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文檔簡介
買文檔就送您 紙全套, Q 號交流 401339828 或 11970985 山茶采摘平臺設(shè)計研究 摘 要: 隨著國內(nèi)外采摘機器人的興起, 21 世紀是農(nóng)業(yè)機械化向智能化方向發(fā)展的重要歷史時期,機械作業(yè)已逐步進入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。 本文研究設(shè)計了能減輕人工勞動強度和提高工作效率的山茶采摘平臺,平臺由主控模塊、行走模塊(全向履帶)和升降模塊組成。系統(tǒng)以 核心控制器,通過對伺服電機的控制可實現(xiàn)采摘平臺的行走控制和升降控制。本文結(jié)合由鋁型材制作的采摘平臺的實物模型對系統(tǒng)的設(shè)計進行了分析和總結(jié)。 關(guān)鍵詞 : 機器人 ; 農(nóng)業(yè)機械化;采摘平臺 ; 全向履帶 買文檔就送您 紙全套, Q 號交流 401339828 或 11970985 of i u ( 10128, of at 1st is an of of to of of by as of be of of by in of 文檔就送您 紙全套, Q 號交流 401339828 或 11970985 目 錄 摘 要 . 1 關(guān)鍵詞 . 1 1 前言 . 1 究意義與目的 . 2 內(nèi)外研究現(xiàn)狀 . 2 2 山茶采摘平臺創(chuàng)意設(shè)計與方案 . 6 器人一般組成 . 6 茶采摘平臺設(shè)計方案 . 6 制概要 . 7 3 采摘平臺機械設(shè)計 . 7 盤的設(shè)計 . 7 于 45全向輪的分析 . 7 種山地行走系統(tǒng)用全向履帶 . 10 降機構(gòu)的設(shè)計 . 11 4 采摘平臺電路硬件電路設(shè)計 . 13 統(tǒng)原理框圖 . 13 摘主控制板結(jié)構(gòu)及說明 . 13 . 14 控制板實物圖 . 14 源模塊 . 15 服電機驅(qū)動電路 . 16 鍵電路 . 20 5 主控制板程序設(shè)計 . 21 統(tǒng) 主程序流程圖 . 21 . 21 買文檔就送您 紙全套, Q 號交流 401339828 或 11970985 件生成 . 21 件生成 . 23 6 系統(tǒng)的調(diào)試 . 25 7 總 結(jié) . 25 參考文獻 . 25 致 謝 . 26 附錄 . 27 買文檔就送您 紙全套, Q 號交流 401339828 或 11970985 1 1 前言 機器人技術(shù)的發(fā)展是一個國家高科技水平和工業(yè)自動化程度的重要標志和體現(xiàn)。機器人涉及多學(xué)科交叉綜合;人工智能、機器 人技術(shù)、通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、 仿生學(xué)、機構(gòu)學(xué)、 信息及編程技術(shù)、計算機學(xué)、材料學(xué)、電子技術(shù)、傳動技術(shù)、接口技術(shù)、電機拖動學(xué) 、精密機械技術(shù)、自動控制 理論、伺服傳動技術(shù)等諸多領(lǐng)域的技術(shù)集成,代表高技術(shù)的發(fā)展前沿,是當前科技研究的熱點方向。 21 世紀是農(nóng)業(yè)機械化向智能化方向發(fā)展的重要歷史時期。我國是一個農(nóng)業(yè)大國,要實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化,農(nóng)業(yè)裝備的機械化、智能化是發(fā)展的必然趨勢。隨著計算機和自動控制技術(shù)的迅速發(fā)展,機器人已逐步進入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。采摘機器人作為農(nóng)業(yè)機器人的重要類型,其作用在于能夠降低工人勞動強度和生產(chǎn)費用、提高勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量、保證果實適時采收,使其具有很大的發(fā)展?jié)摿?1。 研究意義與目的 農(nóng)業(yè)是國民經(jīng)濟的基礎(chǔ) , 這是不以人們意志為轉(zhuǎn)移 的客觀經(jīng)濟規(guī)律。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力發(fā)展的水平和農(nóng)業(yè)勞動生產(chǎn)率的高低 , 決定了農(nóng)業(yè)為其他部門提供剩余產(chǎn)品和勞動力的數(shù)量 , 進而制約著這些部門的發(fā)展規(guī)模和速度。