具有相當(dāng)大的科研價(jià)值、又具有較高的實(shí)用價(jià)值。這樣的一臺機(jī)器人能很好的滿足城市清潔的需求。1.1.2移動機(jī)器人的開展與應(yīng)用在機(jī)器人這個(gè)概念提出之后，無數(shù)看到其潛在價(jià)值的有識之士都對其投入了大量的人力、物力及財(cái)力。在這樣的一個(gè)良好的發(fā)育環(huán)境下機(jī)器人的開展亦是不斷的進(jìn)行著飛躍般的進(jìn)步，在不同的領(lǐng)域中機(jī)器人的應(yīng)用愈來愈廣泛，同時(shí)不同類型的機(jī)器人如同雨后春筍一般的冒了出來，使機(jī)器人的大家族不斷的擴(kuò)張。在這之中移動機(jī)器人以機(jī)器人的重要分支之一的身份從眾多的機(jī)器人種類中脫穎而出，并不斷的向著更高的水平開展。最早的移動機(jī)器人是由斯坦福研究院(SRI)的NiISSen和CharleSRosen等人在1966年到1972年之間制造的名為Shakey的移動型機(jī)器人，由此開啟了對移動機(jī)器人研究的新的時(shí)代。這項(xiàng)研究是為了能夠在較為冗雜的工作與環(huán)境下，通過應(yīng)用人工智能技術(shù)使移動機(jī)器人系統(tǒng)能夠做到自主的分析、判斷和控制來完成任務(wù)。步行機(jī)器人的出現(xiàn)解決了機(jī)器人在上下起伏地區(qū)容易出現(xiàn)行動困難的問題，而且推動了多足步行機(jī)器人的研究。機(jī)器人的研究在計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)的開展下，非常迅猛的開展起來。在這樣的一股熱潮下世界各大機(jī)構(gòu)、組織與公司等，都參加了機(jī)器人研究的行列中來。而他們所制造的機(jī)器人那么又可以作為各個(gè)大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)平臺，對機(jī)器人的研究進(jìn)行反哺，從而促使機(jī)器人在不同領(lǐng)域中都能夠得到充足的開展。其中美國NASA提供資金進(jìn)行研發(fā)的“丹蒂II型”八足行走機(jī)器人，就是一個(gè)遠(yuǎn)程探險(xiǎn)型機(jī)器人。它與其他的機(jī)器人相比擬，與眾不同的地方在于它在1994年的時(shí)候在斯珀火山的火山口中進(jìn)行了成功的探險(xiǎn)測試。雖然它在完成任務(wù)后返回的途中，在一處地面環(huán)境極差的路上失去了平穩(wěn)性，但它作為探險(xiǎn)型機(jī)器人的探險(xiǎn)任務(wù)卻是的到了圓滿到的完成。而別的機(jī)器人在類似的探險(xiǎn)運(yùn)動過程中，都還必須要在工作人員的參與下才能完成探險(xiǎn)的任務(wù)。丹蒂方案的主要研究目的是為了能夠在月球那凹凸不平的外表或其它人類足跡不容易踏上星球的外表進(jìn)行探險(xiǎn)而設(shè)計(jì)一種高性能移動機(jī)器人。而現(xiàn)在這個(gè)設(shè)想已經(jīng)完成，人類發(fā)送的移動機(jī)器人已經(jīng)在近地的幾個(gè)星球上留下了它們行走的痕跡。就目前來看，國內(nèi)對于移動機(jī)器人方面的研究因?yàn)槠鸩奖葦M晚的緣故,和國外的一些研究成果還存在著很大的差距，大多數(shù)的研究還只是對某些單個(gè)工程進(jìn)行研究。不過在國人的努力下，各大院校和研究中心都有移動機(jī)器人方面的研究成果面世。其中清華大學(xué)研制的智能型移動機(jī)器人在1994年通過了實(shí)際運(yùn)行的考驗(yàn)。它涉及了五個(gè)方面的關(guān)鍵性技術(shù)：根據(jù)地圖的路徑規(guī)劃技術(shù)研究；根據(jù)傳感器的局部路徑規(guī)劃技術(shù)研究；路徑規(guī)劃的仿真技術(shù)研究；傳感器技術(shù)與信息交互技術(shù)研究；智能移動機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。香港城市大學(xué)的自動化及制造研究中心在對智能設(shè)計(jì)進(jìn)行了一段時(shí)間的研究后研制了智能型自動導(dǎo)航車和自主效勞機(jī)器人。位于沈陽的中國科學(xué)院自動化研究所那么是制造了AGV和防爆機(jī)器人。還有許多的研究成果在這里就不一一詳細(xì)列舉和介紹。關(guān)于移動機(jī)器人的研究大多圍繞著各自不同的領(lǐng)域展開，各個(gè)方面都存在著不同的難題等著人們?nèi)ソ鉀Q。第一，要考慮機(jī)器人的移動方式，它們有：輪式、履帶式、仿足式，而對于水下機(jī)器人，那么靠推進(jìn)器來進(jìn)行移動。因?yàn)椴煌氖褂脗€(gè)環(huán)境對機(jī)器人的移動方式有著不一樣的要求，因此在確保移動便捷的同時(shí)是機(jī)器人具備在多種地形下的移動能力也是研究的重點(diǎn)。第二，要考慮驅(qū)動系統(tǒng)的控制，來讓機(jī)器人到達(dá)要求的移動。如果不能準(zhǔn)確的控制機(jī)器人的移動，那么移動機(jī)器人的使用價(jià)值將大打折扣幾近于零，這是一個(gè)必須仔細(xì)考慮到的問題。第三，導(dǎo)航系統(tǒng)或移動路線的規(guī)劃，在規(guī)劃路線時(shí)，存在著更多的方面需要考慮，比方傳感器信號的交互通信，對外界環(huán)境特征的提取，防止產(chǎn)生碰撞以及環(huán)境的映射。這些不同方面的要求，促使著人們迎接許多新的挑戰(zhàn)和工程技術(shù)上難題，并不斷促進(jìn)著移動機(jī)器人的開展，引起了許多這些方面的專家教授和工程技術(shù)人員們不斷鉆研的熱情。