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        三維搬運機器人及其控制系統設計分析

        來源:中小企業管理與科技(中旬刊) 作者:諶小平 古學耿 張彤
        發布于:2021-09-11 共2606字

          搬運機器人論文第五篇:三維搬運機器人及其控制系統設計分析

          摘要:伴隨社會進步、收入水平提高以及人工智能與機器人技術的成熟,人們開始追求更高的生活品質,機器人的種類與數量在不斷攀升。論文設計了一種適用于家庭的三維搬運機器人,主要從結構組成與系統設計分析其完成任務的各部分的傳動與程序原理。

          關鍵詞:三維搬運機器人;可折疊機械臂;結構;控制系統;智能家居;語音控制;

          Abstract:With the social progress, the improvement of income level and the maturity of artificial intelligence and robot technology, people begin to pursue a higher quality of life, and the type and number of robots are on the rise. This paper designs a kind of three-dimensional handling robot which is suitable for the family. It mainly analyzes the transmission and program principle of each part to complete the task from the structure composition and system design.

          1 引言

          近年來,中國人口紅利逐漸消失,人口老齡化、勞動力不足以及人力成本上升等原因,人們對家政服務的需求提高,家政市場在擴大的同時,服務價格也在提升,導致對服務機器人需求逐步增加。伴隨著收入水平持續提高以及智能AI技術的成熟,人們也有意愿追求更高品質的生活。機器人越來越頻繁地出現在銀行、機場、大型賣場、工程建設、餐廳等領域。

          本文設計了一種日常生活幫助部分特殊人群完成平時難以完成工作的機器人,可以幫助使用者完成危險工作,避免危險的發生。同時,可以提供更全面的幫助,可適用于更多領域。

          2 機器人結構設計

          2.1 機械臂結構設計

          三維搬運機器人是自主設計的一款簡單的專用于家庭搬運機器人,是由齒輪、杠桿、馬達、電池、履帶、熱塑性樹脂等零件材料組裝設計而成。該搬運機器人伸展最高為180cm,最低可收縮60cm,單機械臂長度為120cm,機械底盤高度為40cm,升降臺最高可至20cm。

          機械臂底部平臺設置為不可逆的卡扣單向旋轉保證機器精確旋轉角度;平臺上安裝了垂直旋轉云臺連接實時圖傳發射器,通過信號傳輸可在其他設備收到機器人實時圖傳;機械臂設計為多段折疊關節結構機械臂的結構變化實現各高度下的物品抓取。

          機械爪與機械臂連接部分設置大功率舵機使爪部整體為可翻轉結構,機械爪下部設有圖像傳感器用于判斷夾取物體的大小及形狀,傳動使用單電機齒輪帶動雙齒輪對轉,齒輪動桿配合帶動連桿完成夾取動作,爪內邊緣設置有軟膠貼片的限位開關,可保證對被抓取物品大小判斷出現偏差時進行及時改變夾取動作,不易在夾取物品時出現損壞。

          2.2 伸降平臺結構設計

          外殼設置箱體蓋,可用于檢查或者更換內置零部件;履帶外圍設置外殼,則考慮到使用者的安全性以及履帶的防塵保護作用。馬達則分別帶動左右兩邊履帶,令其可靈活轉向行駛,而左右兩邊馬達則內焊一根連桿方可固定;將履帶設置為機械手行駛運動輪,相較于普通車輪可分擔更多的壓力,以及行駛更為穩定。

          為保證三維搬運機器人在收縮狀態下體積的最小化,且不影響其運行完成更高的任務,機械臂下部設計安裝升降臺部分;升降臺由可再升平臺、前推桿、后推桿、連桿、馬達組成。前推桿、后推桿分別支撐平臺的前后部分,由連桿將前推桿、后推桿固定連接,起到共同支撐的作用。推桿水平部分具有小凹槽,將推桿置于推桿導槽中與馬達卡扣固定。

          2.3 外殼結構設計

          三維搬運機器人定位為家用類服務機器人,因此,其外觀美化及安全性與實用性要求比其他類型機器人更高。外殼設計來源于自然界的節肢類動物,此類動物與機械手的結構有相似之處。機械手的主要結構采用鋁合金外殼包裹,在關節處用防水布將結構包裹起來,起到防水、防灰、防塵等作用,避免在長期使用后出現短路或結構內部受損等情況。機械手的手部是模仿螃蟹的蟹鉗設計的,帶有光滑的流行線的質感,貼切自然,給人以親切的感覺。

          3 機器人系統設計

          3.1 視覺定位

          工作前,先需要在工作地點內保證有設置4個及以上的Wi-Fi/藍牙信號,機器人會接入連上Wi-Fi/藍牙后,進入設定的服務器網絡內讀取數據,判斷此地是否已存在3D地圖可直接使用。如果無地圖可使用將進行新地圖的首次掃描,利用伸展臂前面的攝像頭在機器工作起始點及各轉角位置對工作環境進行圖像掃描,通過服務器應用合成360度全景并在全景地圖內提取特征點,生成匹配的特征點數據庫。在緩慢進行的過程中,通過視覺傳感器對各貨架上物品進行掃描,統計物品形狀、大小及數量,在服務器端將所有物品的坐標定點,從而定位地圖上不同物品、位置及高度的位置,以便工作時更好地選擇定點。在掃描完成后,經過云端計算機計算形成3D地圖。

          3.2 信號定位

          在多個轉角位置輸入無線信號特征,該信號可以定位機器位置與幾個Wi-Fi/藍牙信號的直線距離,發送給服務器,服務器通過接收來自不同AP的信號特征差異,并結合適當的定位算法計算出目標的位置信息并添加至地圖內;輸入Wi-Fi/藍牙信號源與各全景圖點位機器的直線距離,機器工作起點為開始圍繞整個工作場地運動,進行多次循環移動并計算空間范圍大小后,上傳數據至內置服務器,構建并不斷修正3D可視化路標特征地圖。

          4 ESP8266語音控制設計

          4.1 系統硬件電路設計

          控制系統采用ESP8266 12-E Node MCU Kit,控制系統電路設計如圖1所示,高低電頻控制表如圖2所示。

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          圖1 ESP8266引腳對應表   

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          圖2 高低電頻控制表  

          4.2 PLC控制系統軟件開發

          搬運機械手語音控制系統實現部分代碼及系統流程圖分別如圖3、圖4所示。

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          圖3 部分代碼展示   

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          圖4 控制流程   

          5 結語

          設計以ESP8266 12-E Node MCU Kit為控制核心的搬運機械手實現搬運機器人的家庭搬運工作,該機械手是一種設計新穎、實用的新型機械手,給出了具體的機械手本體結構,該機械手能實現抓取物品、伸縮、升降運動及旋轉運動。設計的機械結構及控制系統運行平穩可靠,可促進服務類產業的發展。

          參考文獻

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        作者單位:廣東水利電力職業技術學院
        原文出處:諶小平,古學耿,張彤,王仕康,何泓澤.一種三維搬運機器人及其控制系統設計[J].中小企業管理與科技(中旬刊),2021(09):168-170.
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