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        搬運機器人論文(精選論文分享)

        來源:未知 作者:王老師
        發布于:2021-09-11 共6385字

          隨著機器人在感知和操縱方面獲得越來越多的能力,相關行業領域希望機器人解決日益復雜和更高相關性的任務,機器人行為設計和組合變得更加復雜。在倉庫搬運的需求中盡可能地實現自動化搬運過程,這將改善整個倉庫工作的可擴展性和穩健性。在倉庫搬運的過程中,開發與人密切合作的機器人的關鍵挑戰是創建一個用戶界面,允許用戶快速,輕松地向機器人傳達復雜的指令。我們考慮使用倉庫搬運機器人實現物流的貨站傳遞功能,該機器人設計采用輪式或履帶式車輛用于將重載運送到難以到達的位置。文中是搜索整理的搬運機器人論文6篇,供大家參考閱讀。

          搬運機器人論文第一篇:農業搬運機器人控制系統設計

          摘要:本課題組設計的農業搬運機器人控制系統是以燃料電池作為動力源,集合路徑自主規劃于一體的機器人。設計采用燃料電池作為動力裝置,具有轉化效率高、環境污染少、燃料來源廣和價格較低等優勢。采用樹莓派作為主控系統,樹莓派安裝烏班圖系統,烏班圖系統搭載ROS機器人控制系統,通過GPS定位裝置實現自主定位導航,利用超聲波傳感器使機器人完成避障功能。四輪采用無刷輪轂電機作為驅動機構,具有結構簡單、成本低、維護簡單以及應用成熟的特點,控制器采用STM32F103ZET6作為機器人運動控制芯片,通過USART接口與導航模塊連接,通過I/O與3路超聲波連接,通過PWM信號對輪轂電機的驅動器進行調速控制。

          關鍵詞:燃料電池;避障功能;自主定位導航;

          隨著經濟的快速發展,城鎮化建設的不斷推進,越來越多的農民希望能夠從繁雜、重復的生產活動中解放出來。農用機器人的出現順應了時代發展的潮流,能夠極大地緩解農民繁重的勞動。本課題組在追求解放勞動力的同時,采用燃料電池代替普通電池驅動機器人進行工作,減少了環境污染,降低了消耗成本,提高了生產效率。導航定位技術是智能機器人所要解決的核心技術之一,迄今為止其手段主要為圖像、光、聲、電磁等原理方法的運用,根據機器人工作的空間環境、介質性質、行走距離、定位精度、對信號的敏感性等方面要求,確定解決問題的合理方式是其重點[1]。

          1 總體方案設計

          本設計為農業搬運機器人控制系統,能夠實現目標區域的自主定位以及規避障礙物的功能,適用于多種農業耕作場所。能夠實現對任務目標的路徑優化,提高了耕作的安全性、工作的可靠性以及工作效率。利用超聲波傳感器檢測行駛方向障礙,實現對搬運目標的精準定位。系統總體設計框圖如圖1所示。

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          圖1 系統總體框圖   

          2 燃料電池特點

          燃料電池與一般的電池相比具體有如下特點:

          1)價格低、效率高、性價比高。燃料電池能夠將燃料的化學能直接轉化為電能,它的燃料-電能轉換效率較高,注意這里不是電化學效率,而是熱能充分利用后轉換為電效率。如果直接使用氫氣,其電能轉換效率超過50%;如果發電設施與燃氣渦輪機并用,則整體效率可超過60%;如果再將電池排放的廢熱加以回收利用,則燃料能量的利用率可超過85%。要知道,核電的熱-電轉換效率不到30%,火電的大約在40%,很多熱能都浪費了。

          2)燃料電池的電站建設占地面積小,建設周期短,添加速度快,不必像充電電池一樣等待較長時間。

          3)燃料電池的電站獨立性較強,各種規模都能建設,十分方便。既適合集中式電站,也能夠作為分布式電站建設,也可以像充電樁一樣在小區、工廠、單位等地方建設。

          4)電站的功率調節靈活,只要調節燃料供給量,就可以低負荷運行或者滿負荷運行。

          5)燃料的適應面廣泛,能夠適用多種燃料。

          6)經濟環保,燃料電池產生的水和二氧化碳可以直接進行排放,不會對環境造成二次污染。

          從目前來看,燃料電池集合了眾多的優勢于一身,它已經引起人們的極大關注。由燃料電池構成的發電系統對電力工業都具有極大的吸引力[2]。

          3 定位及導航

          移動機器人路徑規劃的簡化可視圖環境建模方法,通過綜合考慮環境中障礙物的位置與移動機器人起點和終點的關系,剔除對路徑規劃結果不影響的障礙物,簡化了環境模型的表示,達到了減少移動機器人候選路徑數量的目的,提高了后續的路徑規劃算法的效率[3]。統一采用GPS衛星定位模塊進行定位,并進行SLAM建圖,采用行車圖路徑規劃的方法進行了地圖的轉換,如圖2所示,并找出了所有的可通行路徑。