還因?yàn)樗趪儡娛碌膫刹臁⑴烹U(xiǎn)、防范核化污染等危險(xiǎn)的環(huán)境以及在生產(chǎn)生活中的原材料的搬運(yùn)和零部件的裝配上具有廣闊的開展前景，所以對移動機(jī)器人的研究將是一個(gè)長期且艱難的過程，但也是一個(gè)對社會開展有極大促進(jìn)的過程，值得我們?yōu)榇送度氪罅康木?。移動機(jī)器人的系統(tǒng)組成是把探測、分析、判斷、控制等多種模塊結(jié)合在一起，進(jìn)而在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中完成所要求的任務(wù)。因此移動機(jī)器人系統(tǒng)就是一個(gè)整合了周圍環(huán)境探測、信息分析與判斷、動作控制與執(zhí)行等多種功能的綜合系統(tǒng)。而移動機(jī)械手那么是一種在一個(gè)可移動式的裝載平臺系統(tǒng)上安裝機(jī)械手來組成的移動機(jī)器人系統(tǒng)。這樣的機(jī)械手系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)抓取、持有和放置的操作，借助裝載平臺的移動使機(jī)械手的工作范圍得到極大的提升并且具備相當(dāng)高的運(yùn)動冗雜性。移動機(jī)械手系統(tǒng)是一個(gè)涉及多個(gè)學(xué)科，比方：機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)視覺、無線通訊與智能控制等的綜合性系統(tǒng)。應(yīng)用了這些知識的移動機(jī)器人將會為機(jī)器人導(dǎo)航、模糊控制以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方面的研究提供良好的根底與平臺。而且這種機(jī)械手在工業(yè)裝配與運(yùn)輸、惡劣環(huán)境中代替人們工作和室內(nèi)效勞性工作等方面都有很高的使用價(jià)值和研究價(jià)值。1.1.3主要研究內(nèi)容與研究方法將移動機(jī)器人的技術(shù)應(yīng)用到垃圾撿拾機(jī)器人領(lǐng)域中并對機(jī)器人的控制結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是本次研究的主題，即本次研究的目的就是能夠做到，通過一定的控制手段使機(jī)器人在接受到傳感器傳送來的信號后能夠較為準(zhǔn)確的進(jìn)行移動與抓取操作。在研究的過程中，我們需要使用到許多的資料和文獻(xiàn)，把他們進(jìn)行整理并吸收它們中對自己研究方向有用的局部使自己的想法更具可行性。在確定了方案之后，通過計(jì)算來獲得更為合理的方案與數(shù)據(jù)。1.2垃圾撿拾機(jī)器人的運(yùn)行框圖垃圾撿拾機(jī)器人正式的工作過程可以用圖1.1的過程來表示，具體如下：開啟機(jī)器人系統(tǒng)后①機(jī)器人的軟件操作系統(tǒng)啟動；②對機(jī)器人進(jìn)行自檢并初始化任務(wù)，同時(shí)把當(dāng)前的狀態(tài)進(jìn)行儲存；③先通過傳感器確定周圍的環(huán)境，建立區(qū)域地圖；④在開始尋找目標(biāo)；⑤數(shù)據(jù)確定后，機(jī)器人開始垃圾的撿拾工作。圖1.1垃圾撿拾機(jī)器人運(yùn)行框圖2垃圾撿拾機(jī)器人方案設(shè)計(jì)與選擇2.1撿拾機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1.1方案一：鏟斗車型結(jié)構(gòu)現(xiàn)實(shí)生活中鏟斗車的使用非常的頻繁，這使這種結(jié)構(gòu)的實(shí)際已經(jīng)趨于完善，人們對于它的適用范圍與特點(diǎn)根本已經(jīng)了解清楚。這種方案設(shè)計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)是它的結(jié)構(gòu)較為簡單，易于制造和維護(hù)；操作簡便，可以節(jié)約過多的操作帶來的浪費(fèi)。并且使用鏟斗車型結(jié)構(gòu)會使整體結(jié)構(gòu)更加的緊湊，減小設(shè)計(jì)出來的機(jī)器人的體積。那么鏟斗車的與鏟斗的示意圖如圖2.1,2.2所示：圖2.1鏟車示意圖圖2.2鏟斗示意圖然而這種結(jié)構(gòu)在撿拾垃圾的過程中卻存在著致命的缺點(diǎn)，它在工作的過程中存在著較大的不穩(wěn)定性，極有可能不能很好的處理某些垃圾〔如易拉罐、紙片之類〕，而且由于它的一次拾取的范圍有點(diǎn)大會對周圍的環(huán)境產(chǎn)生破壞。所以這種結(jié)構(gòu)只能作為備用選項(xiàng)來進(jìn)行考慮。2.1.2方案二：機(jī)械手抓取型結(jié)構(gòu)機(jī)械構(gòu)現(xiàn)在大多都是應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，通常情況下都是較為大型的機(jī)械手，一般是有液壓進(jìn)行驅(qū)動，也有使用氣壓來驅(qū)動的。它們有的進(jìn)行搬運(yùn)的工作，有的進(jìn)行著零件的裝配。將機(jī)械手應(yīng)用于日常生活中的設(shè)計(jì)向具有很高的研究意義與價(jià)值，這將會對我們整體社會的公共根底設(shè)施建設(shè)起到良好的促進(jìn)作用。采用機(jī)械手結(jié)構(gòu)來進(jìn)行垃圾的撿拾，比照鏟斗車結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)機(jī)械構(gòu)具有許多鏟斗車結(jié)構(gòu)所不具備的優(yōu)點(diǎn)。機(jī)械手的抓取機(jī)構(gòu)針對性強(qiáng)不容易產(chǎn)生抓取錯(cuò)誤的情況，不會對周圍的環(huán)境產(chǎn)生不良的影響。