近年來,采摘作業(yè)的效率提高問題已成為農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展需突破的瓶頸問題之一,目前在國內(nèi),果實采摘的成本普遍比較高,效率也低,人工采摘成為制約各地生產(chǎn)效率提高的一個瓶頸。在各地的采摘作業(yè)基本上還是手工完成 ,隨著人口的老齡化和農(nóng)業(yè)勞動力的減少,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本也將提高。因此推廣發(fā)展機械化收獲采摘技術(shù)和研究具有重要的意義 。 現(xiàn)今國內(nèi)外有某些公司已經(jīng)解決了機器采茶的問題,但是由 于該機器結(jié)構(gòu)復(fù)雜,核心機構(gòu)和工作部件需要進口,價格昂貴。而且該機的易損部件也是核心零部件還不能國產(chǎn)化,導(dǎo)致使用成本大大提高,所以國內(nèi)的機械化采茶的效率還很低,中小型茶農(nóng)也很難購買該類機器,即使有能力購買采摘機,高昂的使用維護成本會使茶農(nóng)的種植收益大打折 扣 。針對這種狀況,本文主要以山茶采摘平臺作為研究對象,目標是提高采摘工作效率,降低茶農(nóng)成本,提高利潤 2。 山茶采摘平臺行走控制系統(tǒng)設(shè)計的目的是用先進的機械化來替代繁重且低效益的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式,使農(nóng)民采摘作業(yè)的更高效、更科學(xué)化、更省力。利用山茶采摘平臺行走控制 系統(tǒng)實現(xiàn)對果實成熟時采摘的機械化,智能化。極大地提高了采摘的工作效率,降低了人工作業(yè)的工作強度。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 買文檔就送您 紙全套, Q 號交流 401339828 或 11970985 2 收獲作業(yè)的自動化和機器人的研究始于 20 世紀 60 年代的美國 (1968 年 ),采用的收獲方式主要是機械震搖式和氣動震搖式,其缺點是果實易損,效率不高,特別是無法進行選擇性的收獲。從 20 世紀 80 年代中期開始,隨著電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展,特別是工業(yè)機器人技術(shù)、計算機圖像處理技術(shù)和人工智能技術(shù)的日益成熟,以日本為代表的西方發(fā)達國家,包括荷蘭、美國、法國、英國、以色列、西班牙等國家,在收獲采摘 機器人的研究上做了大量的工作,試驗成功了多種具有人工智能的收獲采摘機器人,如番茄采摘機器人、葡萄采摘機器人、黃瓜收獲機器人、西瓜收獲機器人、甘藍采摘機器人和蘑菇采摘機器人等。 (1) 機器人可能成為美國農(nóng)場的重要組成部分 由于美國政府采取了更加嚴格的邊境管理政策,一些依靠外來移民勞動力的農(nóng)場主正將他們的視野轉(zhuǎn)向一種正在發(fā)展中的新一代摘果機器人。此類機器人可以從事從采集釀酒用的葡萄直至清洗和摘取萵苣心的工作。 目前這類機器人正處于全面發(fā)展時期,將成為收獲精致水果和蔬菜的基本工具,目前這些工作仍由手 工完成。圣地亞哥視覺機器人技術(shù)發(fā)明者德里克莫里卡瓦認為:新采摘機器人要依靠先進的運算能力和液壓技術(shù),使機器手臂和手指具有近似于人手靈敏度的能力?,F(xiàn)代成像技術(shù)同樣也使機器能夠識別和挑選各種品質(zhì)的水果和蔬菜。方法就是將一臺機械化掃描機器送入果園。裝備有數(shù)字成像技術(shù)設(shè)備的機器人能夠生成一張三維地圖,顯示位置、成熟度和水果質(zhì)量。一臺采摘機器人按照這些畫面,使用他們的長機械臂仔細地采集成熟了的水果。加州柑橘研究委員會和華盛頓蘋果委員會合作開發(fā)一種水果采摘機器人。上個月研究人員對原型機進行了檢測,但是距離真正的廣泛商業(yè) 應(yīng)用還有很長的路要走。另外,加州州立大學(xué)弗雷斯諾分校一個葡萄酒專家小組正在研制一種自動采摘機器人,目的是使葡萄酒業(yè)實現(xiàn)更多的機械化。該新技術(shù)包括一種稱之為近紅外線分光計的裝置,它可以在采摘之前檢測葡萄樣品中的糖含量和化學(xué)成分。然后利用這些數(shù)據(jù)繪制一幅全球定位系統(tǒng)地圖,收割機器人可以使用這些地圖進行導(dǎo)航,在葡萄園中采摘特定的理想成熟葡萄串。位于薩利納斯山谷的拉姆齊黑藍德公司銷售能夠部分自動使用帶狀鋸或水刀的機器人 ,機器人從地面收割萵苣,并將萵苣進行裝箱,以便清洗和加工。該公司首席執(zhí)行官弗蘭克梅肯納奇稱,拉姆齊 黑藍德公司開發(fā)的一種新機器模型已接近完工,這種新機器人可以采摘、清洗、取心和對萵苣和其他綠色蔬菜進行打包。 (2) 日本的果蔬采摘機器人 自 1983年第一臺西紅柿采摘機器人在美國誕生以來,采摘機器人的研究和開發(fā)歷經(jīng) 20多年,日本和歐美等國家相繼立項研究采摘蘋果、柑桔、西紅柿、西瓜和葡萄等買文檔就送您 紙全套, Q 號交流 401339828 或 11970985 3 智能機器人。目前,日本在水果采摘機器人領(lǐng)域中研究頗豐,其研究出的采摘機器人主要有以下幾類。 1 西紅柿采摘機器人 日本 機械手、 末端執(zhí)行器、視覺傳感器和移動機構(gòu)等組成。西紅柿一簇可長 4果實,各個果實不一定是同時成熟,并且果實有時被葉莖擋住,收獲時要求機械手活動范圍大,能避開障礙物,所以機器人的采摘機械手設(shè)計成具有 7 自由度,能夠形成指定的采摘姿態(tài)進行采摘。末端執(zhí)行器由兩個機械手指和一個吸盤組成;視覺傳感器主要由彩色攝 像機來尋找和識別成熟果實,利用雙目視覺方法對目標進行定位;移動機構(gòu)采用 4輪結(jié)構(gòu),能在壟間自動行走。采摘時,移動機構(gòu)行走一定的距離后,就進行圖像采集,利用視覺系統(tǒng)檢測出果實相對機械手坐標系的位置信息,判斷西紅柿是否在 收獲的范圍之內(nèi),若可以收獲,則控制機械手靠近并摘取果實,吸盤把果實吸住后,機械手指抓住果實,然后通過機械手的腕關(guān)節(jié)擰下果實。 2 草莓采摘機器人 人還針對草莓的不同栽培模式 (高架栽培模式和傳統(tǒng)模式 )研制出了相應(yīng)的采摘機器人。高架栽培模式由于適合機器人作業(yè)被越來越多地采用。該機器人采用 5 自由度采摘機械手,視覺系統(tǒng)與西紅柿采摘機器人類似,末端執(zhí)行器采用真空系統(tǒng)加螺旋加速切割器。收獲時,由視覺系統(tǒng)計算采摘目標的空間位置,接著采摘機械手移動到預(yù)定位置,末端 執(zhí)行器向下移動直到把草莓吸入;由 3 對光電開關(guān)檢測草莓的位置,當草莓位于合適的位置時,腕關(guān)節(jié)移動,果梗進入指定位置,由螺旋加速驅(qū)動切割器旋轉(zhuǎn)切斷果梗,完成采摘。 3 黃瓜采摘機器人 黃瓜采摘機器人,采用 6 自由度的機械手,能在傾斜棚支架下工作,這種支架栽培方式是專門為機械化采摘而設(shè)計。黃瓜果實在傾斜棚的下側(cè),便于黃瓜與莖葉分離,使檢測與采摘更容易。在攝像機前加了濾波片,根據(jù)黃瓜的光譜反射特性來識別黃瓜。其末端執(zhí)行器上裝有果梗探測器、切割器和機械手指。采摘時由機械手指抓住黃瓜后 ,果梗探測器尋找果梗,然后切割器切斷果梗。 4 功能葡萄采摘機器人 葡萄采摘機器人采用 5 自由度的極坐標機械手,末端的臂可以在葡萄架下水平勻速運動。視覺傳感器一般采用彩色攝像機,采用 維視覺傳感器效果更好些,可以檢測成熟果實及其距離信息的三維信息。在開放式的種植方式下,由 于采摘季節(jié)太買文檔就送您 紙全套, Q 號交流 401339828 或 11970985 4 短,單一的采摘功能使得機器人的使用效率太低,因此開發(fā)了多種末端執(zhí)行器,如分別用于采摘和套袋的末端執(zhí)行器、裝在機械手末端的噴嘴等。 用于葡萄采摘的末端執(zhí)行器有機械手指和剪刀,采摘時,用機械 手指抓住果房,用剪刀剪斷穗柄。除了以上介紹的幾種類型的采摘機器人,日本還開發(fā)了用于柑橘采摘、蘑菇和西瓜收獲等的機器人。目前,果蔬采摘機器人的智能水平還很有限,離實用化和商品化還有一定的距離。主要存在的問題,一是果實的識別率和采摘率不高,損傷率較高;二是果實的平均采摘周期較長;三是采摘機器人制造成本較高;隨著傳感器及計算機視覺等技術(shù)的發(fā)展,果蔬采摘機器人的研究還需在以下幾個方面進行努力:一是要找到一種可靠性好、精度高的視覺系統(tǒng)技術(shù),能夠檢測出所有成熟果實,精確對其定位;二是提高機械手和末端執(zhí)行器的設(shè)計柔性和靈 巧性,成功避障,提高采摘的成功率,降低果實的損傷率;三是要提高采摘機器人的通 用性,提高機器人的利用率。 (3) 荷蘭的黃瓜采摘機器人 1996年,荷蘭農(nóng)業(yè)環(huán)境工程研究所 (制出一種多功能黃瓜收獲機器 2人。該研究在荷蘭 2溫室里進行,黃瓜按照標準的園藝技術(shù)種植并把它培養(yǎng)為高拉線纏繞方式吊掛生長。該機器人利用近紅外視覺系統(tǒng)辨識黃瓜果實,并探測它的位置。機械手只收獲成熟黃瓜,不損傷其他未成熟的黃瓜。采摘通過 末端執(zhí)行器來完成,它由手爪和切割器構(gòu)成。機械手安裝在行走車上,行走車為機械手的操作和采摘 系統(tǒng)初步定位。機械手有 7 個自由度,采用三菱公司 (由度機械手,另外在底座增加了一個線性滑動自由度。 收獲后黃瓜的運輸由一個裝有可卸集裝箱的自走運輸車完成。整個系統(tǒng)無人工干預(yù)就能在溫室工作。試驗結(jié)果為工作速度 10s/根,在實驗室中效果良好,但由于制造成本和適應(yīng)性的制約,還不能滿足商用的要求。 (4) 英國的蘑菇采摘機器人 英國 可以自動測量蘑菇的位置、大小,并選擇性地采摘和修剪。它的機械手包括 2 個氣動移動關(guān)節(jié)和 1 個步進電機驅(qū)動的旋轉(zhuǎn) 關(guān)節(jié);末端執(zhí)行器是帶有軟襯墊的吸引器;視覺傳感器采用 裝在頂部用來確定蘑菇的位置和大小。采摘成功率在 75%左右,采摘速度為 617個 /s,生長傾斜是采摘失敗的主要原因。如何根據(jù)圖像信息調(diào)整機器手姿態(tài)動作來提高成功率和采用多個末端執(zhí)行器提高生產(chǎn)率是亟待解決的問題 3。 (5) 國內(nèi)研究進展 在國內(nèi) , 果蔬采摘機器人的研究剛剛起步。東北林業(yè)大學(xué)的陸懷民研制了林木球果采摘機器人,主要由 5 自由度機械手、行走機構(gòu)、液壓驅(qū)動系統(tǒng)和單片機控制系統(tǒng)買文檔就送您 紙全套, Q 號交流 401339828 或 11970985 5 組成。采摘時機器人停在距離母樹 3 5m,操縱機械手回轉(zhuǎn) 馬達對準母樹。然后,單片機控制系統(tǒng)控制機械手大、小臂同時柔性升起達到一定高度,采摘爪張開并擺動,對準要采集的樹枝,大小臂同時運動,使采摘爪沿著樹枝生 長方向趨近 2m,然后采摘爪的梳齒夾攏果枝,大小臂帶動采集爪按原路向后返回,梳下枝上球果,完成一次采摘。這種機器人效率是 500 ,是人工 的 30 50倍。而且,采摘時對母樹的破壞較小,采凈率高 。 另外,郭峰等運用彩色圖像處理技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論,開發(fā)了草莓揀選機器人,采用氣動驅(qū)動器將草莓推到不同的等級方向。浙江大學(xué)的應(yīng)義斌等完成了水果自動分級機器人的 研究開發(fā)。趙杰文等研究了基于 色特征的田間成熟番茄識別技術(shù),該方法對田間成熟番茄之間相互分離的情況有很好的識別效果。 梁喜鳳等為分析并改善番茄收獲機械手運動學(xué)特性進行了番茄收獲機械手運動學(xué)優(yōu)化與仿真試驗,取得了較好的效果 2。 2 山茶采摘平臺創(chuàng)意設(shè)計與方案 采摘機器人一般組成 采摘 機器人一般由執(zhí)行機構(gòu)、 驅(qū)動裝置 、檢測裝置和控制系統(tǒng)和復(fù)雜機械等組成。 執(zhí) 行機構(gòu)即機器人本體,其臂部一般采用空間開鏈連桿機構(gòu),其中的運動副(轉(zhuǎn)動副或移動副)常稱為關(guān)節(jié),關(guān)節(jié)個數(shù)通常即為機器人的 自由度數(shù) 。根據(jù)關(guān)節(jié)配置型式和運動坐標形式的不同,機器人執(zhí)行機構(gòu)可分為直角坐標式、圓柱坐標式、 極坐標 式和關(guān)節(jié)坐標式等類型。 驅(qū) 動裝置是驅(qū)使執(zhí)行機構(gòu)運動的機構(gòu),按照控制系統(tǒng)發(fā)出的指令信號,借助于動力元件使機器人進行動作。它輸入的是 電信號 ,輸出的是線、角位移量。機器人使用的驅(qū)動裝置主要是 電力 驅(qū)動裝置,如 步進電機 、 伺服電機 等,此外也有采用 液壓 、氣動等驅(qū)動裝置。 檢測裝置的作用是實時檢測機器人的運動 以及 工作 情況 ,根據(jù)需要反饋給控制系統(tǒng),與設(shè)定信息進行比較后,對執(zhí)行機構(gòu)進行調(diào)整,以保證機器人的動作符合預(yù)定的要求。 控制系統(tǒng)有兩種方式。一種是集中式控制,即機器人的全部控制由一臺 微型計算機 完成。另一種是分散式控制,即采用多臺 微機 來分擔機器人的控制,如當采用上、下兩級微機共同完成機器人的控制時, 主機 常用于負責系統(tǒng)的管理、通訊、運動學(xué)和動力學(xué)計算,并向下級微機發(fā)送指令信息;作為下級從機,各關(guān)節(jié)分別對應(yīng)一個 行插補運算和 伺服控制 處理,實 現(xiàn)給定的運動,并向主機反饋信息。 山茶采摘平臺設(shè)計方案 買文檔就送您 紙全套, Q 號交流 401339828 或 11970985 6 對于智能可升降式移動平臺來說,其主要性能 是平臺運行過程中的穩(wěn)定性、準確性、安全性以及可操作性。通過學(xué)習(xí)和總結(jié)以 往的各種產(chǎn)品,擬定了采摘平臺的設(shè)計方案如下 : 1、移動底盤采用自主研究設(shè)計的 山地行走系統(tǒng)用 全向履帶,使采摘平臺 適用于山區(qū)地形,而且在坡地行走的轉(zhuǎn)向過程中無需調(diào)整履帶的朝向,降低了操作的復(fù)雜度,提高了行走的穩(wěn)定性。 2、升降機構(gòu)采用行星齒輪嚙合折疊式升降結(jié)構(gòu) ,其 具有升降平穩(wěn)準確、運輸狀態(tài)尺寸小 、 安全可靠等優(yōu)點, 結(jié)構(gòu)緊湊 使 其 生產(chǎn)作業(yè)輕松自 如。 