畢業設計（論文）-垃圾撿拾機器人控制結構設計

垃圾撿拾機器人控制結構設計GARBAGEPICK-UPROBOTCONTROLARCHITECTUREDESIGN摘要隨著社會成員素質的全面進步，人們保護環境的意識越來越強烈。但是，還是存在著一些亂扔垃圾的不文明行為，這些行為不僅破壞了美好的環境，造成了一系列的污染，例如霧霾等等，無時無刻不影響著我們人類自身的發展，對人類的身心健康存在著或多或少的威脅，進而影響著人類社會的可持續發展能力。以此可以看出，對于垃圾清理這一方面，我們還需要投入更多的精力以及研究。若是設計一個垃圾撿拾機器人的話，這些垃圾就能得到有效的清除，也能為城市的綠化做出一點貢獻，為社會的可持續發展添一些動力。因此，研究設計一臺能夠清理目標垃圾的機器人十分有必要，有很大的設計價值。這樣一臺具有垃圾清除能力的機器人將會對城市綠化方面作出很大的貢獻。本設計說明書主要是參考各種文獻資料，在課題中列舉各種不同形式的方案，并且通過反復思考選擇最佳方案，然后計算，使得數據更加精確具體，設計出垃圾撿拾機器人的撿拾機構、行走機構以及相應的控制方式，并且對系統進行校核。在此項研究中，我們設計的垃圾撿拾機器人，使用的基本上是液壓控制系統，通過液壓系統的控制，來操作機器人的拾取工作，使得任務完成得更加完美。同時，了解行走機器人的歷史，便于更好地設計一個垃圾撿拾機器人，為保護環境做出貢獻。關鍵詞垃圾撿拾機器人；液壓控制；PLC控制AbstractWiththeoverallprogressofsocialmembers’quality,thepeople’senvironmentalprotectionconsciousnessismoreandmoreintense.However,therearestillsomelitteruncivilizedbehaviors,theseactionsnotonlyunderminetheenvironment,resultinginaseriesofpollution,suchashaze,etc.,everyhourandmomentaffecthumandevelopment,therearemoreorlessonthethreattohumanhealth,affecttheabilityofsustainabledevelopmentofhumansociety.Thiscanbeseen,forthegarbageclean-up,wealsoneedtoinvestmoreenergyandresearch.Ifthedesignofagarbagecollectionrobotcometrue,thegarbagecanbeeffectivelyremoved,butalsomakealittlecontributiontothegreenforthecityandaddsomemomentumforthesustainabledevelopmentofsociety.Therefore,itisverynecessarytodesignarobotwhichcancleanupthegarbage.Sucharobotwithgarbageremovalabilitywillmakegreatcontributionstourbangreening.Thedesignspecificationismainlyreferringtovariousdocumentsandmaterials.Inthesubject,wewilllistvariousformsofprograms,andselectthebestprogramthroughrepeatedthinking,andthencalculate,makethedatamoreaccurateandconcrete.Also,wewilldesignthepickingupmechanism,thewalkingmechanismandthecorrespondingcontrolmodeofthegarbagepick-uprobotandcheckthesystem.Inthisstudy,thehydrauliccontrolsystemisbasicallyusedinthegarbagepick-uprobotthatwedesign.Throughthecontrolofthehydraulicsystem,weoperatethepicking-upworkoftherobot,makingthetaskmoreperfect.Atthesametime,thehistoryofthewalkingrobotisalsoknown,inordertodesignarobottopickupgarbage,andthenmakecontributionstoprotecttheenvironment.KeywordsGarbagepick-uprobotHydrauliccontrolPLCcontrol