但是它在具有諸多優(yōu)越性的同時(shí)也因?yàn)闉榱说竭_(dá)這些優(yōu)點(diǎn)導(dǎo)致機(jī)械構(gòu)存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺點(diǎn)和因此引發(fā)的制造與維修的困難，而且要到達(dá)精確的操控機(jī)械手的移動與抓取那么需要靈敏的感應(yīng)系統(tǒng)以及良好的控制系統(tǒng)。2.1.3方案三：旋轉(zhuǎn)毛刷收集機(jī)構(gòu)現(xiàn)在市面上已經(jīng)有了多種的家用清潔機(jī)器人，其中尤以智能型機(jī)器人應(yīng)用前景最為高，且已經(jīng)在一定范圍中被廣泛的使用。這種結(jié)構(gòu)在收集垃圾的過程中可以把它碰到的，只要是能夠被毛刷帶動的垃圾幾乎都可以被清理干凈。這種結(jié)構(gòu)在處理小型垃圾及塵埃等垃圾是有很好的效果，非常適合應(yīng)用于家庭衛(wèi)生的處理。對于那些上班族或者是由于工作繁忙而沒有時(shí)間來打理衛(wèi)生的人們來說，這無疑是一個(gè)非常好的垃圾撿拾機(jī)器人。然而我們這次設(shè)計(jì)的機(jī)器人不僅僅只考慮到在家庭等類似環(huán)境中的應(yīng)用，還要對它在公共場所的使用情況進(jìn)行考慮。在公共場合中會有局部的垃圾是只依靠毛刷的旋轉(zhuǎn)所不能夠收集到的，這樣就會造成垃圾撿拾機(jī)器人除了家庭使用外不能在其他場合下更好的完成任務(wù)。2.1.4撿拾方案確實(shí)定在對上述三個(gè)方案進(jìn)行比擬，并對鏟斗車、機(jī)械手和旋轉(zhuǎn)毛刷的現(xiàn)狀進(jìn)行了了解后，最終決定了使用方案二即機(jī)械手抓取機(jī)構(gòu)作為本次研究的垃圾撿拾機(jī)器人的撿拾機(jī)構(gòu)。因?yàn)闄C(jī)械手可可開展性較高，而且屬于新興可以范疇，開展?jié)摿σ蚤_展價(jià)值都很高。2.2移動形式確實(shí)定機(jī)器人的移動方式存在有輪式、履帶式及仿足式等，我們在考慮到機(jī)器人的工作環(huán)境并不會出現(xiàn)路面狀態(tài)特別差的情況，所以在這里我們可以直接選擇使用輪式結(jié)構(gòu)來作為機(jī)器人的移動方式。3機(jī)器人工作過程簡單分析與機(jī)械臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1工作過程簡單分析3.1.1垃圾撿拾機(jī)器人驅(qū)動的簡單分析機(jī)器人的驅(qū)動采用電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，方便實(shí)用，控制較為簡單。機(jī)器人的移動形式采用輪式結(jié)構(gòu)，那么可以選擇三輪、四輪等，在這我們選用四輪行走并且是后輪作為驅(qū)動輪而前輪那么進(jìn)行方向的控制，即二輪驅(qū)動。這樣的驅(qū)動結(jié)構(gòu)相當(dāng)?shù)钠椒€(wěn)，且極具代表性。在一般的道路上通常都是使用這樣的后輪驅(qū)動前輪轉(zhuǎn)向的驅(qū)動方式，大局部的車輛都是采用這種方式。雖然現(xiàn)在不斷的有各種各樣的，新穎的驅(qū)動方式出現(xiàn)，但是現(xiàn)在及以后的較長一段時(shí)間內(nèi)還會是這種方式占據(jù)主流地位，這是毋庸置疑的。由上文可知，驅(qū)動方式為前輪控制轉(zhuǎn)向后輪提供動力的方式，那么前后輪是否采用聯(lián)動形式呢？在考慮到設(shè)計(jì)的初衷后，決定不采用聯(lián)動形式而是前后輪分別有電機(jī)進(jìn)行控制，這種方式更加的簡單方便。3.1.2撿拾機(jī)器人的機(jī)械手的工作分析圖3.1機(jī)械手示意圖由圖3.1可以看出通過擺動液壓缸4的順時(shí)針轉(zhuǎn)動或者逆時(shí)針轉(zhuǎn)動來帶動上面的整個(gè)擺動臺進(jìn)行轉(zhuǎn)動從而帶動整個(gè)機(jī)械手轉(zhuǎn)動，液壓缸1的收縮與推出帶動大手臂在上下方位上進(jìn)行擺動，液壓缸2的收縮與推出將會帶動小手臂在前前方位上的擺動，而液壓缸3的收縮與推出那么會帶動機(jī)械手手爪的閉合與張開。這樣的工作過程是為了能夠更好的對機(jī)械手進(jìn)行準(zhǔn)確的控制，來完成垃圾的撿拾任務(wù)。這是一個(gè)完全依靠液壓系統(tǒng)來完成撿拾操作的機(jī)械手結(jié)構(gòu)，類似的機(jī)械手在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用非常廣泛，尤其是在貨物的搬運(yùn)以及零件的裝配方面尤為突出，還能通過對機(jī)械手進(jìn)行改裝，可以使其能夠輔助完成對物料的切割和零件的噴漆與涂覆特殊材料等。目前較為大型的機(jī)械手已然開展的非常不錯(cuò)，之前曾在某個(gè)科技展示會上看到一個(gè)高約為兩米左右的機(jī)械手可以對不同顏色的藥片之類進(jìn)行分類并放置，這讓我很是驚嘆。3.1.3機(jī)器人支撐座機(jī)器人支撐座用于支撐整個(gè)移動機(jī)器人系統(tǒng)，并提供系統(tǒng)的移動能力的加載空間。由于本次設(shè)計(jì)的主要目的是機(jī)器人的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，所以支撐座的選擇可以盡量的簡單。于是經(jīng)過一段時(shí)間的考慮后，決定使用簡單的平板型支撐座，這樣就能在到達(dá)支撐效果與提供足夠的空間以外，提高了機(jī)器人的實(shí)用性。3.2機(jī)械臂的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)3.2.1機(jī)械臂機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求由于機(jī)械臂要承受機(jī)械手與機(jī)械手所要抓取的物品的重量，所以它要具有足夠的強(qiáng)度。