自动装卸AGV设计含3张CAD图
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附录1:外文译文AGV:在柔性制造系统中寻路1 介绍机器人技术的发展受到了用户对机器人技术的新要求的影响服务产品的特性(质量、数量和时间)。其中一个进化或发展是柔性制造所使用的操纵器系统( FMS)在重复任务中具有明显的优势(装配、涂漆等)。)中。然而,这种结构具有有限的运动与移动机器人不同的是,在它周围可以实现沿着工厂移动,偏离障碍物,产生灵活性;不知疲倦的搜索行业。随着导航技术的发展自主车辆和新增加工能力的增加计算机,应用的可能性扩大了。在国际层面上移动机器人的应用领域不限于工业领域;这是显而易见的范围更广,也涉及后勤(分配和储存)、海洋学以及水下探测、行星探测和军事应用。目前在业界,特别是在现有的移动工业项目中机器人技术的主要目标应用是制造(工厂、电池和柔性制造系统)以及供应链和仓储物流和服务。在过去的几年里,人们对AGV系统中的应用技术,从涉及转移和将材料装载到简单的检查任务中。这包括控制车辆从起点到终点的移动,提供了极大的减少风险、转移时间和能源消耗方面的改进。在在制造业中,常见的车辆类型是带有拖车的AGV(牵引/拖拉)为运输、装载和卸载材料而开发的以便在FMS内工作。自动增益控制系统被认为当代最合适的物料搬运支撑模式之一灵活的自动化生产环境。一般来说,这种系统包括一组相互配合的无人驾驶汽车生产设施的不同工作站和存储场所。通常,AGV遵循嵌入其中一组预定的、物理的或虚拟的引导路径设施布局,并由集中或分布式计算机协调-基础控制系统。归因于这些的一些主要优点环境提高了路由灵活性、空间利用率和安全性,从而降低了总体运营成本(Reveliotis,2000年)。对研究带有拖车的AGV系统的设计和操作尤其涉及到电子、机械、控制和协同集成到项目、产品或制造中过程,创造了“机电一体化”的概念( Lengerke和Dutra,2007)。2 柔性制造中自动导引小车的导航与规划系统FMS旨在同时制造各种物品或产品为单个产品提供可选的加工路线。灵活性尺寸可以表征为没有布线灵活性、灵活性的替代方案机器、灵活的备选操作顺序和充分的布线灵活性。这FMS路径的规划组件包括任务规划器、导航器和飞行员。导轨设计是AGV系统设计中的重要问题之一首先要考虑的问题。导向路径在很大程度上取决于车间空间布局、仓储区布局及布局装卸站( Le - Anh和DeKoster,2006年)。在大多数情况下,车间空间是固定的,并且它对导向路径设计问题施加约束。这车辆引导路径通常被表示为使得过道交叉、拾取和传递位置可以被视为由一组弧连接的图形上的节点。弧描述了车辆从一个节点移动到另一个节点时可以遵循的路径。两个节点之间的有向弧指示车辆流动的方向。费用可以指定给表示两个端点之间距离的每个弧车辆沿弧线行驶所需的路段或时间。2.1.势场法在过去的几年中,潜在的场方法( PFM)用于避障在机器人领域的研究人员中越来越受欢迎移动机器人。这种方法流行的原因之一是它的简单性优雅。在这项工中,已经构建的单元格和潜在字段的映射用于规划本地路径。其中一个目标是研究一个用于AGV的导航系统,该导航系统允许使用潜在字段进行导航无碰撞路径从起点到终点,因此并提出了一些作者的建议。全氟辛烷磺酸1978年被哈提卜和勒密特带到计算机世界同一作者,在后来的其他著作中(Khatib,1985年)。用作局部方法(Latombe,1991年),后来在全球战略和主要用于移动机器人的规划和控制(Lengerke,2007年)。方法的基本思想是用填充AGV的工作区一种虚拟势场,其中车辆被吸引到其目标并被击退远离障碍物(图1)。 图1场的强度不依赖于粒子的速度场是径向的;知道粒子之间的距离就足够了势函数完全。在此方法中,被视为x的位置在力场中移动的点。目标提供吸引力障碍,排斥力。尽管该方法最初被引入机械手,其在移动机器人中的应用也是可能的。势场的方法可用于离线全局规划,当AGV的环境是先验已知的,如FMS的情况,或在线局部在环境未知且存在障碍的情况下进行规划由自动增益传感器检测。在虚拟势场的影响下AGV在梯度的对称方向上移动最低电位区域的电位,梯度为空。但是虚拟势场是一种不考虑限制的局部方法AGV的非完整,并提出了具有其他极小值的问题(局部)其中渐变为空。因此,AGV可以在局部极小值中被阻塞。提出了解决这一问题的方法,作为潜在性的定义几个局部极小值(全局方法),以包括逃避局部的技术最小化、施加随机力、协作或使用导航功能(没有局部极小值的潜在函数)。用承青等配制成溶液艾尔。,( 2000),在一部非常有趣的作品中,创造了虚拟障碍的概念消除已经尝试过的各种潜在功能的最大故障;这局部极小值。 2.2.拖车式自动导引车运动学模型 一种具有拖车系统的AGV,其用于车辆的前部具有特定构造的车辆和拖车的运动学对应拖曳平台。该系统是AGV的有趣扩展并且可以制造成连接一个或多个拖车如在机场行李通道的车队,申请运输在港口甚至在FMS中用于运输工业中的材料的容器。有许多微妙的问题可以用来模拟这些模型的局限性对拖车连接的精确点非常敏感的方程而且还在选择身体的构造。理论形式化拉托姆贝(1991年)和由Murray和Sastry ( 1993)提出,Bushnell等人。,( 1995 ),劳蒙德,( 1998),lamiraux ( 1998年)和Lavalle (2006年)。附录2:外文原文任务书论文(设计)题目:自动装卸AGV小车设计工作日期:2017年12月18日 2018年05月20日1.选题依据:现在许多发达国家都把AGV技术运用到各个领域,像工厂,港口搬运等,这也是我国当今所要求以及努力的方向。拟设计的AGV,在目前产品的基础上,创新性的使用机械手联动的的装卸方式,避免了为了满足各工况需求而覆盖的各种移载机构,驱动模式和导引方式。极大地优化了搬运过程并降低了成本。该设计符合机械设计制造及其自动化专业培养目标的要求。2.论文要求(设计参数):1.完成自动装卸AGV总体方案设计2.完成自动装卸AGV结构设计3.绘制相关的CAD设计图纸4.翻译相关外文资料(不少于2000字)5.