目錄13166摘要 II6710Abstract III216221緒論 1322201.1概述 1198121.1.1背景及意義 1161421.1.2移動機器人的發展及其應用 1161231.1.3研究內容與方法 280351.2垃圾撿拾機器人工作框圖 22082方案設計及其選擇 4110242.1撿拾結構的設計 4321062.1.1方案一：鏟斗車型結構 474212.1.2方案二：旋轉毛刷收集結構 473092.1.3方案三：機械手抓取型結構 4236692.1.4機器人撿拾方案的確定 552832.2機器人移動形式的確定 5105863機器人工作過程分析及機械手臂結構設計 611813.1機器人工作過程分析 6294513.1.1垃圾撿拾機器人驅動分析 64603.1.2機器人機械手工作分析 6305523.1.3機器人支撐座 7249523.2機械臂機構設計 7292413.2.1機械臂機構設計要求 710943.2.2機械臂機構具體設計 7113014液壓控制環節 9229484.1液壓控制優點 9256614.2液壓系統油路圖 9173754.3液壓缸選型 11155244.3.1手臂1與手臂2的液壓缸選型 1124384.3.2擺動液壓缸的選型 12170814.3.3機械手手爪活塞缸選型 13100574.4液壓泵的選型 15148674.5系統校核 16116404.6液壓系統中其他元件的選擇 19185425機器人的控制機構設計 21283635.1PLC控制 21209705.2機械手的控制 21128285.3驅動系統的控制 244167結論 2626422致謝 271286參考文獻 281緒論1.1概述1.1.1背景及意義隨著社會成員素質的全面進步，保護自然環境成為了我們人類日常生活中的重要組成，然而，并不是所有的人都有著保護環境的意識，他們往往會亂扔垃圾，使得環境破壞，例如霧霾等等，無時無刻不影響著我們人類自身的發展，小到我們的身體健康，大到整個人類社會的不斷向前發展。以此可以看出，對于垃圾清理這一方面，我們還需要投入更多的精力以及研究。21世紀，機器人的發展迅速為我們人類的生活和各個方面提供了很大的幫助。在這樣的趨勢下，設計出一個垃圾撿拾機器人，這些垃圾就能得到有效的清除，也能為城市的綠化做出一點貢獻。因此，研究設計一臺能夠清理目標垃圾的機器人十分有必要，有很大的設計價值。這樣一臺具有垃圾清除能力的機器人將會對城市綠化方面作出很大的貢獻。1.1.2移動機器人的發展及其應用很久以前，機器人被人所提出，于是很多研究者、學者等都對這個非常具有潛在價值的事物進行了深刻地研究、學習。就是因為這種氣氛，導致機器人這一行業飛速發展，也逐漸運用于許許多多的領域，而且各種類型各種功能的機器人也快速地被設計出來，機器人也被運用于其他許多場合。在這許許多多的各種類型的機器人中，移動機器人站了出來，發展速度迅猛。斯坦福研究院研究出了當時世界上第一款移動機器人。他們將這第一個移動機器人命名為Shakey，移動機器人的大門從此被開啟。此研究有著很大的價值，它的目的是為了能夠讓移動機器人能夠在相對于較為惡劣的地面上完成工作。由于地面凹凸不平，機器人行走困難，研究者又研發了步行機器人。在此之后，計算機技術大為發展，很好地推動了機器人的向前發展。大勢所趨，人心所向，不管是研究者還是商人，他們都看到了機器人的美好前景，于是在這個行業里前赴后繼，進一步使得機器人領域擴大壯大。因為地面行走困難，八組行走機器人也被研究出來，其中較為著名的要數“丹蒂II型”八足行走機器人，這個機器人的出現很好的克服了遠程探險時的困難。，它有著較為出色的地方是，1994年，科學家要在斯珀火山的火山口進行探索，若是讓研究人員親自上陣實在太危險，在這時候這個機器人就大顯了神通并且出色地完成了研究人員交給他的任務。就是這點突出的特點，這個八足行走機器人變得如此著名。丹蒂計劃的研究目的主要是為了能夠讓機器人在月球表面或者人類無法正常行走的不平整地面進行探索研究。