這樣才能夠在機(jī)械臂進(jìn)行工作的時(shí)候，保證其不會產(chǎn)生扭曲或者斷裂的現(xiàn)象。而且在保證足夠強(qiáng)度的前提下，同時(shí)我們還要盡可能的減少機(jī)械臂的重量，減輕它的慣性力，防止出現(xiàn)意外狀況時(shí)使機(jī)械臂受損。機(jī)械臂設(shè)計(jì)出來之后還要具有很好的通用性，這樣才能在應(yīng)用環(huán)境發(fā)生變更的情況下，還能在進(jìn)行小幅度的改變后繼續(xù)工作。3.2.2機(jī)械臂機(jī)構(gòu)的具體設(shè)計(jì)對整體機(jī)械手的示意圖情況進(jìn)行分析后我們可以得到如圖3.2所示的機(jī)械臂機(jī)構(gòu)簡圖。綜合考慮之后可以知道，該機(jī)械臂應(yīng)該有三段手臂，其中的兩段手臂可以進(jìn)行統(tǒng)一行動，即它們可以合為一個(gè)手臂來完成作業(yè)，減少了控制難度，如圖3.3.圖3.2機(jī)械臂機(jī)構(gòu)簡圖圖3.3兩段機(jī)械臂機(jī)構(gòu)簡圖上述的機(jī)械臂都屬于關(guān)節(jié)型機(jī)械臂，這種機(jī)械臂就要是兩端的旋轉(zhuǎn)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行運(yùn)動的。這種機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是它可以在狹小的空間中更好的運(yùn)動，且占空間小。它的旋轉(zhuǎn)點(diǎn)采用轉(zhuǎn)軸的形式來完成，這樣就可以在液壓系統(tǒng)的拉力或推力的作用下進(jìn)行擺動。對于機(jī)械臂的強(qiáng)度即剛度的計(jì)算入下，式〔3.1〕k——結(jié)構(gòu)剛度是指彈性物體抵抗形變的能力P——作用于物體的力σ——由于力產(chǎn)生的形變那么我們可以知道必須在知道其形變的的情況下進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算。4液壓控制環(huán)節(jié)4.1液壓控制的優(yōu)點(diǎn)對于機(jī)械手的控制方式有氣壓傳動控制與液壓傳動控制等方法，它們各自都有其優(yōu)缺點(diǎn)。其中氣壓傳動的優(yōu)點(diǎn)有：回路中的介質(zhì)為空氣，取之不盡用之不竭，而且在那些易燃易爆的環(huán)境下使用，更是為工作人員提供了平安的工作環(huán)境；空氣在回路中的流動阻力較小，便于遠(yuǎn)距離的傳輸動力；參與控制的執(zhí)行元件的結(jié)構(gòu)較為簡單，制造方便，且易于維護(hù)，所以使用的壽命比擬長。但是氣壓傳動系統(tǒng)還是存在著許多的缺點(diǎn)，如：因?yàn)樗膫鲃咏橘|(zhì)是空氣，空氣的可壓縮性相當(dāng)高，這會導(dǎo)致傳動系統(tǒng)的平穩(wěn)性變差，容易影響我們對系統(tǒng)控制的準(zhǔn)確性；氣壓傳動在工作的時(shí)候會產(chǎn)生相當(dāng)大的噪音，這將會影響周圍的環(huán)境，而我們的目的是設(shè)計(jì)一個(gè)可以在公共場合使用的機(jī)器人，如果噪音過大那么它在應(yīng)用是必然會產(chǎn)生不必要的麻煩；雖然本次設(shè)計(jì)的機(jī)器人的體積并不是很小，但總的來說其實(shí)也只是一個(gè)小型的機(jī)器人，而氣壓傳動要想到達(dá)和液壓傳動所到達(dá)的功率一致那么需要的體積將會遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于液壓系統(tǒng)的體積大小。所以我們在經(jīng)過深思熟慮后決定采用液壓傳動系統(tǒng)來做為本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手的控制系統(tǒng)。更多的原因是因?yàn)橐簤合到y(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)與我們想要的控制方案很吻合。采用液壓系統(tǒng)進(jìn)行控制的原因是其具備與整體機(jī)器人系統(tǒng)的良好適配性：①在相同功率的情況下，液壓系統(tǒng)的執(zhí)行元件的體積相當(dāng)小、重量比擬輕、整體結(jié)構(gòu)較為緊湊。例如同功率液壓馬達(dá)的重量約只有電動機(jī)的1/6左右，還有我國制造的1m3型挖掘機(jī)在采用液壓傳動后，它的整體質(zhì)量與采用機(jī)械傳動時(shí)相比減輕了足足1t的重量。這樣就能讓我們設(shè)計(jì)的機(jī)器人的重量減輕，減少了由于質(zhì)量給驅(qū)動系統(tǒng)帶來的壓力；②液壓傳動系統(tǒng)的各種元件，可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行方便、靈活地布置；③液壓系統(tǒng)的裝置工作狀況比擬平穩(wěn)，由于重量比擬輕所以慣性小，整個(gè)液壓系統(tǒng)的反響很快，液壓裝置能相當(dāng)容易的實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的快速啟動、制動和頻繁的變更方向；④系統(tǒng)的操縱與控制非常方便，可以實(shí)現(xiàn)較大范圍內(nèi)的無級調(diào)速(其調(diào)速范圍可達(dá)2000：1，可以比擬容易得到極低的速度)，它甚至可以在運(yùn)行的過程中進(jìn)行調(diào)速而不會對運(yùn)動本身產(chǎn)生較大的影響。