编写毕业设计说明书3.个人工作重点:1.自动装卸AGV小车动力机构、机械手机构、电子控制部分及车体设计;2.运用CAD及SD绘制自动装卸AGV小车的二维零件图、装配图及三维装配图。4.时间安排及应完成的工作:第1周:查阅相关文献资料,了解设计内容; 第2周:初步方案设计;第3周:总体方案设计;第4周:撰写并完善开题报告;第5周:自动装卸AGV整体结构设计计算; 第6周:自动装卸AGV整体结构设计计算; 第7周:自动装卸AGV整体结构设计计算;第8周:自动装卸AGV各部分零部件设计计算; 第9周:自动装卸AGV各部分零部件设计计算; 第10周:自动装卸AGV各部分零部件设计计算; 第11周:绘制相关 CAD 图纸;第12周:绘制相关 CAD 图纸; 第13周:撰写设计说明书;第14周:完善毕业设计说明书,完善毕业设计各项内容,准备答辩;5.应阅读的基本文献:1 廖汉元,孔建益.机械原理M.北京:机械工业出版社,2012.2 濮良贵,陈国定,吴立言.机械设计(第九版)M.北京:高等教育出版社,2013.3 成大先.机械设计手册M.北京:化学出版社,2002.4 秦大同,谢里阳.机构设计M.北京:化学工业出版社,2013.5 胡正兴,李一民,詹跃东.自动导引小车局部智能避障的A*算法J.昆明理工大学学报(理工版),2005,(05).6 朱永平,廖洵.PLC无线通讯技术在自动导向车中的应用J.湖北工业大学学报,2012,(04).7 李伟娟.浅析AGV小车的引导方式及其发展趋势J.中小企业管理与科技(中旬刊),2015,(04).8 刘洲,吴洪涛.Mecanum四轮全方位移动机构运动分析与仿真J.中国制造业信息化,2011,(05).9 王一治,常德功.Mecanum四轮全方位系统的运动性能分析及结构形式优选J.机械工程学报,2009,(05).10闫国荣,张海兵. 一种新型轮式全方位移动机构J.哈尔滨工业大学学报, 2001,(06).11赵冬斌,易建强,邓旭玥. 全方位移动机器人结构和运动分析J. 机器人, 2003,(05).12Vis.Survey of research in the design and control ofautomated guided vehicle systems. Iris F.A.European Journal ofOperational research,2006.13Complexity of flowshop scheduling problems with transportation constraints.A.Soukhal,A.Oulamara,P.Martineau. European Journal of Operational Research,2005.14Alleles,loci and the traveling salesmanproblem. D.Goldberg,R.Lingle.Proceedings of the FirstConference on GeneticAlgorithms,1985.指导教师签字:XX教研室主任意见:同意签字:XX 2017年12月14日教学指导分委会意见:同意签字:XX 2017年12月15日 学院公章进度检查表第-3周工作进展情况查阅了大量文献资料,充分了解了设计内容与该设计所涉及行业未来的发展趋势与最新技术,完成了方案的初步设计,并开始撰写开题报告。2017年12月28日指导教师意见该生对毕业设计内容有了较深的理解,收集的相关资料比较全面,初步方案设计合理可行。指导教师(签字):XX 2017年12月28日第-1周工作进展情况完成了总体方案设计,完成了开题报告的撰写工作,并且通过了开题报 告答辩。利用寒假期间翻译外文文献,并准备进行simulink对三维模型的仿 真工作 。2018年01月11日指导教师意见总体方案设计合理可行,开题报告合格,请按计划进行下一阶段工作。指导教师(签字):XX 2018年01月11日第 3周工作进展情况寒假期间完成了外文资料的翻译工作,完成了自动装卸AGV小车整体结构设计计算,并自学了MATLAB及c+的相关资料。2018年03月21日指导教师意见外文资料译文合格,自动装卸AGV小车整体结构设计合理、计算准确;MATLAB及c+等相关资料自学效果很好。请按计划开展下一阶段工作。指导教师(签字):XX 2018年03月23日第 6周工作进展情况按计划完成了毕业设计前十周的工作,参加了毕业设计中期检查答辩,已经开始进行CAD图纸绘制的工作。2018年04月12日指导教师意见毕业设计前十周的工作质量较高,毕业设计中期检查答辩通过,希望抓紧时间开展下一阶段的工作。指导教师(签字):XX 2018年04月12日第 11周工作进展情况按计划按时完成了毕业设计的全部工作,准备参加毕业答辩。2018年05月19日指导教师意见XX同学按时完成了毕业设计的各项任务,请进一步完善毕业设计,认真准备毕业答辩。指导教师(签字):XX 2018年05月19日第周工作进展情况年月日指导教师意见指导教师(签字):年月日过程管理评价表评价内容具体要求总分评分工作态度态度认真,刻苦努力,作风严谨33遵守纪律自觉遵守学校有关规定,主动联系指导教师,接受指导33开题报告内容详实,符合规范要求54任务完成按时、圆满完成各项工作任务44过程管理评分合计14 过程管 理评语 XX同学在毕业设计过程中作风严谨,对待问题非常刻苦努力,工作态度非常认真。 XX同学能够自觉遵守学校的相关规定,定期与指导教师联系,主动接受指导。对于毕业设计过程中所遇到的问题,能够独立提出解决方案,科研能力比较强。 XX同学查阅了大量的相关资料,开题报告内容详实,其中的文献综述非常全面,有分析,归纳,有自己独到的观点,撰写开题报告格式符合规范要求。 XX同学能够按计划完成毕业设计各阶段的工作,完成质量较高。