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          圖2 行車圖路徑規劃   

          采用A*算法從所有路徑中分析,找到最優路徑自主導航,如圖3所示。正是由于它本身的重要性,自主定位導航技術在機器人控制系統中有著重要的作用。除了機器人行業,自主導航也廣泛應用在汽車的無人駕駛技術當中。

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          圖3 A*搜索算法  

          移動機器人通過內部的傳感器可以確定自己的位置,通過外置的傳感器可以感知周邊的環境,利用地圖能夠在環境中進行自主的移動。GPS定位通過衛星信號能夠確定機器人的所在位置,內置的陀螺儀和編碼器能夠確定機器人的位置和姿態,能夠為機器人導航提供最基本的數據要求。本系統涉及定位裝置主要有超聲波導航定位、GPS定位系統。

          3.1 超聲波

          隨著傳感器技術的發展,各種測距傳感器都被研究者用在移動機器人上。目前,常用的有電磁雷達、激光雷達、紅外傳感器、超聲波傳感器、視覺傳感器等[4]。超聲波是頻率高于20 k Hz一種聲波,波長短于常見聲波,有較好方向性,在所有照明條件下甚至是陽光直射條件下均能完美工作,能可靠探測任何顏色的物體,包括透明物體。超聲波由單片機控制其發生端發出超聲波,當超聲波在傳送過程中遇到障礙物時進行反射,接收端收到超聲波信號。單片機在發出信號控制發送端工作時開始計時,接收到超聲波時停止計時,該時間乘以超聲波的傳送速度就能計算出傳播距離,S=Tv/2,其中T為超聲波發射和接收的時間差;v為超聲波在介質中傳播的波速。

          超聲波傳感器具有檢測精度高的特點,可以達到毫米級別,并且檢測范圍廣,價格低,使用場合要求較低,能夠適應大部分的工作場合,被廣泛地應用到移動機器人的導航避障、定位中。由于超聲波檢測時數據量較低,所以采集速度快,可以適用于高速移動的機器人當中。

          超聲波傳感器中采用熱敏電阻檢測環境溫度,由于超聲波傳遞速度受溫度的影響較大,通過檢測的溫度結果對超聲波的檢測距離進行數據補償,具有溫度補償的超聲波傳感器能夠適用于絕大部分的場合,而且適應能力較強。超聲波定位原理如圖4所示。

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          圖4 超聲波定位原理圖   

          3.2 避障系統

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          圖5 勢場圖法  

          超聲波具有很強的方向性,有利于回波檢測識別,使得超聲波測距被廣泛應用,尤其應用于汽車雷達、掃地機器人等各種電子產品,而這些產品逐漸成為人們的生活必需品,同時,人們對這些電子設備的高精度性能提出了更高的要求[5]。采用超聲波傳感器進行避障,采用勢場圖法處理超聲波的數據,如圖5所示,自動加權調整規劃好的路徑,達到自動避障的目的。

          4 總結

          綜上所述,燃料電池驅動農業搬運機器人的研究發展對減少空氣污染、節約有效燃油資源、減少勞動力成本等具有十分重要的意義。同時,燃料電池可以實現機器人自動能源供應,延長機器人工作時間,省去為機器人更換電池的人力。

          參考文獻

          [1]劉金會,郝靜如.自主移動機器人導航定位技術研究初探[J].傳感器世界,2005(1):23-26.

          [2]張-丁 氫燃料電池的應用及發展前景[J]南方農機, 2020,51(18):193-194.

          [3]張琦移動機器人的路徑規劃與定位技術研究[D].哈爾濱:哈爾濱I業大學,2014.

          [4]徐躍基于超聲波測距的機器人定位與避障[D].濟南:魯工業大學, 2013.

          [5]孫宇鳳基于超聲波傳感器測距系統關鍵技術的研究[D].西安:西安電子科技大學, 2019.