如此方便的調(diào)整方式，讓機(jī)器人能夠在機(jī)械手運(yùn)行中如果出現(xiàn)錯(cuò)誤能夠及時(shí)的修正；⑤液壓系統(tǒng)的工作介質(zhì)一般會采用礦物油作為其工作介質(zhì)，這樣可以讓相對運(yùn)動的平面之間能夠自行潤滑，使機(jī)械手的使用壽命更長，到達(dá)節(jié)約資源的目的；⑥液壓系統(tǒng)可以較為輕易的實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動，通過連接方式的不同可以使機(jī)械手做到在各個(gè)方向上的運(yùn)動；⑦對實(shí)現(xiàn)機(jī)器的自動化和實(shí)現(xiàn)整體控制系統(tǒng)的過載保護(hù)有很大的幫助，讓機(jī)械手在運(yùn)行的過程中確保了平安的第一要務(wù)。如果采用電液聯(lián)合控制甚至使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制的話，可以實(shí)現(xiàn)大負(fù)核、高精確度、遠(yuǎn)程自動控制；⑧液壓系統(tǒng)的各種元件已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化，便于設(shè)計(jì)、制造和使用，這樣對于機(jī)械手的液壓系統(tǒng)的元件選擇就有了一個(gè)可靠的標(biāo)準(zhǔn)。4.2液壓系統(tǒng)控制油路圖液壓系統(tǒng)的控制采用的是電氣與液壓共同作用來到達(dá)自動控制的目標(biāo)，使社會的人力資源能夠大大的減少，并用于其他有需求的地方。這樣的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)有著豐富的社會經(jīng)濟(jì)價(jià)值，也只有這樣的液壓控制系統(tǒng)才會真正的被人們所認(rèn)可并且被人們大量的使用，才能夠真正的應(yīng)用于實(shí)際生活中。根據(jù)垃圾撿拾機(jī)器人的機(jī)械手工作分析得到如以下圖4.1所示的液壓控制油路圖：圖4.1液壓油路控制圖通過上面的液壓油路控制圖可以知道該系統(tǒng)是由4個(gè)三相四通電磁換向閥來分別控制4個(gè)油缸的運(yùn)動，換向閥與油缸之間那么通過鎖緊回路連接起來，如此一來油缸就可以更為準(zhǔn)確的停在某個(gè)要求的位置，這樣就提高了移動機(jī)器人的機(jī)械手在工作的時(shí)候的精準(zhǔn)度和效率。而整個(gè)機(jī)械手運(yùn)動的速度那么要依靠電磁比例溢流閥按照一定的比例來控制整個(gè)油路里的壓力大小來對整體的速度進(jìn)行控制，同時(shí)可以使油路中的壓力不會上升的過高。而這五個(gè)電磁閥的接通會產(chǎn)生的效果如下所述：當(dāng)1YA接通時(shí)，溢流閥會在油路里的壓力過高時(shí)進(jìn)行降壓使油路中的壓力不至于對液壓設(shè)備造成破壞，起到了過載保護(hù)的作用。當(dāng)2YA接通時(shí)，機(jī)械手的手爪會張開，起到松開垃圾和為下次垃圾的抓取做準(zhǔn)備的作用。當(dāng)3YA接通時(shí)，機(jī)械手的手爪會閉合，以此來實(shí)現(xiàn)抓取目標(biāo)垃圾的目的。當(dāng)4YA接通時(shí)，手臂1即與擺動臺連接的局部開始向下放下手臂。當(dāng)5YA接通時(shí)，手臂1開始向上提高手臂。當(dāng)6YA接通時(shí)，手臂2即與裝載有機(jī)械手手爪的局部向后擺動。當(dāng)7YA接通時(shí)，手臂2向前擺動。當(dāng)8YA接通時(shí)，液壓擺動缸進(jìn)行順時(shí)針擺動，從而通過擺動缸使整個(gè)機(jī)械手做順時(shí)針的擺動。當(dāng)9YA接通時(shí)，帶動整個(gè)機(jī)械手進(jìn)行逆時(shí)針的擺動。10S行程開關(guān)，發(fā)出信號對機(jī)械手進(jìn)行控制，讓機(jī)械手手爪松開，并放下垃圾。11S行程開關(guān)，發(fā)出信號，控制單葉片擺動液壓缸開始擺動。而與機(jī)械手相連接的調(diào)速閥那么是用于控制機(jī)械手手爪抓緊垃圾的速度。整個(gè)機(jī)械手的液壓工作過程如下：首先，通過傳感器可以得到目標(biāo)垃圾的位置信號，然后在接收到這個(gè)信號時(shí)電氣控制系統(tǒng)會對3YA，4YA，6YA，7YA進(jìn)行控制，逐漸的把機(jī)械手手爪移動到了垃圾的上方并進(jìn)行抓取垃圾操作。其中4YA先得電使手臂1的活塞桿推出，讓手臂1向下擺動；6YA或7YA得電(具體情況視垃圾的位置而定〕，使手臂2向后或向前擺動；3YA得電，機(jī)械手手爪開始對垃圾進(jìn)行抓取。接收到垃圾已經(jīng)被抓取完畢的信號后，讓5YA與9YA得電使手臂1的活塞缸和擺動液壓缸工作，在機(jī)械手手臂向上移動到適宜位置時(shí)使5YA失電，擺動液壓缸在9YA得電的情況下，開始進(jìn)行逆時(shí)針擺動。當(dāng)擺動液壓缸旋轉(zhuǎn)到一定角度后就會觸發(fā)行程開關(guān)，然后2YA得電，機(jī)械手手爪松開，垃圾進(jìn)入垃圾箱中。在機(jī)械手手爪張開到最大時(shí)觸發(fā)行程開關(guān)使8YA得電擺動液壓缸開始順時(shí)針擺動使機(jī)械手回歸初始位置。4.3液壓系統(tǒng)油缸選型4.3.1擺動液壓缸的選型隨著液壓缸技術(shù)的不斷開展，液壓缸已經(jīng)出現(xiàn)了許多不懂的類型，其中擺動液壓缸就可以分成螺旋擺動液壓缸、葉片擺動液壓缸和齒輪齒條液壓缸這三種類型。其中齒輪齒條擺動液壓缸具有許許多多的優(yōu)良特質(zhì)，但是它的體積相對于其他兩種來說略顯偏大，故不作考慮。本文討論了以下兩種擺動液壓缸的具體情況，它們分別是葉片型擺動液壓缸和螺旋型擺動液壓缸這兩種。