指导教师签字:XX日期:2018-05-21指导教师评价表评价内容具体要求总分评分选题质量符合培养目标要求,有一定的研究价值和实践意义,有一定的开拓性、创新性,深度、难度适宜,工作量饱满55能力水平有较强的综合运用知识能力、科研方法运用能力、中文表达与外语能力、文献资料检索能力、计算机应用能力54完成质量文题相符,概念准确,分析、论证、计算、设计、实验等正确合理,结论明确;论文结构、撰写格式、图表等符合基本规109指导教师评分合计18 指导教 师评语 该生完成的自动装卸AGV小车设计,有一定的开拓性、创新性。毕业设计选题符合机械设计制造及自动化专业培养目标要求,有一定的深度和难度,工作量饱满。 该生在毕业设计过程中能够很好地运用所学知识解决问题,表现出很强的综合运用知识的能力、计算机应用能力、中文表达及应用能力。 在毕业设计完成质量方面,论文文题相符、设计合理,撰写格式、图表符合规范要求。 该生按时完成了毕业设计的各项工作,完成质量很高,同意参加毕业答辩。指导教师签字:XX日期:2018-05-21评阅人评价表评价内容具体要求总分评分选题质量符合培养目标要求,有一定的研究价值和实践意义,有一定的开拓性、创新性,深度、难度适宜,工作量饱满54能力水平有较强的综合运用知识能力、科研方法运用能力、中文表达与外语能力、文献资料检索能力、计算机应用能力54完成质量文题相符,概念准确,分析、论证、计算、设计、实验等正确合理,结论明确;论文结构、撰写格式、图表等符合基本规108评阅人评分合计16 评阅人 评语 毕业设计自动装卸AGV小车设计在目前AGV的基础上,创新性的使用机械手联动的的装卸方式,其选题符合培养目标要求,有一定的研究价值和实践意义,有一定的开拓性、创新性,深度、难度适宜,工作量饱满,设计过程体现了较强的综合运用知识能力、科研方法运用能力、中文表达与外语能力、文献资料检索能力、计算机应用能力。论文文题相符,概念准确,分析、论证、计算、设计、实验等正确合理,结论明确;论文结构、撰写格式、图表等基本符合规范要求。评阅人签字:XX评阅人工作单位:XX日期:2018-05-22答辩纪录 学生姓名:XX专业班级:XX 毕业论文(设计)题目: 自动装卸AGV小车设计答辩时间:2018年05月24日 时 分 时 分答辩委员会(答 主任委员(组长): XX辩小组)成员委员(组员): XXXX答辩委员会(答辩小组)提出的问题和答辩情况问题1:1.AGV小车的作用是什么?用在什么环境下?回 答: 小车有自动装卸、移载作用。用在室内和部分室外环境下,在精度上做了很大的提升。问题2:2.抓取物后手爪收回吗?一直保持夹持吗?回 答: 手爪保持全程夹持,因为考虑到放在工作台上会掉落。问题3:3.在实际工厂中的有效性和实用性能否有把握?回 答: 工厂中多使用地面与小车相结合,本设计的特点是不需地面配合。问题4:4.论文中无三维建模,是否有验证?回 答: 在论文中没有体现三维建模,因为没有实物没有仿真,只做了理论的分析和计算。问题5:5.算法是否有上网了解过?回 答: 在设计时,有上网看过程序,也参考过其它的。问题6:6.行走机构怎样实现?回 答: 用麦克纳姆轮。因为它的转动半径小,很灵活,但不能受很大的振动,因此更适合在工厂的室内环境中使用。记录人: 2018年05月24日答辩委员会评价表评价内容具体要求总分评分自述总结思路清晰,语言表达准确,概念清楚,论点正确,分析归纳合理108答辩过程能够正确回答所提出的问题,基本概念清楚,有理论根据108选题质量符合培养目标要求,有一定的研究价值和实践意义,有一定的开拓性、创新性,深度、难度适宜,工作量饱满55完成质量文题相符,概念准确,分析、论证、计算、设计、实验等正确合理,结论明确;论文结构、撰写格式、图表等符合基本规108能力水平有较强的综合运用知识能力、科研方法运用能力、中文表达与外语应用能力、文献资料检索能力、计算机应用能力108答辩委员会评分合计37 答辩委员会评语 XX同学在毕业设计工作期间,工作努力,态度认真,能遵守各项纪律,表现良好。 能按时、全面、独立地完成与毕业设计有关的各环节工作,具有一定的综合分析问题和解决问题的能力。 论文立论正确,理论分析得当,解决问题方案实用,结论正确。 论文使用的概念正确,语言表达准确,结构严谨,条理清楚。 论文中使用的图表,设计中的图纸在书写和制作时,能够执行国家相关标准,规范化较好。 具有一定的独立查阅文献资料及外语应用能力,原始数据搜集得当,实验或计算结论准确。 答辩过程中,能够简明和正确地阐述论文的主要内容,思路清晰,论点基本正确;回答问题准确,有应变力;有较好的语言表达能力。答辩成绩: 37答辩委员会主任:XX2018年05月30日成绩评定 项目分类成绩评定过程管理评分14指导教师评分18评阅人评分16答辩委员会评分37总分85成绩等级B成绩等级按“A、B、C、D、F”记载成绩审核人签章: XX审核人签章: XX自动装卸AGV设计摘 要本次毕业设计为解决当下国内外AGV小车价格高居不下及其并不适合基础工业不完善的我国的问题,并且目前大部分AGV采用电磁或轨道引导,路线固定,局限性较大,不适用于柔性化制造系统。为解决上述问题,在目前AGV的基础上,创新性的使用机械手联动的的装卸方式,避免了为了满足各工况需求而覆盖的各种移载机构,驱动模式和导引方式,降低了成本。同时又不同于AGC需要完善的基础设施配合,三只灵巧机械手足够完成装卸工作,极大地发挥了AGV本身的自主性和工作容积。搭配四个麦克纳姆轮极大地缩小了转向半径可在更狭小空间内作业。同时仿照无人驾驶汽车运行原理采用激光测距雷达配接近传感器能够满足各种复杂路径的使用要求,自动化程度更高。同时定位精度主要由雷达的精度决定,便于用户灵活调整型号以适应场所并控制成本(定位精度为10mm到5mm)。