3、控制系統(tǒng)主控芯片采用 其芯片 高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用 等特點, 在復(fù)雜的 作業(yè)中 更穩(wěn)定和 實用以及方便 工業(yè)方面的改裝 。 研制概要 課題要求設(shè)計山茶采摘平臺,目的是減輕人工的勞動強度,提高工作效率。系統(tǒng)主要包含以下內(nèi)容: 1. 采摘平臺的底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計:要求結(jié)合山茶生長區(qū)的地域特點,設(shè)計適合于該地形行走的底盤結(jié)構(gòu),并且具有較強的負載能力。 2. 采摘平臺的升降結(jié)構(gòu)設(shè)計:要求結(jié)合山茶樹的外形尺寸特征,設(shè)計具有一定行程的升降系統(tǒng),實現(xiàn)采摘平臺的上升與下降,以達到方便采摘山茶的目 的。 3. 采摘平臺的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計:結(jié)合各單元的機械結(jié)構(gòu),設(shè)計對應(yīng)的電氣控制系統(tǒng)實現(xiàn)對相應(yīng)動作的控制。 3 山茶采摘平臺機械設(shè)計 底盤的設(shè)計 基于 45全向輪的分析 作為移動機器人而開發(fā)的移動機構(gòu)種類已相當繁多,僅就地面移動而言,移動機構(gòu)就有車輪式、履帶式、腿腳式、軀干式等多種形式。其中全方位輪式移動機構(gòu)無需車體做出任何轉(zhuǎn)動便可實現(xiàn)任意方向的移動,并且可以原地旋轉(zhuǎn)任意角度,運動非常靈活,可沿平面上任意連續(xù)軌跡走到要求的位置。 (1) 單個輥子的運動原理 45全向輪 外形 像一個斜齒輪,輪齒是能夠轉(zhuǎn)動的鼓形輥子,輥子的軸線與輪的軸線成 角度。這樣的特殊結(jié)構(gòu)使得輪體具備了三個自由度:繞輪軸的轉(zhuǎn)動和沿輥子軸線垂線方向的平動和繞輥子與地面接觸點的轉(zhuǎn)動。這樣,驅(qū)動輪在一個方向上具有主動驅(qū)動能力的同時,另外一個方向也具有自由移動(被動移動)的運動特性。輪子買文檔就送您 紙全套, Q 號交流 401339828 或 11970985 7 的圓周不是由普通的輪胎組成,而是分布了許多小滾筒,這些滾筒的軸線與輪子的圓周相切,并且滾筒能自由旋轉(zhuǎn)。當電機驅(qū)動車輪旋轉(zhuǎn)時,車輪以普通方式沿著垂直于驅(qū)動軸的方向前進,同時車輪周邊的輥子沿著其各自的軸線自由旋轉(zhuǎn)。圖 1為 45全向輪 的各結(jié) 構(gòu)和運動參量 。 圖 1 45全向輪運動參量的定義 45 of 2) 全方位輪協(xié)調(diào)運動原理 圖 2 為采用全方位移動機構(gòu)的車輪組合情況,輪中的小斜線表示觸地輥子的軸線方向。每個全方位輪都由一臺直流電機獨立驅(qū)動,通過四個全方位輪的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)向適當組合,可以實現(xiàn)機器人在平面上三自由度的全方位移動。 4 個全方位輪組成的機器人底座的力分析如圖,其中 f 為輪子滾動時小輥子受到軸向的摩擦力; F 為小輥子做從 動滾動時受到的滾動摩擦力; 為各輪轉(zhuǎn)動的角速度 4。 買文檔就送您 紙全套, Q 號交流 401339828 或 11970985 8 圖 2 組合運動圖 邊形底盤:動力輪分布在底盤的四個方向兩兩同軸且相互垂直,輪心到 P 底盤重心 O 的距離都等于 a 如下圖所示,假設(shè)每個輪子與地面的摩擦力分別為 照力學(xué)公式推導(dǎo)如下: 圖 3 四邊形底盤分析 f ( a) + ( a) + ( a) + ( a) 1 當 0 此時機器人向 2 當 0 此時機器人向 3 向相反 向相反時此時機器人原地旋轉(zhuǎn) 4 F1, 向與 反 此時機器人向 合力方向移動。 買文檔就送您 紙全套, Q 號交流 401339828 或 11970985 9 (3) 45全向 輪的參數(shù)設(shè)計 假設(shè)圖 4 中所示的圓柱是全方位輪的理論設(shè)計圓柱,曲線 輪子滾動時輥子與地面的接觸線。曲線 等速螺旋線,曲線 直線 轉(zhuǎn)一周就形成了全方位輪輥子的曲面。 圖 4 輥子生成圖 5 上述模型設(shè)計如下參數(shù): 輥子最小端半徑 輥子輪廓上任意一點相 對于 距離 及其最大值 最小值 由前面的推導(dǎo)知道 子最大半徑 輥子軸線與輪子 Z 軸的夾角 ( 輥子軸線與輪子 Z 軸的最小距離 輥子的數(shù)目 N; 輥子的長度 l( 輪子的實際寬度 b ( (4) 模型分析 6 運動學(xué)模型是全方位輪協(xié)調(diào)無碰運動軌跡時規(guī)劃的理論依據(jù),而動力學(xué)模型是研究動態(tài)環(huán)境下的實際時變運動規(guī)劃問題的基礎(chǔ)。