通過把這兩種擺動液壓缸的特點(diǎn)進(jìn)行比擬后，我們可以發(fā)現(xiàn)螺旋型擺動液壓缸的整體密封效果非常好，且具有很高的旋轉(zhuǎn)扭矩并且能夠在非常高的工作壓力在正常的運(yùn)行，但是它的制造要求的精度是非常高的。而葉片型擺動液壓缸的整體結(jié)構(gòu)非常的緊湊，而且它的輸出轉(zhuǎn)矩比擬大，可是它的整個(gè)液壓缸的密封效果較差，會出現(xiàn)一定的泄露情況。由于本次設(shè)計(jì)的移動機(jī)器人系統(tǒng)在對機(jī)械手的控制過程中所需要的壓力并不是很大，屬于中低壓系統(tǒng)，而葉片擺動液壓缸在中低壓系統(tǒng)中諸如轉(zhuǎn)位、往復(fù)擺動和間歇性運(yùn)動等運(yùn)行狀態(tài)比照螺旋擺動液壓缸具有相當(dāng)大的優(yōu)勢，應(yīng)選用葉片擺動液壓缸。葉片型擺動液壓缸在根據(jù)它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中葉片的數(shù)量，還可以分成單葉片擺動液壓缸和多葉片擺動液壓缸，而這兩個(gè)類型的差異之一是單葉片擺動液壓缸所能到達(dá)的最大轉(zhuǎn)角不能夠超過280度，而多葉片擺動液壓缸的最大轉(zhuǎn)角那么不能夠超過150度。又因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)的移動機(jī)械手所需要的擺動角度為180度，應(yīng)選用單葉片擺動液壓缸。通過從液壓設(shè)計(jì)手冊上面查到的的兩種單葉片擺動液壓缸的規(guī)格如下表，試選用型號為BM-150的液壓缸。表4-1擺動液壓缸技術(shù)參數(shù)表4.3.2手臂1與2的液壓缸選型因?yàn)闄C(jī)械手臂是要在不同方向上進(jìn)行擺動的，所以這也就導(dǎo)致了液壓缸也是要隨著機(jī)械手臂的擺動進(jìn)行擺動的，那么選擇使用的液壓缸為缸端部為“尾部耳環(huán)連接”方式進(jìn)行連接而不必要使用環(huán)套來進(jìn)行連接，活塞桿的端部那么不選擇使用螺紋連接而是采用了單耳環(huán)結(jié)構(gòu)的連接方式。而單耳環(huán)的尺寸那么選擇為：內(nèi)徑為16mm，外徑為32mm，厚度為20mm。如以下圖4.2所示圖4.2手臂活塞缸結(jié)構(gòu)圖活塞缸的速度比：式〔4.1〕4.3.3機(jī)械手手爪活塞缸選型機(jī)械手上的手爪粗腰具備抓取與放置的功能那么液壓缸必須要能夠進(jìn)行直線運(yùn)動又由于液壓缸是要固定在機(jī)械手的手臂上的，那么根據(jù)查找〔液壓傳動設(shè)計(jì)手冊〕后，選擇使用單桿雙作用型帶有不可調(diào)的緩沖裝置的液壓缸。再從〔液壓傳動設(shè)計(jì)手冊〕中按照需要選擇液壓缸的安裝方式：因?yàn)檫@個(gè)液壓缸是要固定在機(jī)械手的手臂上的，所以我們選擇使用“尾部耳環(huán)連接”的方式來進(jìn)行目標(biāo)固定，再在液壓缸的中間位置使用一個(gè)環(huán)套固定在機(jī)械手手臂上。借由表4-1和手爪的行程來設(shè)定油缸的行程為50mm，那么可以確定機(jī)械手手爪的液壓缸的行程也為50mm，然后再根據(jù)〔液壓傳動設(shè)計(jì)手冊〕表4-2，表6-3等可以選擇出該液壓缸的各項(xiàng)數(shù)據(jù)分別為：內(nèi)徑為40mm,活塞桿的直徑為20mm，供油孔的直徑為8mm，導(dǎo)向行程為40mm，液壓缸的外徑為50mm，缸體和缸蓋的連接方式我們選擇使用內(nèi)螺紋的連接方式，活塞與活塞桿的連接方式那么使用螺紋連接的方式，活塞桿端部的螺紋尺寸為M12*15。如以下圖4.3所示圖4.3手爪活塞缸圖表4-1活塞行程系列(mm)表4-2液壓缸內(nèi)徑尺寸系列〔mm〕表4-3液壓缸活塞桿外徑尺寸系列〔mm〕4.4液壓泵的選型液壓泵作為整個(gè)液壓系統(tǒng)的動力元件能夠給整個(gè)液壓系統(tǒng)的運(yùn)行提供充足的動力，而不同種類的液壓泵具有不同特色的性能，根據(jù)實(shí)際需要來選擇液壓泵也是設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。常見的液壓泵可以按照分類方式的不同有以下幾種類型：①按照流量的大小能否根據(jù)實(shí)際要求來進(jìn)行調(diào)節(jié)可以分為：變量泵和定量泵；輸出的流量的大小可以按照需要來進(jìn)行調(diào)節(jié)液壓泵的是變量泵，反之那么為定量泵。②根據(jù)泵的具體結(jié)構(gòu)分為：葉片泵、齒輪泵和柱塞泵三種類型，它們各自都有各自的特點(diǎn)。葉片泵：可以按照作用情況再劃分為雙作用葉片泵和單作用葉片泵。這種液壓泵的流量大小較為均勻、運(yùn)轉(zhuǎn)情況較為平穩(wěn)、運(yùn)行時(shí)的噪音小、工作壓力和容積效率都比齒輪泵要高，但是結(jié)構(gòu)卻要比齒輪泵要復(fù)雜得多。齒輪泵：體積較為小巧，具體結(jié)構(gòu)簡單，對油路中的介質(zhì)的清潔度要求不高，價(jià)格廉價(jià)；但是齒輪軸的泵軸會受到不平衡力的作用，它會磨損嚴(yán)重，導(dǎo)致油液的泄漏較多。柱塞泵：容積效率相當(dāng)高、泄漏量少、可以在比擬高的工作壓力下工作、大多用于大功率的液壓系統(tǒng)；但是它的整體結(jié)構(gòu)非常的復(fù)雜，對于制造材料和加工精度的要求很高，這樣就導(dǎo)致了它的價(jià)格較為的昂貴，而且它對油路中的介質(zhì)的清潔度要求很高。一般情況下只有在齒輪泵和葉片泵均不能滿足液壓系統(tǒng)的要求時(shí)才會使用柱塞泵。除了上述的三種液壓泵以外，還有一些其他形式的液壓泵，比方螺桿泵等，但是這些液壓泵在應(yīng)用上面不如上述3種普遍。