可以說，丹蒂計劃取得了很大的成功，目前，人們已經能夠用航空技術將此類機器人送到其他星球上進行探索。相比于國外，由于我國的科研水平以及資金等一系列的問題，我國的機器人發展水平還遠遠不及其他發達國家。但是我們也不甘心落后，不少的研究者和科學家深知機器人的重要性，相繼投身其中，迎難而上。作為中國最為著名的學府，清華大學就在1994年，通過不懈的努力，設計出了一款智能移動機器人，而且這款機器人，能夠很好的進行工作，是一塊里程碑。移動機器人研究的領域實在太大，在很多方面，還有很多沒有解決的問題。在設計初期，首先得確定機器人移動的方式，其中一般包括：履帶式、輪式和仿足式，但是對于一些在特定場合工作的機器人來說，也要設計不同的移動方式。因為工作環境有著各種各樣的不同情況，機器人的移動方式，也就有了各種各樣的要求。因此，保證機器人能夠移動的同時，機器人的移動能力也就成了研究的重中之重。其次，驅動系統的設計也是很重要的。機器人的移動尤為重要，若是一個機器人的移動受損或者控制不當，機器人的壽命、功能會受到很大影響。然后，路線的規劃也是非常重要的，在機器人的移動過程中，難免會遇到復雜難行的地面，所以在這種情況下，對于路線的規劃較為重要，防止因為路線原因而導致機器人受損，減少壽命。各方面的嚴峻考驗并沒有嚇到人們，相反，研究者們迎難而上，為了實現機器人的完美工作，嘔心瀝血，在機器人研究這一塊投入大量的精力，皇天不負有心人，機器人行業迅猛發展。行業的發展需要人才，并且行業的發展帶動人才，一批批有抱負的有志之士相繼加入研究行列。另外，不管是生活中的生產，還是說的遠一點，國防安全方面，機器人都是有著很好的前景，但是，機器人的研究不是一朝一夕能夠完成的，需要我們用心血用汗水鑄造，不管前面的困難多大，我們都要抓住機遇，迎難而上，用心去研究。移動機器人組成是很復雜的，通俗來說是吧各種不同的模塊相結合，從而實現一加一大于二的功能特點。一個移動機器人，必須具備移動功能、信息分析功能還有相應的具體工作動作功能。移動機械手是一種特殊的移動機器人，它由機械手和可以動的平臺相組成，機械手實現抓取，平臺實現移動，兩者相輔相成，具有抓取放置功能，同時具有一定的移動功能。1.1.3研究內容與方法本次研究的課題是垃圾撿拾機器人，此類機器人一定是移動機器人，所以我們的研究方法就是運用移動機器人這方面的技術來設計一個具有拾取垃圾功能，并且投入相應位置功能的可移動機器人。研究時，我們離不開相關文獻、資料的參考，我們要善于將其有用的部分進行整理修改并且運用于自己的研究方案中。我們在課題中列舉各種不同形式的方案，并且通過反復思考選擇最佳方案，然后計算，使得數據更加精確具體。1.2垃圾撿拾機器人工作框圖如圖1-1，是垃圾撿拾機器人的工作框圖，其運行時，具體工作狀態如下：第一步，人工開啟操作系統，一旦操作系統開啟，機器人進行自我檢測，并且初始化任務數據，然后，傳感器獲得數據并傳送到機器人，機器人再通過對于傳感器傳送過來的數據進行分析計算，構建出地圖，最后確定目標物體位置，進行抓取工作。圖1-1垃圾撿拾機器人工作框圖2方案設計及其選擇2.1撿拾結構的設計2.1.1方案一：鏟斗車型結構鏟斗車型結構是現實生活生產中經常用到的一種機器人撿拾結構，有著明顯的優點，但是缺點也較為明顯。鏟斗車型結構設計較為簡便，結構簡單、較為緊湊，所以設計出的機器人占地面積小，并且這種撿拾結構對于操作人員的水平要求不高，另一方面，在這個勞動力缺乏的時代，可以節約很大的勞動力。鏟斗車示意圖如下圖2-1,鏟斗的示意圖如下圖2-2所示：圖2-1鏟斗車示意圖圖2-2鏟斗示意圖盡管鏟斗車結構有著許多優點，但是，有利必有弊，其缺點很多，首先，其工作很不穩定，不能對一些垃圾進行撿拾，例如易拉罐等等，而且，如上圖鏟斗示意圖所示，我們可以清楚地看到，這種機器人的拾取范圍太大，會造成不必要的破壞。由以上幾點，此方案不予考慮。2.1.2方案二：旋轉毛刷收集結構機器人的發展很是迅速，家用機器人也是其中的一塊領域，人們通常選擇那些具有清除垃圾的家用機器人，而這些機器人一般使用的是旋轉毛刷收集結構。此結構的主要優點在于它能夠快速地清理小型垃圾以及灰塵，非常擅長家庭的地面清掃，它能夠自主地進行垃圾清理而不需要過多的人力，這種機器人是很好的選擇。但是，我們的研究課題所涉及的領域不僅僅是家庭垃圾撿拾，更多的是社會公共場合的垃圾撿拾，若是使用此結構，設計出的機器人無法清除其他公眾場合的垃圾，也就不能很好地完成任務。由以上幾點，這個方案不予考慮。2.1.3方案三：機械手抓取型結構機械手的結構較為復雜，由三大具體部分組成，分別是機械手手爪、機械手手臂部分，還有相應的控制系統，三者相輔相成，共同完成對于垃圾的撿拾工作，在工業生產中，機械手的應用隨處可見，一般都是用于搬運以及裝配，并且體積較大。