運動學(xué)建??梢詮睦碚撋献C明全方位輪是如何 協(xié)調(diào)實現(xiàn)機器人的全方位運動的,并且為進一步建立動力學(xué)模型提供基礎(chǔ)。本文作了三個合理的假設(shè): 1 忽略本體及輥子的柔性; 買文檔就送您 紙全套, Q 號交流 401339828 或 11970985 10 2 忽略工作場地的不規(guī)則,即四個全方位輪能同時正常運轉(zhuǎn); 3 全方位輪與工作面有足夠大的摩擦力,輪體不存在打滑現(xiàn)象。 首先設(shè)定移動機器人的幾個不同坐標系,推導(dǎo)不同坐標系間的變換關(guān)系進而求輪體雅可比矩陣,并求出運動學(xué)問題的正逆問題最小二乘解。在運動學(xué)基礎(chǔ)上,求輪體復(fù)合系統(tǒng)在固 定坐標系中的加速度及加速度能,并求出動力學(xué)正逆問題解,為全方位移動機器人的進一步研究提供理論模型 7。 圖 5 山茶采摘平臺移動底盤 of 一種山地行走系統(tǒng)用全向履帶 行走系統(tǒng)可分為輪式和履帶式兩大類。輪式行走裝置的特點是功耗低,較機動,但是通過性能比履帶式差;履帶式的特點則是與地面接觸面積大,通過能力強,且履帶式行走裝置可利用履帶的差速實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎,轉(zhuǎn)彎半徑小,甚至是 原地轉(zhuǎn)彎。但目前履帶行走裝置在使用的過程中存在兩個較嚴重的缺點:一是轉(zhuǎn)向時由于與地面接觸面積大摩擦力大,所以功率消耗大,零件易磨損;二是在改變運動方向時需要調(diào)整履帶的朝向,增加了操作的復(fù)雜性。 1. 一種全向履帶,可實現(xiàn)履帶不同角度橫向平移的履帶,其特征在于,所述全 向履帶具有:履帶主體,其由履帶板和履帶銷組成,履帶銷將履帶板連接起來構(gòu)成履帶鏈環(huán);履帶板中間有孔,與主動輪嚙合,每塊履帶板兩側(cè)各安裝一個轂輪,轂輪通過軸和軸承安裝在履帶板上,可以靈活的轉(zhuǎn)動。 2. 根據(jù)所述的全向履帶,其中履帶板兩側(cè)的輪轂平行排 列,轂輪的中心軸與傳動軸線空間所成夾角為 0 買文檔就送您 紙全套, Q 號交流 401339828 或 11970985 11 綜上分析 ,這 種無需調(diào)整履帶朝向便可實現(xiàn)自由轉(zhuǎn)向的全向履帶尤其適用于山區(qū)地形的果園采摘平臺,它即具有履帶的通過性強的特點適合山地坡地行走,而且在坡地行走的轉(zhuǎn)向過程中無需調(diào)整履帶的朝向,降低了操作的復(fù)雜度,提高了行走的穩(wěn)定性。其效果是電機驅(qū)動主動輪運轉(zhuǎn)帶動履帶鏈環(huán)運動,在兩側(cè)履帶鏈環(huán)出現(xiàn)轉(zhuǎn)速差時會產(chǎn)生轉(zhuǎn)向運動,由于本發(fā)明的履帶板上安裝有轂輪,所以此刻履帶的轉(zhuǎn)向無需改變朝向。適合安裝于農(nóng)業(yè)用作業(yè)機械、土木用作用機械或建設(shè)用作用機械等行駛車輛的全向履帶。我們結(jié)合 輪式底盤和履帶式底盤的優(yōu)點和使用條件 , 決定用我們自主研究設(shè)計的全向履帶作為山茶采摘平臺的移動底盤 。 升降機構(gòu)的設(shè)計 升降機構(gòu)可以選擇絲桿、導(dǎo)軌、滑塊、直線滑軌式和直線軸承式等機構(gòu),并且我和指導(dǎo)老師也同時討論了這幾種機構(gòu)的設(shè)計方案,但為了滿足實驗的要求,必須穩(wěn)定、可靠、速度快、動作準確、方便控制等特點。在指導(dǎo)教師的組織下,我進行了多次選擇和分析: 1. 采用直線軸承式升降: 是一種以低成本生產(chǎn)的直線運動系統(tǒng),用于無限行程與圓柱軸配合使用。由于承載球與軸呈點接觸,故使用載荷小。鋼球以極小的摩擦阻 力旋轉(zhuǎn),從而能獲得高精度的平穩(wěn)運動 。 直線軸承是與淬火直線傳動軸配合使用。作無限直線運動的系統(tǒng)。負荷滾珠和淬火傳動軸因為是點接觸,容許載荷較小,但直線運動時,摩擦阻力最小,精度高,運動快捷。 2. 采用同步帶傳輸動力: 同步帶是以鋼絲繩或玻璃纖維為強力層,外覆以 聚氨酯或氯丁橡膠的環(huán)形帶,帶的內(nèi)周制成齒狀,使其與齒形帶輪嚙合。同步 帶傳動 時,傳動比準確,對軸作用力小,結(jié)構(gòu)緊湊,耐油,耐磨性好,抗老化性能好 ,對于要求同步的傳動 , 也可用于低速傳動。 同步帶傳動是由一根內(nèi)周表面設(shè)有等間距齒形的環(huán)行帶及具有相應(yīng)吻合的輪所組成。它綜合了帶傳動、鏈傳動和 齒輪傳動 各自的優(yōu)點。