关键词:AGV;工业机器人;物流搬运;无人驾驶技术IABSTRACTThe graduation design in order to solve the present high prices for AGV car at home and abroad and is not suitable for basic industry is not perfect in our country, and at present most of the AGV by electromagnetic or track guide, fixed route, limitations, is not suitable for the flexible manufacturing system.To solve the above problems, on the basis of the AGV, the use of innovative way of loading and unloading manipulator linkage, avoided in order to meet the demand of working condition of the institution, and cover a variety of transfer of driving mode and direct way, reduce the cost. At the same time, it is different from the basic facilities that AGC needs to perfect, and the three dexterous manipulators are enough to complete the loading and unloading work, which greatly exerts the autonomy and working capacity of AGV itself. With four McNams, the steering radius is greatly reduced to work in smaller Spaces. At the same time, the operation principle of the self-driving car adopts laser ranging radar and proximity sensors to meet the requirements of various complex paths, and the automation level is higher. At the same time, the positioning accuracy is mainly determined by the accuracy of the radar, so that the user can adjust the model flexibly to fit the site and control the cost (the positioning accuracy is plus or minus 10mm to plus or minus 5mm).Key Words:AGV ;Industrial robots; Logistics transport; Unmanned technologyIII目 录1.绪论11.1 AGV概述11.2 背景技术11.3 国内外机械能越障小车的发展概况12.机械结构设计22.1自动装卸AGV技术参数22.2 直流伺服电动机的选择23.控制系统的设计93.1 控制系统总体方案93.2 电机驱动芯片的选择94.运动学分析124.1 单个轮子动力学模型124.2 运动学方程135. 系统的拓展155.1 软件结构155.2 基于行为的软件特征155.3 行为选择155.4 AGV环境中的行为与选择机制166. 定位与导航176.1 定位176.2 概率定位176.3 AGV的可信度186.4 坐标系216.5 导航功能217. 机械手设计257.1 机械手腕部设计257.2 自由度计算258. AGV路径仿真289. 结论30参 考 文 献31致 谢32附录1:外文译文33附录2:外文原文36自动装卸AGV设计1.绪论1.1 AGV概述本毕业设计课题来源于第十届全国3D大赛,命题与高校工程训练教学内容相衔接,体现综合性工程能力。命题内容体现“创新设计能力、制造工艺能力、实际操作能力和工程管理能力”四个方面的要求。现代工业的发展不仅要求产品高质量、高性能,而且为实现可持续发展,产品的生产工艺必须高效率、低成本。根据美国物流协会定义,AGV是无人搬运车(Automated Guided Vehicle)的英文缩写。是指装备有电磁或光学等自动导引装置,能够沿规定的导引路径行驶,具有安全保护以及各种移载功能的运输车。目前AVG应用领域主要集中在仓储业,制造业,港口码头及特种行业。其中工业领域里的制造业需要很多内部运输,以及很多不同的物料处理。AGV的自动导引运输车系统可以满足这类需求。比如:工具,托盘,成品,半成品,原材料,卷式产品,物料供应等的搬运。AGV在制造业的其他应用包括支持高层储架的托盘检索,生产区的物品和零部件的运输,以及生产区和存储区之间的物品运输。制造业每天物流的典型特点是高吞吐量,空间和灵活性很重要。AGV的自动物料处理系统可以很好地满足此类需求,比如把物品从输送带,托盘堆垛机以及天车上转移到仓库,生产车间,装配区和发货区等。1.2 背景技术目前国内AGV主要采用的是以日本为代表的简易型AGV技术,称为AGC(Automated Guided Cart)该技术追求的是简单实用,让用户在最短时间内收回投资成本,但AGC只用来搬运,并不强调自动装卸功能,虽然价格低廉但不适合基础工业并不十分完善的我国。同时当下大部分AGV采用电磁或轨道引导,路线固定,局限性较大,不适用于柔性化制造系统。1.3 国内外机械能越障小车的发展概况根据美国物流协会定义,AGV是无人搬运车(Automated Guided Vehicle)的英文缩写。是指装备有电磁或光学等自动导引装置,能够沿规定的导引路径行驶,具有安全保护以及各种移载功能的运输车。目前AVG应用领域主要集中在仓储业,制造业,港口码头及特种行业。其中工业领域里的制造业需要很多内部运输,以及很多不同的物料处理。AGV的自动导引运输车系统可以满足这类需求。比如:工具,托盘,成品,半成品,原材料,卷式产品,物料供应等的搬运。AGV在制造业的其他应用包括支持高层储架的托盘检索,生产区的35自动装卸AGV设计物品和零部件的运输,以及生产区和存储区之间的物品运输。