另一方面，機械手還運用于其他領域：軍事、醫療，都是進行精密工作。經過思考，我們選擇機械手抓取型結構，因為它和鏟斗車還有旋轉毛刷相比，有著很大的優點。機械手是通過人的手類比設計制造的，與人的手有著相似之處，能夠做到穩定準確，而且適合于各種各式的垃圾。但是，也是因為上述的優點，機械手結構需要滿足很多要求，并且復雜，制造較為困難并且維護不易，并且，因為在實際操作中需要達到的精確度使得需要靈敏的感應系統和控制系統。2.1.4機器人撿拾方案的確定如前面所說，機器人的移動方式分為三種，包括：輪式、履帶式和足式，由于在此課題中，機器人的工作地的地面不會太惡劣，并且考慮到，履帶式和足式的結構較為復雜，設計較為困難，排除了前面這兩者，輪式成為最佳選擇。3機器人工作過程分析及機械手臂結構設計3.1機器人工作過程分析3.1.1垃圾撿拾機器人驅動分析在此課題中，我們采用電機進行驅動，因為電機的控制方便，并且實用性很強。如上面所說，在移動方式方面，我們采用輪式結構，考慮到移動結構的穩定性，我們選擇四輪結構，并且采用后輪驅動、前輪導向方式。這樣的驅動方式較為常見，現實生活中的轎車也采用此類驅動方式，主要優點如下：行駛平穩，并且爬坡能力相較前輪驅動來說更強。此驅動方式在車輛的驅動方式中占主導位置。由上述可知，驅動方式采用四輪結構，前輪導向后輪驅動，為了使結構更為簡單，設計更加方便，我們不考慮前后四輪聯動結構，四輪聯動結構設計較為復雜，并且成本較高，在此設計中不采用，所以我們采用電機控制。3.1.2機器人機械手工作分析如圖3-1所示，擺動臺在液壓缸4的上方，液壓缸4的轉動，會帶動擺動臺的轉動，機械手是位于擺動臺上的，擺動臺轉動，機械手也跟著進行相應的轉動。而大手臂的擺動則依靠液壓缸1活塞桿的伸出、收縮，活塞桿收縮，大手臂向上抬起，活塞桿伸出，大手臂下降。小手臂的前后擺動則依靠液壓缸2的收縮與伸出，活塞桿伸出，小手臂向前擺動，活塞桿收縮，小手臂向后擺動。機械手爪的夾緊與松開則依靠液壓缸3的收縮與伸出，活塞桿收縮，機械手爪夾緊，活塞桿伸出，機械手爪松開。在此項課題中，我們選擇的是液壓系統來控制機械手的移動與抓取，這樣的結構，在實際生活中應用廣泛，經常運用于搬運以及裝配。在實際的工業生產中，還能通過改裝機械手，使得機械手能夠進行一些輔助操作，例如噴漆等等。在大型的生產場合，我們經常能夠看到這樣的大型機械手結構。圖3-1機械手示意圖3.1.3機器人支撐座機器人支撐座是用來支撐機械手系統的板座，通過移動整個支撐板，來達到移動整個撿拾機構的目的，支撐板的設計主要是為了使機械手抓取系統的作用范圍擴大，使得機械手爪更加容易能夠抓取垃圾。在此項設計中，支撐板的設計不是核心，只需要起到支撐作用即可，所以我們選用平板型支撐板，結構簡單，制造方便。3.2機械臂機構設計3.2.1機械臂機構設計要求考慮到機器人撿拾的垃圾是由一定的重量的，所以我們考慮到，機械手臂需要有一定的抗彎強度。這樣才能在機器人進行撿拾垃圾的操作時，機械臂不至于彎曲甚至斷裂。保證機械臂具有一定的強度后，還應該盡量減輕重量，避免因為慣性力導致機械臂在操作過程中受損。另外，再設計機械臂時還應該考慮其通用性，具有好的通用性的機械臂能夠在環境發生變化時進行改變適應，從而繼續工作，完成任務。3.2.2機械臂機構具體設計如圖3-1機械手示意圖所示，我們畫出了如圖3-2的機械臂機構簡圖，類似于人的手臂形狀，分為三段，但是，經過考慮，我們畫出了如圖3-3的機械臂結構簡圖，將三段簡化為兩段，能夠達到同樣的效果，并且結構更加簡單。圖3-2機械臂機構簡圖圖3-3兩段機械臂機構簡圖如圖3-2、3-3所示，這樣的機械臂機構好比于人的手臂，通過關節來控制手臂的擺動。這種機構的主要優點是它所占的空間小。如圖3-2、3-3所示，手臂之間的關節為轉軸，在此項設計中，我們采用液壓系統的伸縮來代替轉軸進行手臂的擺動控制。4液壓控制環節4.1液壓控制優點機械手的控制方式一般分為氣壓傳動控制和液壓傳動控制，兩種方式各有其優點缺點。氣壓傳動控制有如下優點：空氣作為回路中的介質，資源豐富，并且在一些易爆炸易燃燒的場合能為工作人員提供較為安全的環境。考慮到空氣受阻較小，在一些遠距離傳輸也經常用此傳動控制方式。另一方面控制元件結構較為簡單，易于制造和維護，并且使用壽命較長。然而氣壓傳動控制方式也有自己的不足之處，例如：正是由于回路中的介質是空氣，由于空氣的易壓縮性，容易使得傳送系統的穩定性變差，從而影響控制的準確性。