轉(zhuǎn)動時,通過帶齒與輪的齒槽相嚙合來傳遞動力。 傳輸 的 同步帶傳 動具有準確的傳動比,無滑差,可獲得恒定的速比,傳動平穩(wěn),能吸振, 噪音 小,傳動比范圍大。傳動效率高,結(jié)構(gòu)緊湊,適宜于多軸傳動,不需潤滑,無污染,因此可在不允許有污染和工作環(huán)境較為惡劣的場所下正常工作。 3. 絲桿傳輸動力: 絲杠是將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動,或?qū)⒅本€運動轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運動的一種傳動結(jié)構(gòu)。典型的絲杠由螺桿、螺母和滾珠組成。它的功能是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化成直線運動,這是滾珠螺絲的進 一步延伸和發(fā)展,這項發(fā)展的重要意義就是將 軸承 從滾動動作變成滑動動作。由于具有很小的摩擦阻力,絲杠被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備和買文檔就送您 紙全套, Q 號交流 401339828 或 11970985 12 精密儀器。 4. 行星齒輪傳輸動力: 行星齒輪 在一對互相嚙合的齒輪中,有一個齒輪作為主動輪,動力從它那里輸入,另一個齒輪作為從動輪,動力從它輸出。行星齒輪傳動的主要特點是體積小,承載能力大,工作平穩(wěn) 。 綜上分析幾種升降機構(gòu)都可以實現(xiàn)任務(wù)要求,進行就效率和質(zhì)量優(yōu) 劣分析可知道: 1 直線滑軌式的優(yōu)點:精度高,可自制。弊端:價格昂貴,重量較重。 2 絲桿傳動的優(yōu)點:簡單,成本低廉,傳動力大。弊端:傳動緩慢,需要軟件算法提高精度。 3 同步帶傳動的優(yōu)點:精度高,有瞬時傳動比質(zhì)量輕。 4 行星齒輪轉(zhuǎn)動的優(yōu)點: 體積小,承載能力大,工作平穩(wěn) 。 弊端:需要軟件算法提高精度 ,需要定制。 由于實驗要求在較短的時間內(nèi)完成升降動作,升降精度要求高,所以我選擇行星齒輪 折疊式升降機構(gòu)轉(zhuǎn)動的方式來實現(xiàn)升降動作 ,圖 5所示為用于比賽的收集機器人,其上升下降機構(gòu)為采摘平臺的升降機構(gòu)的實驗?zāi)P汀?圖 6 升降結(jié)構(gòu)(收集機器人) of 行星齒輪折疊式升降機構(gòu)各齒輪參數(shù)如下 大齒輪(太陽輪)的參數(shù): 買文檔就送您 紙全套, Q 號交流 401339828 或 11970985 13 模數(shù) M=數(shù) Z=320 壓力角 =20 齒點高系數(shù) 齒頂間隙數(shù) c=降齒輪的參數(shù): 模數(shù) M=數(shù) Z=160 壓力角 =20 齒點高系數(shù) 齒頂間隙數(shù) c=定小齒輪類型、精度等級、齒輪材料及齒數(shù) 1)考慮此減速器的功率及現(xiàn)場安裝限制,故大小齒輪都選用直齒圓柱齒輪傳動。 2)升降運動速度不高,故選用八級精度( 10095 3)小齒輪材料選用 45質(zhì) ),齒面硬度為小齒輪 280齒輪材料為 45鋼(調(diào)質(zhì))硬度為 240 4)選小齒輪齒數(shù) 171 Z 。 初步設(shè)計小齒輪傳動的主要尺寸 按齒面接觸強度設(shè)計 2131 )( 確定各參數(shù)的值 : 1)試選)計算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩。 T 9550160 11513)由 16表 10 d=1 4)由 16表 10=1 5)齒輪的疲勞強度極限 由 16圖 10小齒輪的接觸疲勞強度;大齒輪的接觸疲勞強度 。 6)由 16公式 1060n1 =60 160 1 (8 300 10) 買文檔就送您 紙全套, Q 號交流 401339828 或 11970985 14 = 108 h 60n1 =60 14 1 (8 300 10) = 107 h 7) 查 16圖 10接觸疲勞壽命系數(shù): = =) 計算接觸疲勞許用應(yīng)力。 取失效概率為 1%,安全系數(shù) S=1,由 16公式 10 H 1 =600=540 H2=550= 許用接觸應(yīng)力 : M p aM p 21 綜上計算主動小齒輪(行星輪)的參數(shù): 模數(shù) M=數(shù) Z=17 壓力角 =20 齒點高系數(shù) 齒頂間隙數(shù) c=4 機器人電路硬件電路設(shè)計 系統(tǒng)原理框圖 系統(tǒng)工作原理:系統(tǒng)核心 中電源電路給 供 常工作電壓,按鍵電路通過改變其輸入引腳的電平信號 ,并通過 理來提供所需要的輸出信號。 而達到對伺服電機正反轉(zhuǎn)以 及調(diào)速的控制。 