校园垃圾拾捡机构行走机构设计.docx
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校园垃圾拾捡机构行走机构设计.docx
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校园垃圾拾捡机构行走机构设计
摘要
校园垃圾拾捡机构是为了保持校园环境清洁而设计的一种由抓取机构固定在行走机构上构成的一类的小车机器人的专门工作机构。
校园垃圾拾捡机构是一辆采用直流伺服电机驱动的四轮平面移动小车,该机构采用前轮转向后轮驱动,车上装有摄像头,超声波传感器和碰撞传感器等,用以控制校园垃圾拾捡机构行走机构而躲避障碍物,通过识别废纸、果皮、塑料等垃圾通过控制抓取机构拾捡垃圾放置于垃圾箱内。
关键词:
行走机构;校园垃圾拾捡机构;机器人
Abstract
Pickinguptrashoncampusisaspecialbodyofamechanisminordertokeeptheschoolenvironmentcleananddesignedbygraspingmechanismfixedontherunninggearconsistingofaclassofcarrobot.
PickinguptrashoncampusisanorganizationdrivenbyDCservomotorstomovefourflatcars,theagencyusesrear-wheeldrivefront-wheelsteering,thecarisequippedwithcameras,ultrasonicsensorsandcollisionsensors,pickinguptrashoncampusorganizationstocontroltravelagenciesandavoidobstaclesbyidentifyingwastepaper,peel,plasticandothergarbagepickingupgarbageplacedinthetrashbycontrollingthegraspingmechanism.
Keywords:
Walkingagencies;Campusgarbagepickupagencies;robot
1绪论
1.1移动机器人概述
校园捡拾垃圾移动机器人是用智能化控制技术,在校园环境下机器人系统的自主运动、规划和控制机构的执行。
平台小车的移动用来扩展抓取机构的工作空间,使机抓取机构能以更合适的姿态抓取垃圾,同时校园捡拾垃圾移动机器人中的抓取机构的加入也极大提高了移动机器人的性能。
1.2课题研究意义
把校园捡拾垃圾移动机器人抓取机构安装在移动平台上,这种把抓取机构安装在行走机构的移动平台上的方法使抓取机构拥有很大的操作工作空间。
并同时小车具有移动和操作功能,这样使它好于一般的机器人和传统机械手。
因此,研究这类机构的控制问题有十分重要的理论价值和实践意义。
2校园垃圾拾捡机构总原理
2.1机构总原理图
图2.1机构总原理
2.2捡拾垃圾机构的操控过程
校园捡拾垃圾机构工作时,启动遥控控制按钮,点动小车的开关按钮,把电源接通,校园捡拾垃圾机构行至校园内的工作区域,启动小车操作自动化控制按钮,这时机器进入自主运动运动状态。
校园捡拾垃圾机构通过视觉传感器摄像头传达垃圾所在位置:
当在抓取机构所能抓取的范围内没有发现有垃圾时,小车后轮驱动电机启动小车向前行进,寻找垃圾,直至发现在其范围内发现垃圾时,驱动电机关闭小车停止移动,然后启动抓取机构控制系统,抓取机构通过传感器调整抓取机构位置使爪子对准垃圾,爪子闭合抓取垃圾,机械手随转台向垃圾箱方向转动,转到垃圾箱上方触碰到一行程开关,将垃圾放入垃圾箱内,随后机械手随转台转回到自由初始状态。
小车继续行进寻找垃圾目标。
校园捡拾垃圾机构在工作过程中,通过周围装有的传感器发现有障碍物时,转向电机启动,控制机构转向,避开障碍物。
3校园捡拾垃圾机构行走机构设计与计算
3.1行走机构的工作原理
行走机构是采用传感器技术自动控制小车的向前行进(后退)和转向的一种全自动化的移动平台。
校园捡拾垃圾机构通过摄像头视觉传感器,传达垃圾位置信息,进而控制小车的前进与否及转向。
(1)行走机构移动平台图
图3.1行走机构
(2)行走机构向前前后移动
校园捡拾垃圾机通过视觉传感器传达垃圾位置:
当在机械手所能达到的范围内没有发现有垃圾时,机器人继续向前行进,寻找目标,直至发现在其范围内发现垃圾时,行走机构停止移动,启动机械手控制系统,将垃圾拾捡入垃圾箱,之后机构继续移动。
(3)行走机构转向
机构在工作过程中,小车体上方装有传感器,当发现有障碍物时,控制转向电机启动,进而控制校园捡拾垃圾机构转向。
从而使小车避开障碍物。
小车转向原理如下图:
图3.2转向梯形
3.2方案设计
(1)后轮驱动,前轮转向(★)
(2)前轮驱动,前轮转向
(3)四轮驱动,四轮转向
最终采用方案
(1)进行设计
3.2.1后轮驱动原理(如下图)
后轮驱动路线:
图3.3后轮驱动图
3.2.2前轮转向原理(如下图)
前轮转向路线:
3.4前轮转向图
3.3电动机选型
选取为Z4系列的直流电动机。
额定功率P=1.1kw
额定电压220v额定转速450r/min电动机
图3.5电机
电机安装尺寸:
机座号
安装尺寸
A
C1
E
K
G
R
S
n
22
200
±1.05
73±1.05