在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中的液壓系統(tǒng)，根據(jù)各個(gè)液壓泵的特點(diǎn)和實(shí)際的需求進(jìn)行比擬后決定選擇齒輪泵作為液壓系統(tǒng)的動力元件。計(jì)算液壓缸的排量：式〔4.2〕式〔4.3〕V1——活塞缸的最大排量。V2——擺動缸的最大排量。D——為活塞直徑。H——為活塞缸的行程。d1——葉片直徑。d2——葉片軸直徑。h1——葉片高度。根據(jù)上面的計(jì)算得到的總排量和液壓傳動設(shè)計(jì)手冊上面信息，我們選擇型號為GB-B40型的齒輪油泵。4.5系統(tǒng)校核〔1〕活塞缸推力計(jì)算對于沒有活塞桿的那半邊油腔進(jìn)油的情況來說，油缸的活塞桿向外面推出的推力為：式〔4.4〕式中：p為工作壓力。為油缸的機(jī)械效率，在工程機(jī)械中使用耐油橡膠密封式可取圖4.4活塞缸受力分析圖對于有活塞桿的半邊腔室進(jìn)油的情況來說，油缸的活塞桿向缸內(nèi)部收進(jìn)時(shí)的拉力為：式〔4.5〕〔2〕缸體與缸底使用電焊來進(jìn)行連接時(shí)產(chǎn)生的焊縫應(yīng)力為：焊接材料選用Z208其抗拉應(yīng)力為148kgf/cm3，那么式〔4.6〕式中P——油缸推力?！附有剩扇?。D1——缸外徑。d1——缸內(nèi)徑。那么其平安系數(shù)為式〔4.7〕式中：——焊條材料的抗拉強(qiáng)度。n——平安系數(shù)一般取3.3~4。故焊條材料符合要求?！?〕缸體與缸蓋的螺紋連接計(jì)算根據(jù)從液壓傳動設(shè)計(jì)手冊里所得到的信息可以知道，油缸的缸體經(jīng)常使用的制造材料為20，35，45號鋼的無縫鋼管。20號鋼使用的情況比擬少，因?yàn)?0號鋼的機(jī)械性能偏低而且不能通過調(diào)質(zhì)進(jìn)行改善。35號鋼在擁有適宜的強(qiáng)度的同時(shí)還具有相當(dāng)好的可塑性，焊接性能較好。缸體與缸頭，缸底，管接頭，耳軸等零件焊接的局部那么使用35號鋼，并在粗加工后調(diào)質(zhì)。45號鋼的冷塑性較為一般，但是它具有較高的強(qiáng)度，且在經(jīng)過適宜的熱處理后可以很好的改善它的性能。所以不與其他零件焊接在一起的部件使用45號鋼。我們現(xiàn)在選定的缸體材料為35號鋼。它的屈服強(qiáng)度為315kgf/cm2螺紋處的拉應(yīng)力：式〔4.8〕螺紋處的剪切應(yīng)力：式〔4.8〕合應(yīng)力為：式〔4.9〕許用應(yīng)力：式〔4.10〕可以看出那么可以選用35號鋼。〔4〕液壓缸的運(yùn)動速度和推力活塞缸：當(dāng)沒有活塞桿端進(jìn)油時(shí)；式〔4.11〕當(dāng)有活塞桿端進(jìn)油時(shí)；式〔4.12〕式〔4.13〕擺動液壓缸：轉(zhuǎn)矩T式〔4.14〕轉(zhuǎn)角速度式〔4.15〕4.6液壓系統(tǒng)其他元件的選擇〔1〕關(guān)于液壓油的選擇：符合要求的液壓油應(yīng)當(dāng)具有適當(dāng)?shù)恼扯群驼硿匦阅?；抗泡性和空氣釋放值要良好；它的閃點(diǎn)要高，油的蒸氣別離壓力應(yīng)該??；在使用過程中不會使用于密封的材料產(chǎn)生膨脹，硬化等過度變質(zhì)性變化；要具有良好的抗壓與耐磨性，在各種溫度，壓力與速度等不同運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)境下，都能夠保持正常的潤滑性能，減少因過于劇烈的磨損產(chǎn)生損失；抗乳化性和抗氧化性要好，減少對材料的銹蝕和對系統(tǒng)功能的破壞。在考慮了上面提到的要求并結(jié)合實(shí)際后，根據(jù)液壓手冊上所列的類型，選用最普通的20號機(jī)械油?！?〕關(guān)于密封圈的選擇：密封圈的分類非常多，有Y型密封圈、O型密封圈、V型密封圈、X型密封圈等，在選擇的時(shí)候要根據(jù)使用的環(huán)境進(jìn)行具體的分析，從而選出適宜的密封圈。而在本次設(shè)計(jì)中，由于選擇的是雙作用活塞缸，在活塞缸的兩邊都會受到油路產(chǎn)生的高壓的作用，所以在綜合考慮多個(gè)其他條件之后，根據(jù)液壓手冊選擇使用V型密封圈?！?〕關(guān)于螺栓的選擇：螺栓主要按照具體需要的尺寸來進(jìn)行選擇，根據(jù)擺動缸上面的連接孔的大小和螺栓表選擇使用M8型螺栓。〔4〕關(guān)于銷釘?shù)倪x擇：和螺栓一樣也是按照其使用位置所需的尺寸來選擇，根據(jù)活塞桿的端部的耳環(huán)內(nèi)徑選擇直徑為16的銷?！?〕關(guān)于手臂材料的選擇：機(jī)械手手臂采用鋁合金材料制造，首先鋁合金材料是現(xiàn)在性價(jià)比是較高的金屬材料之一，使用鋁合金可以在保證了結(jié)構(gòu)穩(wěn)固的情況下可以起到減少重量的作用，對整體機(jī)構(gòu)的運(yùn)行起到促進(jìn)作用。5機(jī)器人的控制機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)5.1PLC控制最早的PLC是由美國的數(shù)字設(shè)備公司研發(fā)出來的，盡管它的設(shè)計(jì)思想沿襲了計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)思路，但是因?yàn)樗慕Y(jié)構(gòu)較為簡單，所以它只能夠做到計(jì)算機(jī)功能的一局部。它僅僅完成了對順序結(jié)構(gòu)控制的設(shè)計(jì)，具備了邏輯運(yùn)算和計(jì)數(shù)等控制功能。后來這種可編程序控制器受到了更多的關(guān)注，世界各大公司都參加了對PLC的開發(fā)的大浪潮中來。隨著我們科技的不斷開展，PLC的功能也在不斷加強(qiáng)與增多，而在微處理技術(shù)逐漸完善之后，它的體積在功能增加的同時(shí)反而變得更加小巧玲瓏。