          搬運機器人論文第二篇:工業機器人用交流永磁同步伺服電動機設計分析

          摘要:交流永磁同步伺服電動機屬于工業機器人伺服系統中的關鍵執行元件,目前在我國一些單位研究中已取得一定的進步,并在國產工業機器人中逐漸應用。但我國伺服電動機在功重比、整機長度等技術指標上還無法滿足現代工業機器人日益提高的輕量化需求;诖,文章結合工作實踐,設計一種交流永磁同步伺服電動機,該電機結構緊湊簡單,安裝方便,實現整體長度在軸向上的薄型化,同時建立一種電機輕量化、緊湊化設計體系。

          關鍵詞:交流伺服電動機;齒槽轉矩;高可靠性緊湊結構;工業機器人;

          Abstract:Ac permanent magnet synchronous servo motor is a key executive component in the servo system of industrial robot. At present, it has made some progress in the research of some units in our country, and has been gradually applied in domestic industrial robots. However, the servo motor in our country can not meet the increasing lightweight needs of modern industrial robots in terms of power-to-weight ratio, machine length and other technical indicators. Based on this, combined with the working practice, this paper designs a kind of AC permanent magnet synchronous motor, which has the advantages of compact structure and convenient installation, and realizes the thinning of the overall length in the axial direction. At the same time, a lightweight and compact design system of the motor is established.

          工業機器人主要包括本體、伺服系統、減速器、控制器四大關鍵部分,電機作為工業機器人伺服系統的關鍵零部件之一,已成為我國相關單位的研究熱點。如中科院電工所、新松機器人、廣州數控等有關單位相繼開展了對關節型工業機器人用電機的研究工作,其部分產品已在國產工業機器人中得到應用。本文設計交流永磁同步伺服電動機也是立足于自動生產線需求基礎上研發的,能適應相關系列的工業機器人配套使用。

          1 機器人對電機的特殊要求

          針對國產關節型工業機器人落后于國外、急需實現產品中高端化的需求,基于市場調研應用的常見工況作為基本工況,研究本體構件拓撲優化設計,探索負載自重比與整機剛度的優化平衡方法,考慮最大運動范圍、最大負載以及負載質心偏置影響的極限工況,提升機器人負載自重比,最終結合機器人的設計參數對電機的功率、重量與整機長度等設計參數提出了更高的需求,以實現機器人輕量化設計的目的。

          2 電機主要設計參數

          根據研究任務的要求,本文設計一款系列化工業機器人用電機,其主要設計參數如表1所示。

          在電機設計過程中,借助有限元件經過詳細的理論分析,通過建模對影響電機性能的主要參數進行多次綜合分析與優化,最終確定了更為精準的解算結果,滿足機器人使用要求。

          3 電機方案設計

          本文的電機是專門為工業機器人的配套需求而開發設計,在設計中充分考慮實際生產工藝,特別是基于工業機器人基礎上構建的自動化生產線,力求通過工業機器人反哺應用于電機的生產,從而促進整個生產線的效率和產品質量,使得電機和工業機器人相得益彰。

          3.1 電機的設計思路

          工業機器人用電機中,制動器作為一種將轉子位置保持制動或緊急制動的有效機構,無勵磁型失電制動器就是其中一種。使用該類型制動器電機的設計方案中,制動器在軸向上的位置位于定子負荷側或反負荷側、與定子并列,因其結構、電機部件的尺寸問題,電機總體長度一般較長,進而會影響機械、設備的安裝尺寸。因此,從產品應用的行業及市場的反饋來看,均期望能夠針對電機的總體長度進行一定程度的優化。

          為響應上述需求,在參考國外同類型電機性能參數和工業機器人用電機關鍵技術指標基礎上,結合自動化生產手段等因素,對電機各零件進行不斷試驗和優化,并進行整機的緊湊結構組合設計,最終設計出齒槽轉矩低、轉速平穩、體積小、過載能力好的電機。

          3.2 電機的方案設計

          為了克服電機現存的總體長度長、結構復雜、薄壁件加工難度大、成本高等技術的不足,本文設計的交流永磁同步電動機包括定子、轉子、端蓋、罩殼及無勵磁型失電制動器,其特征在于:轉子鐵芯固定設置于電機的轉軸上,無勵磁型失電制動器位于定子反負荷側與后端蓋之間,且至少一部分與定子繞組在徑向上重合;定子設置于轉子外周,定子外周、轉子側端及轉軸外周形成容納空間,容納空間可容納無勵磁型失電制動器的重合部分,定子繞組突出部最小內徑與無勵磁型失電制動器最大外徑間存在間隙,其軸向截面結構如圖1所示。

