水面垃圾清理機器人的設計

機械設計制造及其自動化論文，論文編號:JX1247  論文字數:24199.頁數:53

 摘   要
 水域是生命之源，生命搖籃。然而，水受到的污染正愈發嚴重。目前水面垃圾主要是塑料、泡沫和生活廢棄物，而這些難以降解的垃圾更容易被生物所寄居，助長物種入侵隱患。如果水面垃圾沒有及時清理，經過水浸泡和風吹，會危及水質，尤其是在夏天，漂浮物在高溫下霉爛，臭味傳到方圓幾公里，嚴重影響當地居民的生活質量，污染了當地的環境，也嚴重影響了居民的健康。
   目前許多國家的河流、水域漂浮物污染十分嚴重，給人們的生存環境、投資環境和開發利用旅游資源等帶來負面影響。舉例來說：水葫蘆在我國和北美、亞洲、大洋洲和非洲十分肆虐，使得許多水域原有生物大量滅絕，嚴重地破壞了生物多樣性和生態平衡，導致河水發黑、發臭，河流、湖泊淤塞，相關水域赤潮頻發。 
 傳統的水面垃圾清理，主要是通過人為打撈，效率比較低，同時又消耗了大量的人力和財力，些是僅靠人力是很難完成的，而且生命安全很難保證。
 本項目研制的水面垃圾清理機器人主要通過機械手段，同時有效利用電源來實現垃圾的收集。其最大的特點是效率大大提高，并且代替人為所不能進行作業的環境。本次設計模仿機器人的基本功能和設計思路，根據機器人要完成的任務和動作，結合機器人的特殊加工工藝，綜合運用所學的基本理論、基本知識和相關的機械設計專業知識，完成符合市場需求的低成本高技術含量的水面垃圾清理機器人模型的創新設計。其中包括機器裝置的原理方案構思和擬定；原理方案的實現、傳動方案的設計；單片機控制系統的設計；PRO/E 3D仿真設計和造型；關鍵技術的分析與實現、主要結構的設計簡圖；設計計算與說明、設計小結。
 總體方案是用現代設計方法學對現有的幾個方案的綜合評價所得到的優化組合。首先是船體（及機器人的身體）的選定，由于機器人作業的場地為水面，故機器人的平穩性尤為重要，雙體船即能很好解決這一問題。自然，打撈機構要安置在兩船之間。
 打撈機構有三個方案可供選擇。方案一是網兜機構，即在船尾部裝一個網兜，隨著船的前行，垃圾就被收集到網兜內；方案二機械臂機構，及在兩船上各裝一個機械臂，由機械臂完成垃圾打撈；方案三是“水車”機構,即在兩船之間裝一個有四片彎成一定弧度的漏板類似水車的機構。隨著水車的旋轉，垃圾就被打撈上來。考慮到方案一只能收集垃圾而不能撈上船艙，方案二中機械臂能承受的力矩有限，且工作時難以實現同步，而方案三不存在以上問題，最終確定選用方案三。
 垃圾打撈上來不會自動落入船艙，故需要一個四桿機構帶動“掃子”來完成。當打撈機構與四桿機構必須同步，即打撈機構把垃圾抬到一定高度停頓，待四桿機構帶動的掃子把垃圾掃落再繼續，故兩機構需要用槽輪機構連接。這樣水面垃圾清理機械人的機械設計方案部分就成形了。
 水面垃圾清理機器人的控制部分主要分為：視覺子系統（即機器人的眼睛）、決策子系統（即機器人的大腦）、執行子系統（即機器人的神經網絡）組成。通過視覺子系統把圖像信息傳給決策子系統，經決策子系統分析決策，把指令傳給執行子系統，由執行子系統控制各機械機構執行動作。