制造业每天物流的典型特点是高吞吐量,空间和灵活性很重要。AGV的自动物料处理系统可以很好地满足此类需求,比如把物品从输送带,托盘堆垛机以及天车上转移到仓库,生产车间,装配区和发货区等。1.4 设计内容本设计在目前AGV的基础上,创新性的使用机械手联动的的装卸方式,避免了为了满足各工况需求而覆盖的各种移载机构,驱动模式和导引方式,降低了成本。同时又不同于AGC需要完善的基础设施配合,三只灵巧机械手足够完成装卸工作,极大地发挥了AGV本身的自主性和工作容积。搭配四个麦克纳姆轮极大地缩小了转向半径可在更狭小空间内作业。同时仿照无人驾驶汽车运行原理采用激光测距雷达配接近传感器能够满足各种复杂路径的使用要求,自动化程度更高。同时定位精度主要由雷达的精度决定,便于用户灵活调整型号以适应场所并控制成本(定位精度为10mm到5mm)。1.5 基本方案设计过程中需要完成:各机构机械方面选择、加工工艺方案的选择和优化和加工成本及材料分析选择等。在此其中,机械加工成本,原材料的选择等都会对最终性能产生影响,因此,需要多方面思量这些问题,合理选择,设计出最优的方案。本设计为一种新型的AGV如图1.1所示,采用四个Mecanum轮驱动的结构形式,通过直流伺服电动机驱动车轮行驶,当两轮转速不同或转向相反时就可以实现转向。四轮结构加四套减速器相对来讲有较大的负载能力和较好的平稳性,与两轮驱动和安装差速器及转向机构的设计相比虽然成本较高但传动误差小,转向灵活,故采用此方案。图1.1 AGV三维预览图2.机械结构设计2.1自动装卸AGV技术参数自动搬运小车的长度1.3m自动搬运小车的宽度1.3m自动搬运小车的高度1m自动搬运小车的重量160kg持续运行时间810h充电方式自动/手动定位精度10mm刹车距离0.1m负载500kg小车转弯半径0.6m(可原地差动旋转)小车最大速度1.2m/s行走定位点数可行走任意多个设备位置抗干扰能力对路面打滑具有较强抗干扰能力蓄电池免维护充电电池,连续放电次数300次安全感应范围3mm可调,紧急制动距离20mm人机交互触屏人机交互,方便设置参数,设置站点及报警位置设计寿命10年2.2 直流伺服电动机的选择直流伺服电机的选择关系着控制系统的静、动态特性和运动精度,所以在选择直流伺服电机的时候,主要应该参考以下几点要求:调速范围广阔而且平滑。机械特性较硬而且动态/静态调节特性良好。响应时间较短,可适用于要求快速启停的控制场合。体积小,重量轻,控制特性成线性。伺服电动机主要根据下面三个因素选择运行速度:AGV行走的速度为1.2m/s,车轮的转速为 (2.1)选择减速比为i=5的减速器 (2.2)小车自重为P (2.3)为方便抓取将小车重心放在整体靠前的位置,负载的重心后置保证了运行中具有更高的稳定性和可操控性,整体重心仍落在车体几何中心。小车的载荷为G (2.4)自动搬运小车的受力分析如图2.1所示。 图2.1 车轮受力简图取坐标系OXYZ如图所示,列出平衡方程由于由于前后车轮相对于y轴呈对称分布,有 (2.5) (2.6)解得 Mecanum轮的受力情况很复杂,见图2.2。本小车采用的45Mecanum轮在旋转时产生的力通过与地面接触的滚轮作用于地面,使力可以分解为一个垂直于滚轮轴的矢量和一个与轴平行的矢量。垂直于滚轮的力会随着小滚轮转动产生的动能释放,而平行于滚柱轴的力将产生一个施加到轮子上的力并且作用到小车上,使小车向前移动。图2.2 Mecanum原理,向量分解 由于Mecanum轮不会单独出现,对于这种四轮组合的形式,需要将每一个轮子在45时产生的力结合起来以分析小车的运动,左右两个45的力矢量可分解为向前力矢量和侧向力矢量,两个向前力矢量相叠加而两个侧向矢量(一个向左一个向右)则相互抵消,此处仅分析直线运动,因为前轮所受载荷较大,故仅分析前轮受力状态,前轮受力状态如图2.3所示(更详细的Mecanum轮受力分析见4.1单个轮子动力学模型)。 图2.3 前轮受力滚动摩阻力偶矩应该处于零与最大值之间,即 (2.7) (2.8)上式中为滚动摩阻系数,查阅书中常用材料的滑动摩擦系数与滚动摩阻系数一表得到=210,取=6mm。牵引力F为 (2.9)(1)电动机轴上所承受的的转矩为 (2.10)传递效率取0.7,摩擦系数取0.15(2)电动机轴上的负荷惯性为 (2.11)上式中是车轮的质量惯性矩,是传动装置部件转动惯量(3)电机的选定根据以上计算,在负载惯性已知情况下可以根据要求的运动特性分析电机的输出转矩,选择直流伺服电动机。电机型号及参数:MOVING YZ-57BLS120 120W 伺服电机转子惯量匹配条件为即0.250.7291 (2.12) (2.13)故电机满足要求。(4)快移时的加速性能伺服电机的最大输出转矩是AGV工作时,电动机运行到最高转速时,输出到车轮的最大扭转力矩 (2.14)加速时间 (2.15)其中机械时间常数2.3 驱动轮系的设计驱动轮系的设计应满足如下要求:尺寸符合AGV的要求。结构简单、合理,拆装方便。强度及刚度符合要求。扭矩的有效传递。为了与传动部件相联结,输出轴一端被做成扁平头形状,参考现有参数选取直径为8的电机轴与直径为12的联接部分,故其结构设计图2.4所示。图2.4 联轴器机构图销钉直径d可按剪切强度公式计算,即 (2.16) 选用45钢作为销定材料,翻阅书后表格得优质碳素结构钢(GB 699-88)45硬度3642HRC销钉的许用切应力为 (2.17)过载限制系数K查表取K=1.6,T=0.587Nm (2.18)根据上述强度计算,取销钉直径d=5mm。2.4 轴的设计由于前轮所受载荷大于后轮,故对前轮进行校核,前轮轴结构如图2.5。图2.5 前轮轴结构(1)求前轮轴上的功率,转速,功率取传动装置的效率,则 (2.19) (2.20) (2.21)(2)初步确定轴的最小直径选用45钢作为轴的材料,经过调质处理,取得,于是有 (2.22)法兰所处位置的轮轴直径最小,由于法兰与轴采用双顶丝联结,故轴的直径取10mm该Mecanum轮的轮毂使用铝合金材料,大轮轴使用45钢,刚度和强度都比较好,小轮轴使用普通碳钢,因为整个轮子的最大应力处恰好出现在小轮轴上,因此需要更高的强度。