40
15
14.8-0.12
0±1.5
12
4-0.30
B
D
H
F
N
M
h3
205
±1.05
18+0.014
+0.02
140-0.5
5-0.010
-0.055
130-0.040
165
4-0.30
外形尺寸
p
b1
b2
h
L1
200
194
158
314.5
437
3.4设计链传动
图3.6链轮和链条
链轮转速分别为:
小链轮:
大链轮:
中心距a不小于300mm
3.4.1选择链轮齿数
传动比
假设链速
因为齿数一般大于等于17。
所以取小链轮齿数21,大链轮齿数
3.4.2确定链节数Lp
初定中心距a=25p
链节数一般取偶数
3.4.3确定链条节距
按小链轮转速估计工作点落在线顶点左侧Km=1.0。
表5.11查得:
工作情况系数:
KA=1.3,
小齿轮齿数系数Kz=1.11,
链长系数Kl=1.06所以采用单排链,
由表查得单排系数,得到工作条件下的传动功率为
根据计算得到的齿轮的转速和功率,由图5.26选择滚子链型号为08A,其节距为P=12.7mm
3.4.4确定链长L和中心距
链长:
查表可得中心距计算系数
中心距:
计算得a=318.9mm
中心距减少量
实际中心距
3.4.5验算速度
3.4.6作用于在轴上的轴力
3.4.7设计结果
滚子型号08A—1×94GB1243.1-83
链轮齿数
中心距a=318mm
3.5链轮的设计及计算
由以下公式:
分度圆直径
齿根圆直径(为滚子直径)=7.92
最大齿根距离:
偶数齿
奇数齿
齿根最大距离:
齿顶圆直径
(1)小链轮:
齿数:
21分度圆直径d=85.24mm
齿顶圆直径da=91mm齿根圆直径df=6.71mm
最大齿根距离Lx=76.48mm齿根最大距离dH=70mm
结构形式:
实心式材料:
40
热处理:
淬火回火40-50HRC
(2)大链轮:
链轮齿数:
63分度圆直径d=255.02mm
齿顶圆直径262mm齿根圆直径df=246.51mm
最大齿根距离Lx=246.43mm齿根最大距离dH=241mm
结构形式:
实心式材料:
40
热处理:
淬火回火40-50HRC
3.6轴的设计及计算
3.6.1选择轴的材料及热处理
由于小车的驱动轴传递的功率不是很大,故选择常用材料45钢,调质处理.
3.6.2初估轴径
轴承选取:
轴主要受径向力的作用,可选用轴承为深沟球轴承6406,根据轴承确定各轴安装轴承的直径为:
D1=40mm,D2=30mm。
3.6.3结构设计
确定轴直径:
初步估计轴后,轴可安装顺序的一部分,从中间开始,以确定直径。
的轴部分安装了一个大链轮,因此为40mm的段的直径。
2段装轴承6406,为了便于安装,取2段为30mm。
左端用轴肩固定,计算得轴肩的高度为5mm,取3段为20mm。
4段与车轮用键联接,取直径14mm。
各轴段长度的确定:
轴段1的长度取L1=450mm。
2为轴承6406宽度和轴承到支撑脚内壁的距离加上支撑脚内壁之间的距离段取为L2=125mm。
3段的长度按轴肩宽度公式计算L3=1.4h;取L3=90mm,4段:
L4=25mm。
3.6.4轴上零件的周向固定
为了保证良好的对中性。
与轴承内圈配合轴均选用H7/p6,l链轮与轴采用A型普通平键联接,为键GB/T1096——2003键6*6*18
3.6.5轴上倒角与圆角
3.6.6为了确保对轴承内环6406定位肩的端面的端面,根据推荐的轴承的使用说明书,取肩圆角半径为1mm。
其他肩圆角半径是2毫米。
根据标准GB6403.4-1986,绕轴两端被倒角1*45。
3.6.7轴的校核
图3.7轴
轴的校核图
(1)判断危险截面
显然,B剖面是危险截面;
(2)轴的弯扭合成强度校核
初步估计校园捡拾垃圾机器人的总质量为150Kg。
Fy剪力=Mg/4=375N
Fx剪力=F/2=317.46N
T=40.5N.m
My=Fy剪力*l=375*0.2=75N.m
=236MPa
则可以得到=24.6mm
此处轴的直径为40mm,满足要求。
3.7机架支脚端盖设计
机架支脚端盖都采用铸铁,铸铁机架能适应结构形状比较复杂的情况,有非常好的吸振性能和机加工性能。
由于小车结构小,重量轻,所以采用整体式车架。
机架支脚端盖都采用HT200
(1)后支脚
图3.8后支脚
(2)前支脚
图3.9前支脚
(3)端盖
图3.10端盖
3.8轴承选择
3.8.1轴承选型
(1)后轮采用轴承受很小的轴向应力作用,主要受径向力作用,且径向力作用不大时,选取深沟球轴承系列,6406。
结构参数见下表
(2)前轮受两方面的力的作用,所以选用圆锥滚子轴承,30307。
结构参数见下表
轴承代号
尺寸(mm)
d
D
B
6406
30
90
23
轴承代号
基本尺寸mm
d
D
T
B
C
a≈
30307
35
80
22.75
21
18
17
3.8.2轴承的轴向紧固方式
采用端盖紧固轴承外圈和轴肩紧固轴承内圈。
3.8.3轴承的安装形式
除轮毂轴承外,轴承均是成对出现的,均采用背对背方式安装定位。
如下图:
3.9联轴器的选择
3.9.1确定联轴器的计算转矩
=
----工作情况系数,取=1.3
3.9.2由和选择联轴器的型号与尺寸
----为所选用型号的许用转矩
------被联接轴转速
----联轴器的最高转速
由和
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