          電機設計中,制動器為彈簧密閉式無勵磁失電制動器,位于電機定子反負荷側與后端蓋之間,從定子反負荷側至后端蓋以底板、制動器轉子、電樞板、制動器定子的順序排列。制動器裝配時,制動器轉子轂通過彈性擋圈及平鍵緊固至轉軸上,制動器裝配后,制動器轉子與制動器轉子轂處于間隙配合狀態,當制動器斷電時,通過彈簧對電樞板施加壓力,底板、電樞板與制動器轉子之間相互接觸產生的摩擦力使得制動器轉子轂處于制動狀態,進而使得轉子處于制動狀態。制動器裝配后,至少部分與定子繞組在徑向上重合,以實現電機整體長度在軸向上的薄型化。

          本設計中,與電機徑向重合部分為底板、制動器轉子、制動器轉子轂和電樞板,徑向重合部分需保證定子繞組最小內徑與制動器最大外徑間存在一定間隙,并且制動器線圈及制動器定子位于定子繞組外側,不屬于電機徑向重合部分。

          本方案設計的電機,整機長度較同功率下制動器后置的常規方案短30mm左右,重量輕0.5kg左右。

          3.3 電機的設計驗證

          使用Ansys Maxwell對電機磁路進行仿真建模,如圖2所示,通過調整轉子鐵芯錯極角度的手段,分析電機齒槽轉矩波動率,選擇最優方案,即齒槽轉矩峰峰值約8.9m N.m,如圖3所示,計算齒槽轉矩波動率約0.045%。

          確定基本磁路方案后,使用Workbench對轉子結構進行建模,分析轉子的振動頻譜變化特征,圖4為轉子臨界轉速的坎貝爾圖,在7200r/min左右時出現強烈振動,由此可知該方案的臨界轉速錯開了電機的使用轉速范圍。

          表1 電機主要參數設計     

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          圖1 電機軸向截面結構示意圖   

          1定子;11機殼;12定子繞組;13定子鐵芯;2轉子;21永磁體;22轉子鐵芯;23轉軸;3無勵磁型失電制動器;31底板;32制動器轉子;33制動器轉子轂;34電樞板;35彈簧;36制動器線圈;37制動器定子;4螺釘;5后端蓋;51后端蓋加強筋;6軸承;7光電編碼器;8編碼器罩殼;9彈性擋圈;10平鍵

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          圖2 電機仿真模型   

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          圖3 齒槽轉矩峰峰值曲線  

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          圖4 轉子臨界轉速分析(未添加端部質量塊)  

          通過多次調整,將樣機依據測試標準《JBT 11991-2014工業機械數字控制系統用交流伺服電動機》規定的測試方法進行振動、噪聲、齒槽轉矩測試,實測數據如表2所示。

          通過表2的測試數據可以看出,樣機在滿足輕量化工業機器人對電機重量、整機尺寸要求的基礎上,具有在輸出轉矩范圍內具備較低的齒槽轉矩波動率及振動、噪聲等特點。

          4 應用驗證

          文述電機裝配的工業機器人在焊接、搬運、碼垛、食品3C、協作、教育等領域均有應用示范。目前廣州數控設備有限公司已經借助總線平臺實現對工業機器人、數控機床、自動傳送帶等集成,最終實現車間智能化管理。本次設計的電機用公司型式試驗測試平臺,并按照公司機器人測試標準《QGZSK 20-2019 RB系列搬運機器人》進行性能測試,包括對電機的空載、負載工作特性、溫升和噪聲等指標進行詳細測試和試驗,最終測試結果表明本次設計的工業機器人用交流永磁同步伺服電動機的各項性能良好,符合自動化生產線的需求。

          表2 樣機測試數據對比     

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          如RB50工業搬運機器人是公司自主研發的產品,其4、5、6軸均使用了150SJTR系列電機,而應用RB50機器人的某公司空調壓縮機上下料生產線,1臺機器人在工作節拍及操作空間上可同時滿足2臺機床上下料的需求。

          5 結束語

          本文出于對工業機器人組建的自動化生產手段等因素考慮,在基于關鍵技術和性能要求的基礎上,設計的工業機器人用交流永磁同步伺服電動機。電機為三相交流永磁同步電動機,但是在不脫離技術構思的情況下,設計的實施方式不限于此,還可以結合不同的生產線要求做出其他多種形式的修改、替換或變更,為系列化設計及生產制造打下基礎。

          參考文獻

          [1]李立毅,張江鵬,趙國平,等.考慮極限熱負荷下高過載永磁同步電機的研究[J]。中國電機工程學報, 2016,36(3):845-852.

          [2]陳強,蘭華,徐永向。磁飽和對永磁同步電機轉矩波動的影響[J] .電工技術學報, 2017,50(8):7-11.

          [3]王秀和.永磁電機[M] .北京:中國電力出版社, 2011.


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