小轮使用橡胶材料,摩擦系数比较大,能给AGV提供较好的抓地力和加速性能。(3)确定轴上倒角尺寸取轴端倒角为145。3.控制系统的设计3.1 控制系统总体方案本系统的核心的控制运算部分采用的是AT89S51单片机。数字编码器在电机运转时发出的脉冲信号,经过自行设计和制作的脉冲鉴向电路,可以得到电机的运转方向8;来自鉴向电路的正反方向的脉冲信号进入到电机专用驱动模块,单个模块可同时驱动多个电机,调节转速时,相应的I/O口输出不同的PWM(Pulse Width Modulation,脉冲宽度调制)波形,通过H桥开关放大器,作为执行机构的速度或者力矩给定,再通过总线与电机控制器连接就可以控制电机的运转,使整个AGV自动引导小车能够完成所设计的控制任务8。整个控制系统的组成框图如图3.1所示。图3.1 系统硬件框图3.2 电机驱动芯片的选择伺服驱动器所提供的最大电流不能小于电机的峰值电流,调整时的输入电流不得大于伺服电机的消磁电流。电机和负载的惯量之和小于驱动伺服电机所允许的最大惯量。采用PWM功率放大器作为驱动元件驱动直流伺服电机。PWM的选择可以参考以下原则:开关频率应能使电机轴产生微小振动,能够克服静摩擦,改善运行特性。即: (3.1),K为力矩常数,为PWM电源电压,L为电感,T为电机静摩擦力矩。微小振动的最大角位移应小于设定的位置误差。即: (3.2)其中J为转动惯量,为设定的位置误差。尽量减少电机产生的高频功率损耗。即应使得8: (3.3)其中为内阻。选用UC3637和H桥放大电路来驱动伺服电机,由于一般伺服电机电感较小,切换频率过低会导致交流分量很大并损害功率晶体管功能,因此选择30KHz的切换频率。单电源或双电源工作,2.520V限流保护欠电压封锁温度补偿,2.5V阈值的关机控制UC3637的三角波产生电路如图3.2所示。图3.2 恒幅三角波产生电路三角波参数的计算:取PWM定时电路充电电流为0.5MPa,则有 (3.4) (3.5)其中,为PWM频率。由允许电机最大电流决定8。 (3.6)对于图3.10所示的控制系统,要求:取a=1,计算得 (3.7) (3.8) (3.9) (3.10)其中是三角波峰值的阈值电压。 4.运动学分析4.1 单个轮子动力学模型在电机的选择部分,车轮被设定为刚体和未变形的圆盘,并且车轮与地面的相互作用被认为是点接触。实际Mecanum轮上的小轮是由橡胶制成,所以相互作用是面接触。假设自动搬运小车的重心不高,因此当AGV加速时,由高重心引起的对地压力的改变被忽略。基于车辆动力学理论,当AGV加速运动时,驱动轮与地面的接触变形产生的切向力是AGV运动的牵引驱动力。只要车轮和地面间的接触区域,即车轮接地印记上承受切向力,就会有不同程度的滑移,所以严格地说,理想的纯滚动假设与实际情况不符9。在加速过程中最大限度地减小车轮滑移是AGV运动控制的目标,其前提是对单个车轮的运动进行分析。当车轮在地面上滚动时,所有的相互作用力以及由车轮和接触区的地面产生的相应变形都伴随着能量损失,这是滚动阻力的根本原因。为了提高AGV的加速性能9所以小轮采用橡胶轮。这种弹性变形引起的弹性迟滞损失形成了阻碍车轮滚动的一种阻力偶,当车轮仅受径向载荷而不滚动时,在地面上的正常反作用力在前后方对称分布,其合力与法向载荷P重合于法线方向,如图4.1(a)所示。车轮滚动时,变形前后对应点的法线是相同的,但由于弹性迟滞的现象,地面法向反作用力在前部的加载压缩过程就会大于后部的卸载恢复过程。在这种情况下,地面法向反作用力前后的分布并不对称,使其合力相对于法线向前移了一个距离e9,如图4.1(b)。图4.1 轮子受力情况轮子静止时受力情况;(b)轮子滚动时受力情况如果将法向反作用力向后平移至通过轮子中心,与其垂线重合,那么车轮在地面上滚动时的应激状态如图4.2所示,一个额外的力偶矩出现阻碍车轮的滚动,被称为滚动阻力偶矩9。由图4.2可知,为了使车轮在地面上以恒定的速度滚动,有必要增加一个驱动力矩或推力到轴上,从而克服上述滚动阻力矩。相关的数学关系如下: (4.1) (4.2) (4.3) (4.4) (4.5)上式中,是滚动阻力系数,从上面的公式可以看出,滚动阻力系数是指单位车重所需之推力。因此,车轮的径向垂直载荷和滚动阻力系数的乘积就是车轮的滚动阻力,如式(4.5)所示。在车轮上驱动AGV移动的真正力量是地面对车轮的切向反应力。 图4.2 滚动阻力偶的形成4.2 运动学方程(1)基于Mecanum的自动搬运小车的移动方向(线速度沿小车中轴方向,垂直于中轴方向)和旋转速度的矩阵方程为 (4.1)其中等为每个轮的转速(r/s),r为轮子半径,d为左右轮之间距离,e为前后轮之间距离,为小车的向前速度,为小车的侧向速度,为小车的旋转速度。(2)基于Mecanum的自动搬运小车给定的的期望线速度和角速度与每个轮子速度的矩阵方程为 (4.2)其中为期望线速度和角速度。5. 系统的拓展上面的控制方法需要构建一个世界模型,然后计划行动,最后在一个真实的环境中执行这些计划。然而,构建世界模型和计划行动需要花费大量的时间,这将对AGV的性能产生重大影响。此外,规划模型与实际环境之间的偏差会导致AGV运动无法达到预期的效果。5.1 软件结构目前AGV使用的软件模型即标准模型(层次模型),是一种从上而下执行的可预测软件结构。传感器获得数据预处理的两层,然后交付给高的“智能”层做出行动的决定,实际驾驶(如导航和底层驱动函数)交由低级层执行,最低层为小车的接口,将驾驶指令发送给AGV执行器。为了解决经典模型演算时间长,动作完成度不够等问题,使用一种基于行为的模型,不编写整段的代码,而是将每一个AGV的功能封装成一个个小而独立的模块,即一个“行为”。所有的行为都是并行执行,所以不需要设置优先级。此种设计易于扩展,如增加一个新的传感器或向AGV程序里增加一个新的行为特征。5.2 基于行为的软件特征(1)感应与动作紧密耦合基于行为的AGV的动作是对刺激的反应而不是依赖于有意识的规划。避免考虑计划,用小的计算负载(模块)来替换它,以实现从输入到动作的映射,这有利于快速响应。(2)避开知识的符号表示不需要构造一个内部模型用来处理环境信息与规划任务。