S T M 32電源電路按鍵電路伺服器 伺服電機買文檔就送您 紙全套, Q 號交流 401339828 或 11970985 15 圖 7 系統(tǒng)原理框圖 機器人主控制板結(jié)構(gòu)及說明 山茶采摘平臺 能完成 控制、 運算速度、定位精確和可靠性等要求, 以及 在復(fù)雜的作業(yè)中 更穩(wěn)定和 實用以及 工業(yè)方面的改裝,我選擇芯片 列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計的 核。按性能分成兩個不同的系列: 增強型 ” 系列和基本 型 ” 系列。增強型系列時鐘頻率達到 72同類產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品;基本型時鐘頻率為 36 16位產(chǎn)品的價格得到比 16位產(chǎn)品大幅提升的性能,是 16位產(chǎn)品用戶的最佳選擇。兩個系列都內(nèi)置 3228同的是 鐘頻率 72閃存執(zhí)行代碼, 耗 36 32位市場上功耗最低的產(chǎn)品,相當于 2 位基于 心的帶 64 或者 128K 字節(jié)閃 存的微控制器 個 9 個通信接口 。 最小系統(tǒng) 如下圖所示是 最小工作系統(tǒng)原理圖 買文檔就送您 紙全套, Q 號交流 401339828 或 11970985 16 圖 8 最小系統(tǒng) 主控板硬件實物圖 圖 9 控制板實物圖 電路板為 習(xí)板,其硬件資源豐富包括: 小系統(tǒng)、適配器電源座、復(fù)位電路、獨立的按鍵、 串口 及 20真調(diào)試接口等。 電源模塊 為了系統(tǒng)的穩(wěn)定性,系統(tǒng)電源采用兩節(jié) 12V 輸出的鋰電池串聯(lián),給伺服電機提供24V 的工作電壓,同時通過圖 9 所示電路把 24V 轉(zhuǎn)為 5V,為伺服器提供一個穩(wěn)定的 5 買文檔就送您 紙全套, Q 號交流 401339828 或 11970985 17 圖 10 24V 轉(zhuǎn) 5V 電源電路圖 0 24V to V 用的是 源 8,對電源要求很高,過大的電源噪聲很容易使得程序跑飛或者芯片燒毀,使用 壓芯片 9能很好的解決這一 問題如下圖所示是該電源模塊的原理圖 圖 11 源模塊 1 伺服電機驅(qū)動電路 其設(shè)計中,采用了 10采用專用運動控制 高效 制指令信號與步進驅(qū)動器兼容 ,用戶不用更換控制器,就可將所用的步進驅(qū)動升級為全數(shù)字直流伺服驅(qū)動 。由 成的小功率運動控制系統(tǒng)在速度、精度、噪聲和低速平穩(wěn)性等方面 達到甚至超越數(shù)字式交流伺服系統(tǒng),而系統(tǒng)成本遠低于交流伺服。其體積小巧、安裝方便 、可靠性高、調(diào)試簡單。用戶可通過雷賽 本顯示器或 11。 買文檔就送您 紙全套, Q 號交流 401339828 或 11970985 18 圖 12 伺服器 2 、 適用范圍 適合驅(qū)動有刷、永磁直流伺服電機,空心杯永 磁直流伺服電機,力矩電機; 最大連續(xù)電流 10A,最大峰值電流 20A; 直流電源 +12 38V; 功率 400 瓦以內(nèi),過載能力達 800 瓦; 速度、位置的四象限控制。 2、 主要功能 輸入模擬信號進行速度控制; 輸入 號進行速度控制; 通過 進行速度控制; 通過 進行位置控制; 輸入脈沖、方向信號進行步進模式控制; 外部零位信號輸入; 外部制動信號輸入; 通過 現(xiàn) 制、參數(shù)調(diào)整、在線監(jiān)測; 實時讀取驅(qū)動器內(nèi)部溫度; 過流、過載、過壓、欠壓保護 、 溫度保護; 超調(diào)、失調(diào)保護,動態(tài)跟蹤誤差保護。 3、 技術(shù)參數(shù) 表 1 伺服器技術(shù)參數(shù) 數(shù) 標號 參數(shù)值 單位 電源電壓 U 12 20 率 95 % 買文檔就送您 紙全套, Q 號交流 401339828 或 11970985 19 最大連續(xù)輸出電流 0 A 最大峰值輸出電流 0 A 硬件保護電流 6 A 電源保險 30 A 靜態(tài)功耗(待機電流) 15/12V, 65/24V, 45/38V 表 可控速度范圍 130000 輸出編碼器電源 0 擬輸入端 輸入阻抗 25 擬信號速度控制 輸入電壓范圍 10V V 信號標準 低電平 0電平 35 V 頻段 100500 空比范圍 1%占空比 99% 占空比 50% 0 空比 50% 電機反轉(zhuǎn) 空比 50% 電機正轉(zhuǎn) 進脈沖最高頻率 00 障輸出 集電極開路輸出 最大電壓為 30V,電流 5有故障 低電平輸出 輯
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