另一方面，氣壓傳動控制方式會產生一定的噪聲，造成噪聲污染，與我們所設計的垃圾撿拾機器人的應用場合不適應。最后，氣壓傳動控制要想達到和液壓傳動控制一樣的功率，機器人所設計的尺寸一定比液壓所設計出來的機器人大，所占空間大。所以經過反復考慮，決定以液壓傳動控制的方式，經過反復比較，氣壓傳動方式不適合本次課題，液壓傳動方式更加符合這次研究課題所設計的要求。在這里我們采用液壓傳動系統，是因為液壓傳動系統與我們所設計的機器人有著很好的適配性：第一，要達到相同的功率，液壓傳動的傳動元件較小，所占空間小，系統的結構十分緊湊。液壓馬達相比于電動機來說，同等功率卻可以質量減少5/6，舉個例子，如我國研發制造的1m3型挖掘機原本采用機械傳動方式，質量很大，但是，采用液壓傳動方式后，質量減少了一噸左右。采用液壓傳動系統，能讓我們設計的機器人的質量降低，減少因為質量所造成的壓力。第二，在實際中我們可以靈活方便的布置液壓系統之中的傳動元件。第三，液壓傳動系統的工作穩定性較強，并且因為質量較小，所以慣性小，整個液壓系統的反應能力較強，液壓系統能相當容易、快速地控制機械手的啟動、轉向等。第四，液壓系統的操作以及控制很方便簡單，能夠實現很大范圍的無級調速(調速的范圍最多可以達到2000：1，易獲得較小的速度)，并且在系統運行時，也能進行調速，而且對系統不會造成很大的影響。這種調整方式能夠及時改正機械手在實際操作過程中所出現的錯誤。第五，液壓系統中回路里的介質是礦物油，礦物油有起到潤滑減摩的作用，可以讓平面與平面之間摩擦減小，機構的受損減小，增加系統的使用壽命。第六，液壓系統對機器的自動化和控制系統的過載保護方面有很大的幫助，保證了工作操作時的安全問題。另外，在遠程控制方面，要達到高精度的話，一般采用的是電液控制或者計算機控制，這兩者具有很大的優勢。第七，從設計制造角度來說，液壓傳動的所用的傳動元件，已經標準化，選擇液壓傳動方式更加方便快捷，并且使用方便，也方便設計人員對于傳動元件的選擇。4.2液壓系統油路圖液壓系統控制運用的是電、氣壓、液壓三者一起作用來達到所要求的控制的目標，可以有小額減少所需要的人力資源，并且應用廣泛。液壓系統能夠造成很大的社會有用價值，造福人類，為人類的生產活動提供有效支持這也就是為什么液壓系統控制方式在實際生活中被運用這么廣泛的原因。經過對機械手的工作過程分析，得到如圖4-1的液壓系統控制油路圖。圖4-1液壓系統控制油路圖由圖4-1液壓系統控制油路圖可知該控制系統是由四個三位四通電磁換向閥來分別控制四個不同油缸的運動，通過鎖緊回路將換向閥與油缸相互連接，通過這種方式，油缸可以更加準確的停在某一具體要求的位置，也就從而提高了機械手在實際操作過程中的準確性。電磁比例溢流閥的作用就是按比例，調節油路壓力，使得機械手速度被控制，并且在同時確保系統安全。如圖所示，分別接通上圖中的電磁閥：1YA在接通的時候，電磁比例溢流閥會起到過載保護的作用，使油路中的壓力不會過高而造成系統損壞。2YA在接通的時候，液壓缸控制機械手爪的松開，使得機械手可以抓取垃圾后松開并為下次撿拾垃圾做準備。3YA在接通的時候，液壓缸控制機械手爪的閉合，使得機械手可以輕松地抓取垃圾。4YA在接通的時候，液壓缸控制手臂1開始放下機械手臂，為撿拾垃圾做準備。5YA在接通的時候，液壓缸收縮，從而活塞桿帶動手臂1，機械手臂上升。6YA在接通的時候，液壓缸控制手臂2向后進行擺動。7YA在接通的時候，液壓缸控制手臂2（即與裝載有機械手手爪的部分）向前擺動。8YA在接通的時候，液壓擺動缸會進行順時針得擺動，擺動缸帶動擺動臺順時針擺動，進而控制整個機械手順時針轉動。9YA在接通的時候，液壓擺動缸會進行逆時針擺動，擺動缸帶動整個擺動臺逆時針擺動，進而控制真個機械手逆時針轉動。10S為行程開關，在撿拾垃圾過程中發出相應的信號來控制機械手爪，使得機械手爪松開放下垃圾。11S為行程開關，當機械手爪抓取到垃圾后，發出信號，使得擺動缸順時針或者逆時針擺動，使得機械手爪遠離垃圾點。機械手爪抓取垃圾的速度，是由調速閥進行控制的。通過對圖4-1的分析，機械手的液壓控制工作過程大致如下：首先，傳感器感知垃圾的具體地理位置，然后傳送信號給機器人，當接收到這個信號的同時電氣控制系統會對3YA、4YA、6YA、7YA分別進行相應的控制，使得機器人手臂抬起，并且準確無誤的轉動到垃圾的上方不遠處位置。在具體操作過程中，4YA先得電，手臂1液壓缸的活塞桿受到壓力而伸出，手臂1帶動整個機械手下放；然后，使6YA或7YA得電，手臂2液壓缸的活塞桿推出或收縮使得手臂2向后或向前進行相應的擺動運動；接著，使3YA得電，控制爪子油缸的活塞桿收縮，是機械手爪開始夾緊。