AGV从观测中直接产生未来的行为,而非试图产生一个可内部操作的世界抽象并以此作为规划未来行动的基础。(3)分解成具有因果意义的单元(4)并发关联行的时变激活等级调整5.3 行为选择由于在软件系统中有一定数量的行为作为并行进程运行,每个行为都可以作为读取所有的传感器(读动作),但只有一个行为可获得AGV执行器或者行驶机构的控制权(写动作)。因此为了达到预期目的需要一个全局控制器在恰当时机来协助行为选择。如果采用固定优先级行为,这样一种僵硬的系统使其能力受到了极大地限制,并难以应付日益复杂的系统。期望的目标是能设计并制作一个采用自适应控制器的基于隐藏在系统内部的“智能”,在任何特定的时间根据感知和状态输入决定激活哪一个行为。反应和规划(自适应控制器)组件的结合形成了一个混合系统,其结合了思考和反应结构的要素,在传感器和电机输出间有多个混合方案来协调完成任务。系统只需要从有利于完成任务的标准定义进行学习以完成任务。这将设计系统时的主要工作,从描述系统本身转变成定义一个正常工作的输出系统上来。介于定义任务告竣的评价标准要比完整的系统描述简单,这将极大地减少系统设计的工作量。5.4 AGV环境中的行为与选择机制神经网络用于接收所有来自传感器(包括预处理过的高层传感器数据)、一个时钟以及每一个行为状态的输出,并生成输出以选择当前活动的行为,然后生成一个动作。这种网络结构是通过遗传算法的进化而来的,它被用来优化描述任务评估标准的适应度函数,如图5.1所示。使用神经网络路径规划可以把环境障碍等作为神经网络的输入层信息,通过神经网络并行处理,神经网络的输出层输出所需的方向和速度,引导机器人避免障碍行驶,直到到达目的地。该方法具有处理效率高、学习能力强10、收敛性好等特点。图5.1 AGV环境中的行为及选择机制6. 定位与导航我们需要获知当前位置,并且具有制定到达目的地的规划能力,准确的定位是建立精确全局地图的先决条件,也是AGV实现正确路径规划的保证。基于视觉的自我定位过程是对视觉传感器捕捉到的环境特征进行提取和分析的过程,并根据具体的标准建立观察与环境数据库的对应关系,从而确定AGV自身的姿态10,如图6.1所示。图6.1 基于视觉的AGV自定位6.1 定位由于行驶环境多变,所以本设计并没有使用全局传感器,而且它也限制了AGV的自主能力;作为替换选择使用本体传感系统。本设计将激光雷达安装在AGV上,这样就得到了使用本体传感器的AGV。6.2 概率定位所有的AGV移动和传感器测量都会受到一定程度的噪声干扰。概率定位的目的是在以前所有数据和其他相关分布函数的基础上,能够最好地估计AGV当前的状态。由于其固有的不确定性,最终的估计将是一个概率分布。假定AGV从x=0,y=0处开始沿直线(如沿x轴)行驶,执行移动距离d的指令,d从板载(绝对)定位系统(GPS接收器)接受传感器数据s。数值d和(用当前的位置测量值减去在执行行驶命令前的位置测量值),就可能会偏离真实位置。必须通过大量的实验来测量机器人从任意的起始位置的行驶精度,然后由一个PMF(概率密度函数)表示出来,例如: (6.1)需要注意的是,此处只能加上或减去一个单位(如cm)来变更AGV的真实位置。在可以表示为一个PMF之前,必须以类似的方式通过测量得到AGV位置传感器的精度。 (6.2)假设AGV执行的行驶命令并且完成后,本体传感器报告其位置为。实际位置x的概率如下,其中n作为归一化因子: (6.3) (6.4) (6.5)由于PMF对于所有偏差值大于1(加或减)的概率为0,因此AGV执行行驶距离为的命令后,位置只有可能是位置、位置、位置。因此,这三个概率加起来应当等于1,我们可以根据这个事实来确定归一化因子n: (6.6)6.3 AGV的可信度根据5.1.1的计算可以求出三个位置的概率,它反映了AGV的可信度因此,概率最大的位置就是AGV最可能出现的位置,但它仍会记住这个阶段所有的概率。当AGV执行第二个行驶命令,假设这一次使,但执行指令后其传感器仍然报告。AGV将根据条件概率重新计算其位置的可信度,用x表示AGV行驶后的真实位置,用表示行驶前的位置。 (6.7) (6.8) (6.9)由于AGV的真实位置与传感器的读数偏差只能为1,因此只能计算出的情形来。之后,将概率归一化 (6.10)这些最终的概率是合理的,因为AGV的传感器比其推算结果更加准确。另外,通常AGV在的位置的可能性很小,而这正是它在可信度上的表现。这个方法最大的问题是所工作的空间必须是离散的,即AGV的位置只能离散的表示。可以通过将离散值设置为行驶命令和传感器的最小分辨值。在本设计中,我们期望的行驶和传感器精度不能超过10mm,可以通过让所有的距离以10mm递增。但同时,也会产生大量的测量值和大量的使用个别概率的离散距离值。为了解决这个问题,可以使用一种称为粒子滤波器的技术,它允许使用非离散的配置空间。它可以将AGV的位置的可信度表示为为N个粒子的集合M,每个粒子包含有一个AGV的配置x与权重。行驶后,AGV借助第一次采样得到的PDF(probability density function,概率密度函数)更新第j个粒子的构型,典型的是高斯分布。在此之后,AGV为第j个粒子赋予一个新的权重。然后,权重归一化使得权重总和为1。最后,重新采样并保留最有可能的粒子。标准的重新采样算法如下:M=R=rand(0,1/N)c=w0i=0for j=0 to N-1 do u=R+j/N while uc do i=i+1 c=c+wi end while M=M+xi,1/N/*add particle to set*/ end for6.4 坐标系与一般AGV不同,本设计具有相当的自由能力,并没有采用固定路线引导,故首先,在未知环境中建立一个地图或者在已知环境中规划路径是很重要的,而这需要在全局或者世界坐标下进行定义。将AGV的本体坐标系转化成全局坐标是一个二维坐标转换,为了匹配两个坐标系,需要一个平移和一个旋转变换。设本AGV具有全局位置坐标和全局方向。其本体坐标是,然后按照如下的公式可以计算其全局坐标: (6.11)6.5 导航功能6.5.1 感知感知所处环境是AGV应用中最重要的部分之一,本设计采用了以下传感器:(1)轴编码器电机内置的轴编码器生成最为基本的反馈。