 本論文分為七章。第一章為緒論，主要介紹了選題目的、背景和意義及國內外的相關研究；第二章介紹了設計任務，包括設計的目標要求，動作要求等；第三章對水面垃圾清理機器人進行大體的介紹，包括整體機構和各機械機構；第四章是應用現代設計方法學對機器人的動作執行機構進行優化設計。所謂現代設計方法，就是就是區別于過去常用的傳統設計理論和方法，包括設計方法學、優化設計、可靠性設計、有限元法、動態設計、計算機輔助設計、人工神經元計算方法、工程遺傳算法智能工程、價值工程人機工程等。其特點主要有：系統性、社會性、創造性、最優性、動態性、智能化CA 化等。故用現代設計方法可以得到組成水面垃圾清理機器人的最優化機構，得到最優的方案。第五章介紹了水面垃圾清理機器人的控制系統，從經濟實用的角度出發，完成了機器人控制系統的模塊設計、電路設計及模塊選型。第六章對雙船體、槽輪等主要機構進行了理論計算，為設計提供了理論依據。第七章是在前幾章的論述的基礎上得出的結論，并對此次設計進行總結。
    水面垃圾清理機器人的設計要求是：性能優良、安全可靠、成本低等，并且使機構的布置達到最優組合。
水面垃圾清理機器人設計的關鍵技術問題為：四桿機構的設計，槽輪機構的設計；打撈機構的設計；機器人作業時的定位及平穩性。
 水面垃圾清理機器人的創新之處：“風車”間歇轉動，能夠順利可靠地將水面上的垃圾收集，并阻止垃圾遺漏；四桿的周轉運動曲線與“風車”葉片曲率一致，保證機構間的運轉可靠，并將垃圾完全從“風車”中掏出；采用分路傳動設計方法，確保“風車”轉動與“四桿”工作協調有序，同時減少了原動機的數量。
關鍵詞：工業機器人 優化設計 控制系統 理論計算
目  錄
摘要 II
Abstract IV
目錄 VIII
第一章 緒 論 1
1.1 選題目的、背景和意義 1
1.2 國內外文獻綜述 3
1.3 研究內容 7
1.4 本章小結 7
第二章 設計任務 8
2.1 設計題目 8
2.2 設計的目標和要求 8
2.3 設計的內容 8
2.3.1 動作要求 8
2.3.2 機器人及單片機控制開發 8
2.4 本章小結 9
第三章 水面垃圾清理機器人概述 10
3.1 整體結構 10
3.2 整體結構說明 11
3.2.1雙槽輪的間歇控制雙機構 11
3.2.2四桿機構 11
3.2.3曲柄滑塊機構 12
3.2.4濾網 12
3.2.5雙推進螺旋槳 12
3.2.6遙控模塊 13
3.3本章小結 13
第四章 動作執行機構的優化設計 14
4.1設計方案 14
4.2功能提取與分解 14
4.2.1 廣義執行機構子系統功能的提取和分解 15
4.2.2 傳感檢測子系統的功能提取與分解 15
4.2.3 信息處理及控制子系統的功能提取與分解 15
4.2.4 分功能的原理求解 16
4.3 原理求解的綜合 20
4.3.1 概念設計過程模型 20
4.3.2 形態學矩陣表示 22
4.4方案的評價指標及多級遞階結構圖 22
4.4.1評價指標 22
4.5方案概述 26
4.6本章小結 26
第五章 控制系統的設計 27
5.1視覺子系統 27
5.1.1系統的組成及基本原理 28
5.1.2視覺系統的軟件構成 29
5.2 決策子系統 29
5.2.1 基本動作層 30
5.2.2 運動規劃層 31
5.2.3 協調層 31
5.3 無線通訊子系統 32
5.3.1 IBM/PC與MCS-51單片機無線通訊系統 33
5.4 本章小結 35
第六章 理論設計計算 36
6.1雙體船的設計 36
6.2旋轉葉片主軸的設計 36
6.3槽輪的結構設計 37
6.4四桿和“風車”的結構和尺寸設計 38
6.5曲柄滑塊機構的設計、計算分析 38
6.6齒輪傳動計算 39
6.7 本章小結 41
第七章 結  論 42
致  謝 43
參考文獻 44