一旦垃圾被機械手爪夾緊，接收到相應的信號后，使5YA與9YA得電，使得手臂1的活塞缸與擺動液壓缸開始進行相應的工作，機械手臂上升到一定的高度的時候，再使5YA失電，9YA得電，擺動液壓缸開始逆時針擺動，進而帶動機械手臂開始進行逆時針擺動。一旦擺動液壓缸逆時針轉達一定位置時候，使得2YA得電，則機械手爪便會松開，將垃圾投入垃圾箱中。機械手爪一旦送開到最大位置時，行程開關觸發，8YA得電，液壓擺動缸帶動機械手臂進行順時針運動，直到回到初始位置結束。4.3液壓缸選型4.3.1手臂1與手臂2的液壓缸選型機械手臂的擺動是靠液壓缸的伸出與收縮控制的，如圖3-1所示，液壓缸必須固定于相應的機械手臂上，由此，我們選擇液壓缸與機械手臂之間采用“尾部耳環連接”方式進行連接，在活塞桿端部的選擇方面，我們不選擇螺紋的連接方式，因為，螺紋的制造較為復雜，并且液壓缸替換時會不方便，所以我們采用單耳環結構這種連接方式。我們將單耳環的尺寸設計為外徑32mm，內徑16mm，厚度20mm。如下圖4-2所示圖4-2液壓缸示意圖液壓缸速度比見（4-1）。 （4-1）——表示液壓缸速度比；A1——表示無桿腔有效面積；A2——表示有桿腔有效面積；D——表示活塞直徑；D——表示活塞桿直徑。我國的機械水平日益強大，在液壓方面更是如此，一批批更加完善的液壓缸被設計出來，其中的擺動液壓缸大致可以分成三種，包括螺旋擺動液壓缸、齒輪齒條液壓缸和葉片擺動液壓缸。雖然齒輪齒條液壓缸相對于其他兩種液壓缸來說有著許多的優點，但是所占空間太大，再次不予考慮。除去齒輪齒條液壓缸后，我們考慮其余另外兩種液壓缸：螺旋擺動液壓缸和葉片擺動液壓缸。這兩種液壓缸各有各自的特點，我們比較后發現，螺旋擺動液壓缸的相對于葉片擺動液壓缸來說，它的整體密封性能很好，旋轉扭矩較大，可以在較大的工作壓力下工作，但是對于螺旋擺動液壓缸來說，它的制造精度較高。葉片擺動液壓缸的結構比較緊湊，輸出轉矩相對于螺旋擺動液壓缸來說較大，但是整體密封性能不如螺旋擺動液壓缸，在工作時會發生不必要的泄露。本次研究課題所設計的機器人所需要的壓力不是特別大，但是葉片擺動液壓缸在這樣的中低壓系統中一系列的轉位、擺動和間歇性運動等來說相比于螺旋擺動液壓缸有著較大優勢，所以在這里我們選用葉片擺動液壓缸。葉片擺動液壓缸根據葉片的數量，分為單葉片擺動液壓缸以及多葉片擺動液壓缸，兩者的不同是多葉片擺動缸可轉角度，比單葉片擺動缸可轉角度小，前者150，后者280。此設計中，應滿足轉角不小于180度，所以單葉片擺動缸有優勢。參考液壓設計手冊，如下表4-1是兩種不同單葉片擺動液壓缸的規格，在這里我們選用型號為BM-150的液壓缸。表4-1液壓缸技術參數表型號壓力/MPa流量/×10-4（m3/s）轉矩/(N·m）擺動角度（°）BM-1500.7143.7515.0264BM-160.7143.751.62644.3.3機械手手爪活塞缸選型液壓缸之所以需要具備直線運動的特點，是因為機械手手爪要實現松開和夾緊的任務，并且需要將液壓缸固定于機械手臂上，與其一起移動，在查找（液壓傳動設計手冊）相關知識后，我們選擇單桿雙作用型液壓缸。參考（液壓傳動設計手冊）中液壓缸的不同安裝方式，并且考慮到我們設計中，液壓缸要和機械手臂一起移動，所以我們選擇與手臂液壓缸相同的連接方式，并用如圖4-3的環套使其固定于機械手臂上。參考表4-2，并且考慮到手爪的行程，在這里我們設定油缸行程為50mm，從而確定機械手手爪液壓缸行程亦為50mm。參考（液壓傳動設計手冊）表4-3，表4-4等，在此項設計中我們選擇該液壓缸的各項具體數據如表4-5所示。缸體和缸蓋之間的連接方式選用內螺紋連接方式，活塞與活塞桿之間的連接方式我們選用螺紋連接方式，活塞桿端部螺紋尺寸為M12*15。具體情況如下圖4-3所示。圖4-3機械手手爪活塞缸圖表4-2活塞缸行程系列活塞缸行程系列（GB/T2349—1980）/mm第一系列25、50、80、100、125、160、200、250、320、400、500第二系列40、63、90、110、140、180、220、280、360、450、550第三系列240、260、300、340、380、420、480、530、600、650