PLC技術(shù)的不斷開展使得其種類在慢慢的變多，但是總體上可以按照其結(jié)構(gòu)型式分為兩種類型：整體箱式和模塊組合式。其中，整體箱式是把組成PLC的各個(gè)局部安裝在幾塊PCB上，然后和電源一起安裝到一個(gè)簡單箱式殼體內(nèi)，這樣就構(gòu)成了一個(gè)整體箱式的PLC。這樣做可以使PLC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加簡單，而且它的體積也會因?yàn)榘惭b的緊湊而大大的縮小，但也因?yàn)轶w積的縮小使這類PLC只能作為較為小型的低檔次的PLC來進(jìn)行使用。而模塊組合式那么是把PLC按照執(zhí)行不同功能所需要的部件，分成各個(gè)具有不同功能的模塊，這樣一個(gè)模塊就具有一種功能。最后在把需要的模塊組合成起來，這就是一個(gè)完整的PLC系統(tǒng)。如此一來，整個(gè)PLC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)就可以隨著系統(tǒng)要求的變動而進(jìn)行靈活的改變，而且假設(shè)是某個(gè)模塊出現(xiàn)了損壞的情況，那么只需要更換這一個(gè)模塊就可以恢復(fù)整個(gè)PLC的功能，使維修過程更加的方便快捷。PLC之所以會受到如此的關(guān)注并不斷開展的原因是因?yàn)镻LC系統(tǒng)具有許多優(yōu)秀的特質(zhì)，而這些特質(zhì)有：①體積不大，使用起來靈活方便，通用性強(qiáng)，大大的提高了生產(chǎn)作業(yè)的效率；②所需要的程序比擬簡單，不想計(jì)算機(jī)系統(tǒng)那樣復(fù)雜，容易學(xué)習(xí)并掌握，這對PLC系統(tǒng)的推廣與應(yīng)用有很大的幫助；③在使用過程中平安性高，能夠多種環(huán)境下正常工作。PLC在以后的主要開展方向有著三個(gè)方面的選擇：第一，面向中低端的自動化領(lǐng)域，向著微型化和低價(jià)格的方向開展并且保證PLC的性能的完整性與高效性；第二，向著更加復(fù)雜化，體型更加的大，功能更加的多，并且進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)化的進(jìn)程，形成一個(gè)多功能綜合系統(tǒng)；第三，和智能系統(tǒng)系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)合，拓寬PLC的應(yīng)用范圍。PLC的最根本的工作方式是通過循環(huán)掃描的形式來完成的，所以PLC的工作過程就是掃描的過程。具體為：首先PLC系統(tǒng)通過自診斷對自身是否存在故障進(jìn)行必要的診斷，確認(rèn)沒有故障后開始與外部設(shè)備進(jìn)行信號的交互，然后將各個(gè)輸入點(diǎn)的信息進(jìn)行采樣儲存，再通過具體程序的運(yùn)行，并在程序結(jié)束后將結(jié)果傳送到輸出環(huán)節(jié)上。5.2機(jī)械手的控制液壓系統(tǒng)直接的控制機(jī)械手的運(yùn)動，而液壓系統(tǒng)的控制那么需要依靠PLC來進(jìn)行控制。液壓系統(tǒng)可以通過各個(gè)液壓缸的運(yùn)動，還有液壓缸與機(jī)械手各局部的連接來操縱機(jī)械手的運(yùn)動。在自動化的過程中機(jī)械手可以依靠各種程序，使機(jī)械手在不借助人工的情況下能夠通過液壓缸運(yùn)動來自主的執(zhí)行已經(jīng)安排好的任務(wù)。其中如何使用PLC來控制機(jī)械手的液壓系統(tǒng)的運(yùn)動那么是本次研究的重點(diǎn)。通過PLC來控制機(jī)械手可以做到機(jī)械手的遠(yuǎn)程自動控制，而控制的關(guān)鍵性因素那么是PLC的輸入與輸出情況的考量，在對液壓系統(tǒng)的控制過程進(jìn)行分析后，我們確定了關(guān)于PLC的I/O口的分配情況。如下表5-1所示：表5-1控制機(jī)械手的PLC的I/O口分配情況輸入輸出X0垃圾位置信號Y0手臂1向下移動X1手臂1到達(dá)指定位置Y1手臂2向前或向后擺動X2手臂2到達(dá)指定位置Y2手爪開始進(jìn)行抓取X3手爪已經(jīng)抓緊Y3手臂1向上擺動X4手臂1到達(dá)位置Y4擺動缸逆時(shí)針擺動X5擺動缸旋轉(zhuǎn)到位Y5手爪放松X6手爪完全放松Y6擺動順時(shí)針擺動到位通過上面的表格進(jìn)行分析后，我們可以知道機(jī)械手的PLC程序梯形圖可以采用較為簡單的順序結(jié)構(gòu)，就可以完成對垃圾的撿拾工作，梯形圖如以下圖5.1所示：圖5.1機(jī)械手的PLC梯形圖將它的梯形圖轉(zhuǎn)換為指令表形式，并記錄下來就是下面的表5-2所示的。表5-2梯形圖轉(zhuǎn)換的指令表指令地址LDX000OUTY000LDX001OUTY001LDX002OUTY002LDX003OUTY003LDX004OUTY004LDX005OUTT0K100LDT0OUTY005LDX006OUTT1K110LDT1OUTY006由于這只是機(jī)械手的PLC控制程序所以這只是一個(gè)程序段，而且這個(gè)程序段的激活需要依靠移動機(jī)器人驅(qū)動程序在到達(dá)預(yù)計(jì)位置后發(fā)送信號來完成。而驅(qū)動程序的運(yùn)行那么需要依托于垃圾撿拾機(jī)器人對周圍環(huán)境的探測結(jié)果來進(jìn)行，因此這樣就形成了一個(gè)探測、移動并拾取垃圾的垃圾撿拾機(jī)器人系統(tǒng)。5.3驅(qū)動系統(tǒng)的控制驅(qū)動系統(tǒng)可以說是整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的核心，因?yàn)闆]有驅(qū)動系統(tǒng)的話，整個(gè)機(jī)器人就不能