水面垃圾清理机器人的设计

机械设计制造及其自动化论文，论文编号:JX1247  论文字数:24199.页数:53

 摘   要
 水域是生命之源，生命摇篮。然而，水受到的污染正愈发严重。目前水面垃圾主要是塑料、泡沫和生活废弃物，而这些难以降解的垃圾更容易被生物所寄居，助长物种入侵隐患。如果水面垃圾没有及时清理，经过水浸泡和风吹，会危及水质，尤其是在夏天，漂浮物在高温下霉烂，臭味传到方圆几公里，严重影响当地居民的生活质量，污染了当地的环境，也严重影响了居民的健康。
   目前许多国家的河流、水域漂浮物污染十分严重，给人们的生存环境、投资环境和开发利用旅游资源等带来负面影响。举例来说：水葫芦在我国和北美、亚洲、大洋洲和非洲十分肆虐，使得许多水域原有生物大量灭绝，严重地破坏了生物多样性和生态平衡，导致河水发黑、发臭，河流、湖泊淤塞，相关水域赤潮频发。 
 传统的水面垃圾清理，主要是通过人为打捞，效率比较低，同时又消耗了大量的人力和财力，些是仅靠人力是很难完成的，而且生命安全很难保证。
 本项目研制的水面垃圾清理机器人主要通过机械手段，同时有效利用电源来实现垃圾的收集。其最大的特点是效率大大提高，并且代替人为所不能进行作业的环境。本次设计模仿机器人的基本功能和设计思路，根据机器人要完成的任务和动作，结合机器人的特殊加工工艺，综合运用所学的基本理论、基本知识和相关的机械设计专业知识，完成符合市场需求的低成本高技术含量的水面垃圾清理机器人模型的创新设计。其中包括机器装置的原理方案构思和拟定；原理方案的实现、传动方案的设计；单片机控制系统的设计；PRO/E 3D仿真设计和造型；关键技术的分析与实现、主要结构的设计简图；设计计算与说明、设计小结。
 总体方案是用现代设计方法学对现有的几个方案的综合评价所得到的优化组合。首先是船体（及机器人的身体）的选定，由于机器人作业的场地为水面，故机器人的平稳性尤为重要，双体船即能很好解决这一问题。自然，打捞机构要安置在两船之间。
 打捞机构有三个方案可供选择。方案一是网兜机构，即在船尾部装一个网兜，随着船的前行，垃圾就被收集到网兜内；方案二机械臂机构，及在两船上各装一个机械臂，由机械臂完成垃圾打捞；方案三是“水车”机构,即在两船之间装一个有四片弯成一定弧度的漏板类似水车的机构。随着水车的旋转，垃圾就被打捞上来。考虑到方案一只能收集垃圾而不能捞上船舱，方案二中机械臂能承受的力矩有限，且工作时难以实现同步，而方案三不存在以上问题，最终确定选用方案三。
 垃圾打捞上来不会自动落入船舱，故需要一个四杆机构带动“扫子”来完成。当打捞机构与四杆机构必须同步，即打捞机构把垃圾抬到一定高度停顿，待四杆机构带动的扫子把垃圾扫落再继续，故两机构需要用槽轮机构连接。这样水面垃圾清理机械人的机械设计方案部分就成形了。
 水面垃圾清理机器人的控制部分主要分为：视觉子系统（即机器人的眼睛）、决策子系统（即机器人的大脑）、执行子系统（即机器人的神经网络）组成。通过视觉子系统把图像信息传给决策子系统，经决策子系统分析决策，把指令传给执行子系统，由执行子系统控制各机械机构执行动作。
 本论文分为七章。第一章为绪论，主要介绍了选题目的、背景和意义及国内外的相关研究；第二章介绍了设计任务，包括设计的目标要求，动作要求等；第三章对水面垃圾清理机器人进行大体的介绍，包括整体机构和各机械机构；第四章是应用现代设计方法学对机器人的动作执行机构进行优化设计。所谓现代设计方法，就是就是区别于过去常用的传统设计理论和方法，包括设计方法学、优化设计、可靠性设计、有限元法、动态设计、计算机辅助设计、人工神经元计算方法、工程遗传算法智能工程、价值工程人机工程等。其特点主要有：系统性、社会性、创造性、最优性、动态性、智能化CA 化等。故用现代设计方法可以得到组成水面垃圾清理机器人的最优化机构，得到最优的方案。第五章介绍了水面垃圾清理机器人的控制系统，从经济实用的角度出发，完成了机器人控制系统的模块设计、电路设计及模块选型。第六章对双船体、槽轮等主要机构进行了理论计算，为设计提供了理论依据。第七章是在前几章的论述的基础上得出的结论，并对此次设计进行总结。
    水面垃圾清理机器人的设计要求是：性能优良、安全可靠、成本低等，并且使机构的布置达到最优组合。
水面垃圾清理机器人设计的关键技术问题为：四杆机构的设计，槽轮机构的设计；打捞机构的设计；机器人作业时的定位及平稳性。
 水面垃圾清理机器人的创新之处：“风车”间歇转动，能够顺利可靠地将水面上的垃圾收集，并阻止垃圾遗漏；四杆的周转运动曲线与“风车”叶片曲率一致，保证机构间的运转可靠，并将垃圾完全从“风车”中掏出；采用分路传动设计方法，确保“风车”转动与“四杆”工作协调有序，同时减少了原动机的数量。
关键词：工业机器人 优化设计 控制系统 理论计算
目  录
摘要 II
Abstract IV
目录 VIII
第一章 绪 论 1
1.1 选题目的、背景和意义 1
1.2 国内外文献综述 3
1.3 研究内容 7
1.4 本章小结 7
第二章 设计任务 8
2.1 设计题目 8
2.2 设计的目标和要求 8
2.3 设计的内容 8
2.3.1 动作要求 8
2.3.2 机器人及单片机控制开发 8
2.4 本章小结 9
第三章 水面垃圾清理机器人概述 10
3.1 整体结构 10
3.2 整体结构说明 11
3.2.1双槽轮的间歇控制双机构 11
3.2.2四杆机构 11
3.2.3曲柄滑块机构 12
3.2.4滤网 12
3.2.5双推进螺旋桨 12
3.2.6遥控模块 13
3.3本章小结 13
第四章 动作执行机构的优化设计 14
4.1设计方案 14
4.2功能提取与分解 14
4.2.1 广义执行机构子系统功能的提取和分解 15
4.2.2 传感检测子系统的功能提取与分解 15
4.2.3 信息处理及控制子系统的功能提取与分解 15
4.2.4 分功能的原理求解 16
4.3 原理求解的综合 20
4.3.1 概念设计过程模型 20
4.3.2 形态学矩阵表示 22
4.4方案的评价指标及多级递阶结构图 22
4.4.1评价指标 22
4.5方案概述 26
4.6本章小结 26
第五章 控制系统的设计 27
5.1视觉子系统 27
5.1.1系统的组成及基本原理 28
5.1.2视觉系统的软件构成 29
5.2 决策子系统 29
5.2.1 基本动作层 30
5.2.2 运动规划层 31
5.2.3 协调层 31
5.3 无线通讯子系统 32
5.3.1 IBM/PC与MCS-51单片机无线通讯系统 33
5.4 本章小结 35
第六章 理论设计计算 36
6.1双体船的设计 36
6.2旋转叶片主轴的设计 36
6.3槽轮的结构设计 37
6.4四杆和“风车”的结构和尺寸设计 38
6.5曲柄滑块机构的设计、计算分析 38
6.6齿轮传动计算 39
6.7 本章小结 41
第七章 结  论 42
致  谢 43
参考文献 44