表4-3液壓缸內徑尺寸系列（mm）84012528010501403201263160360168018040020902004502510022050032110250表4-4液壓缸活塞桿外徑尺寸系列（mm）420561605226318062570200828802201032902501236100280144011032016451253601850140表4-5液壓缸具體數據（mm）活塞桿直徑內徑供油孔直徑液壓缸外徑導向行程2040850404.4液壓泵的選型液壓泵作為液壓系統的“發動機”，是為系統提供動力的，液壓泵根據流量、結構，可分為不同的種類，各自有各自不同的特點，一般情況下，分為以下幾種不同的類型：按照液壓泵的流量可調性，液壓泵分為：定量泵、變量泵。變量泵可以調節流量大小，而定量泵不行。按照液壓泵的具體結構可分為：葉片泵、柱塞泵和齒輪泵，各自有各自不同的特點。葉片泵：葉片泵分為單作用葉片泵以及雙作用葉片泵。葉片泵有如下優點：葉片泵在運行時，工作穩定，產生的噪聲小，并且流量比較均勻。然而，有利必有弊，葉片泵的制造設計較為復雜。柱塞泵：柱塞泵依靠柱塞在缸體內來回往復運動，從而實現壓油吸油，其有如下優點：額定壓力比較高、結構緊湊、效率又高并且流量可調，但是存在著很大的弊端，例如結構比較復雜，制造成本高，清理困難。齒輪泵：齒輪泵有如下優點：其結構緊湊并且體積小、質量小、工藝性好、價格較低，但是齒輪泵容易發生磨損。在一般情況下，柱塞泵我們最后考慮，當齒輪泵和葉片泵均達不到要求時，柱塞泵才予以考慮。還有一些液壓泵，例如螺桿泵等，在此項研究設計中，我們不予以考慮，并且這些液壓泵均不如以上三種類型。經過反復考慮，最終決定在此項研究設計中以齒輪泵為最終的液壓泵。液壓缸的排量如（4-2）、（4-3）：（4-2）（4-3）V1——表示活塞缸的最大排量。V2——表示擺動缸的最大排量。D——表示活塞的直徑。H——表示活塞缸的行程。d1——表示葉片直徑。d2——表示葉片軸直徑。h1——表示葉片高度。如式（4-2）、（4-3），我們通過計算得到液壓缸的排量，我們選擇型號為GB-B40型的齒輪油泵。4.5系統校核（1）活塞缸推力計算無桿腔推力計算如式（4-4）為：（4-4）p——表示工作壓力。——表示油缸的機械效率，在工程機械中使用耐油橡膠密封式可取活塞缸受力分析圖如圖4-4。圖4-4活塞缸受力分析圖對于有桿腔進油時來說，活塞桿收進時拉力計算如（4-5）：（4-5）（2）缸體與缸底采用電焊的方式進行連接，其焊縫應力計算如式（4-6）所示（焊接材料選用Z208，其抗拉應力為148kgf/cm3）：（4-6）P——表示油缸推力。η——表示焊接效率，可取。D1——表示缸外徑。d1——表示缸內徑。則其安全系數計算如（4-7）（4-7）——表示焊條材料抗拉強度。n——表示安全系數。通常取3.3~4。故焊條材料符合要求。（3）缸體與缸蓋的螺紋連接計算：查閱機械工程材料手冊可知，一般使用20號鋼，35號鋼以及45號鋼作為制作油缸的缸體的制作材料。但是，20號鋼現實使用不常見，一方面，20號鋼的機械性能不高，另一方面，20號鋼還不能通過調質處理來改善其機械性能。35號鋼具有一定的機械性能，一方面，35號鋼有一定的強度，另一方面，35號鋼常用于缸體焊接部分，可塑性能夠得到發揮，并且進行調質處理，改善其機械性能。再看45號鋼，45號鋼僅有較為一般的冷塑性，然而其強度較高，而且45號鋼與20號鋼不同，它能通過一定的熱處理，是自身的機械性能得到改善。所以，在這里，我們選擇45號鋼，使用于不與其他零件焊接在一起的部件。缸體材料我們選用35號鋼。如式（4-8）為螺紋處的拉應力計算：（4-8）螺紋處的剪切應力：（4-8）螺紋處的合應力為：（4-9）許用應力為：（4-10），35號鋼符合要求。（4）液壓缸運動速度以及推力計算：活塞缸：當無桿端進油時，見（4-11）；（4-11）當有桿端進油時，見（4-12）、（4-13）；（4-12）（4-13）擺動液壓缸：轉矩T計算見（4-14）：（4-14）轉角速度計算見（4-15）（4-15）4.6液壓系統中其他元件的選擇（1）液壓油的選擇：此項設計中液壓油應該具有一定的粘度以及一定的抗泡性；另外，該液壓油的閃點應該較高，否則會引起不必要的著火；另一方面，該液壓油還應該具備蒸汽壓力高的特點；當系統運行時，液壓油不可以使密封材料產生膨脹以及硬化等不必要的變化；最重要的是，在不同的壓力以及溫度下，液壓油要始終保持自身的潤滑及冷卻性能，減少因為壓力等因素造成的系統磨損；為了減少液壓油對系統的損耗，也應該具有一定的抗氧化性。由于液壓油需要滿足以上的要求，在經過慎重思考后，此項課題中我們選擇20號機械油。（2）密封圈：在現實生產活動中，密封圈有很多種類，有Y型密封圈、O型密封圈、V型密封圈等等，實際情況不同，選用的密封圈也是不同的，需要根據情況選用密封效果最好的密封圈。在這個課題中，選用的是雙作用活塞缸，活塞缸兩頭都會受到壓力沖擊，所以我們選用V型密封圈。（3）螺栓：根據設計的擺動液壓缸，我們選用直徑為8mm的螺栓。（4）關于銷釘的選擇：考慮到活塞桿端部耳環內徑為16mm，在這里我們選用直徑為16mm的銷釘。（5）手臂材料選擇：機械手臂應該力求質量小，并且在機械手臂較輕的基礎上，使得其具有一定的抗彎強度，目前，鋁合金這種材料是市面上用的最多的此類材料，并且性價比很高，所以在這里我們選擇鋁合金材料。5機器人的控制機構設計5.1PLC控制1969年，美國數字設備公司研制出了第一臺可編程邏輯控制器PDP-14，此PLC是用在汽車生產線上的，美國數字設備公司沿著計算機的設計思路設計研發了這款PLC，此款PLC結構很簡單，僅僅能完成計算機的一部分功能，可以形象的說是一部微型計算機。它完成了對于順序結構的設計，并且具有邏輯運算功能。可編程控制器的體積較小，結構簡單，制造成本相對于計算機來說更是低了很多，并且，在一些場合，是不需要完全的計算機功能的，PLC的出現很好的解決了這個問題，所以，PLC發展的越來越快。隨著PLC技術不斷向前發展，種類越來越多，但是一般可以分為以下兩種：整體箱式和模塊組合式。整體箱式PLC是把PLC各個部分裝在不同PCB板上，然后將這些板裝在一個箱體中，構成一個完整的整體。這樣的整體式結構使得PLC的整體體積變得很小，并且制造設計更加的簡單方便，但也是因為這種特點，使得此種PLC結構只能用于小型并且檔次較低場合。模塊組合式即根據PLC所具有不同的功能將其分為不同種類的模塊，然后將許許多多不同種類的模塊組合，形成一個完整的PLC系統。這樣的模塊形式相對于整體箱式結構來說更加的方便簡單，在不同的場合，只需要根據實際情況將不同功能的模塊組合，以此達到滿足要求，另外，在維修方面也更加的方便，只需將損壞的模塊取下，重新裝上新的模塊即可。就是因為有了很多優點，使得PLC在很短的時間內被人們所接受并且發展迅速，其中的優點包括：①PLC的結構緊湊簡單，體積小，通用性較強，工作時效率很高；②PLC相較于計算機來說，更加簡單，設計制造人員花費的精力少；③使用時，PLC不容易發生危險情況，適用性高。PLC在今后發展方向上大致分為三個方面：第一，向著中低端自動化領域發展，利用其簡單成本低的特點向前發展；第二，結構變得更加復雜，體積變得更加大，功能變得更加多，組合成一個復雜的系統；第三，與智能化的系統相結合，將范圍擴大化。PLC一般是以循環掃描的方式工作的，即PLC整個的工作過程為一個完整的掃描過程。具體過程如下：首先，PLC系統對自我進行診斷確保沒有系統錯誤等故障，若是檢測結束發現沒有問題后，就會進行和外部設備的相互傳送信號工作，然后采樣儲存各個輸入點的信息，并且開始運行程序，直到程序結束，便會輸出結果。5.2機械手的控制PLC系統通過控制液壓系統，從而液壓系統進一步控制機械手。液壓系統中的液壓缸的活動以及液壓缸與機械手臂相互作用，使得機械手得到相應的動作。此項研究中的機器人是可以實現自動化的，機械手根據程序做出不同的動作，達到抓取撿拾垃圾的要求，可以很好地完成任務。此次研究設計的重點就是如何通過PLC系統進而對液壓系統進行控制從而控制機械手的運動。PLC系統控制機械手的遠程自動控制，設計的重點是PLC端口的輸入輸出情況，通過對于液壓系統的仔細分析，我們對PLC的I/O端口進行了如下分配。如下表5-1所示：表5-1控制機械手的PLC的I/O口分配情況輸入輸出X0垃圾地點信號Y0手臂1向下擺動X1手臂1到達相應的位置Y1手臂2向前或向后擺動X2手臂2到達相應的位置Y2手爪開始進行抓取X3手爪完成夾緊垃圾工作Y3手臂1向上擺動X4手臂1到達相應的位置Y4擺動缸帶動機械手逆時針擺動X5擺動缸擺動到相應位置Y5手爪松開X6手爪完全放松Y6擺動缸順時針擺動到位根據表5-1，我們進行分析，考慮到PLC盡可能的簡單，在這里我們采用順序結構，機械手就可以完成撿拾垃圾任務，梯形圖如下圖5-1所示：圖5-1機械手的PLC梯形圖這個PLC程序僅僅是一個很短的程序段，當移動機器人到達指定的垃圾撿拾位置，驅動系統發來信號，才可以激活此程序，然后運行。垃圾撿拾機器人做完對于周圍環境的檢測，驅動程序才會運行。這樣就很好的達到了機器人所需要的探測、移動以及撿拾動能的完整系統。5.3驅動系統的控制在此項課題中，驅動系統，是非常重要的，為了能夠使得機器人進行大范圍的移動，驅動系統的設計很關鍵，驅動系統控制是決定垃圾撿拾性能的重中之重，只要驅動系統的某個環節除了差錯，即使機械手的控制完美都不能完成垃