此数据有三个用途:PI控制器使每个车轮保持恒定的转速。PI控制器用以保持期望的路线(如直线)。航位推算用以更新AGV的位置和方向。用控制器专用的计时处理器单元(TPU)在后台处理轴编码器的反馈信号。(2)红外测距传感器AGV配有三个红外测距传感器,可以测量前、左、右(PSD)的距离。这些数据可用于:避免与障碍物相撞。在未知环境中导航,创建地图。在已知环境中更新在其内的位置。 (3)罗盘模块在AGV中,使用航位推算法进行位置和方向估计的最大问题是:随着时间的推移,除非在特定的参考点上进行更新,否则估计精度会不断变差。边界墙配合距离传感器可以作为AGV位置的一个参考点;但是如果没有额外的传感器,想要更新机器人的方向是十分困难的。在这些情况下,使用能够感知地球磁场的罗盘模块就是很有必要的了。(4)激光雷达(5)接近开关6.5.2 图像处理视觉是本设计AGV的一项重要能力,通过不断分析板载的激光雷达的视觉输入,来检测工作环境中的物体,使用基于形状的物体检测。基于形状的地图生成算法,结合了构形空间(configuration space)(给定环境维数和所有障碍墙的坐标,如线段表示)和栅格法(occupancy grid)(按照一定的分辨率使用单个像素来描述环境,每个像素要么代表自由空间(白色像素),要么是一个障碍(黑色像素)两种方法,并加入了距离图作为输入。距离图是对环境的一个更高层级的描述。虽然不包含完整的环境信息,但它可以实现有效的的初始路径规划。距离图中需要包含环境中部分标识的节点以及它们之间的相对距离。而上述两个基本环境格式都不能直接应用距离图,因此需要自动获得距离图的算法。如果给定的环境是构型空间格式,通过将所需分辨率直接“打印”在画布上,可以很容易的转化成栅格。在平面栅格地图的基础上,将其高度方向上离散化,实现3D栅格地图。在2D栅格地图的基础上,将环境的最大高度或平均高度保存在每个网格中。这种做法不仅可以达到立体地图的性能效果,同时还可以极大地减少储存在地图中的数据量。6.5.3 轨迹规划一旦确定了工件的位置,AGV就要靠近工件-移动到任意一个位置取下工件,并将工件转移到下一个位置。因此,有必要进行轨迹规划。通过航位推测法,AGV可以知道它的位姿和方向;通过局部搜索行为,或者与控制室的通信可以确定工件的位置。首先根据现有环境信息,AGV通过路径规划得到一条出发点与目标点之间的合理路径;AGV沿路径前进,并根据传感器在前进过程中的实时反馈更新环境信息;如果AGV达到目标点,导航将结束,否则,将判断AGV是否需要根据更新的环境信息重新规划路径,直到到达目标点。路径规划方法得到的路径是空间中一系列连续的线段。通过在搜索过程中优化启发式函数的设计,可以提高在环境的路径规划效率。该路径由一系列网格组成,分别是需要转向的中继点与中继点之间的连线。在AGV从所处位置到下一个中继点的移动过程中,传感器系统不断的实时更新环境信息,并对可通过性进行快速分析。如果在前进的方向上没有障碍,它将继续移动到下一个路径点。如果检测到前方路径无法通过,立刻启动自主规避障碍功能,重新规划路径(如添加新的中继点)绕过障碍物。如果避障失败,则根据更新后的环境信息,回顾路径规划函数,获得当前位置的新路径。6.5.4 直线和圆弧行驶轨迹的起始位置和方向由AGV的当前位置决定,终点就是工件的位置,并且最终的方向是沿着工件与下一存放地点的连线方向。对于给定且有方向的起点终点条件下,生成光滑路径的一个快捷方法是埃尔米特样条曲线(Hermite Spines)。然而,为了将工件搬到下一指定位置,AGV必须移动到工件的附近,通过使用事件区分的方式在轨迹上增加“中继点”。这些点将引导AGV移动到工件的附近,使它不致离工件太近,同时保持移动曲线的平滑。在该算法中,直接移动意味着AGV接近工件的路径中没有中继点。如果这样的轨迹是不可行的(例如AGV与工件间有障碍物),算法会插入一个中继点以避开障碍物。这使得AGV通过特定路径后才能将工件搬到下一指定位置。6.5.5 软件系统框架AGV自动导航功能的软件系统由路径规划模块、信息采集模块、自主定位模块、自主避障模块、地图创建模块、人机界面模块等部分组成,如图6.2所示。图6.2 AGV自主导航功能软件系统如果没有指定的全局坐标系的定义,全局坐标系将在导航任务开始时以AGV的姿态作为原点初始化。AGV的导航是在两层结构中实现的。首先,用户通过人机交互界面设置导航任务的目标点,然后根据传感器实时采集的环境信息规划路径,由路径规划函数提供当前位置与目标点之间的合理路径,由此得到一系列离散的中继点,并将其发送到自动避障函数。在移动到路径点的过程中,AGV可以依靠自动避障函数快速的分辨与识别预设路径上的障碍物,并在控制软件的控制下绕过障碍物。在避障过程中,AGV采集的环境障碍物信息是由初始创建的地图与可通过性分析功能提供的。6.5.6 地图创建地图创建过程如图6.3所示。图6.3 地图创建通过视觉传感器的标定结果,恢复了视觉采集得到的环境图像,在俯视图线性插值恢复后,根据均值偏移算法的图像分割结果建立了二维栅格图。在每个平面网格记录高度上形成一个离散表示的2.5网络图。通过图像分割技术恢复立体视觉成像图以后,一系列离散点用以描述环境表面轮廓,构成的点云描述目标地形三维轮廓,点的坐标描述了点相对于视觉传感器的位置。由于立体视觉系统获得的三维点信息基于摄像机坐标系,因此在建立三维地图过程中, 有必要首先将立体视觉传感器获得的三维点云描述的环境从视觉传感器坐标系(CCS)转化到机器人坐标系(RCS),形成局部环境描述。然后,利用AGV的自主定位信息,根据AGV的位姿将局部环境描述转化为世界坐标系(WCS),从而创建一个全局环境图10。7. 机械手设计7.1 机械手腕部设计腕部存在两类装配偏差:零件与孔不对中时有移动偏差,零件与孔不平行时有转动偏差。为了避免该偏差,采用如图所示远轴心柔性配合装置如图7.1可以借助柱销插入孔内所产生的摩擦力,来转动或移动柱销以对准孔眼。该装置存在两套连杆机构,每套可缩小一类偏差。本作品采用的是其商品化的结构,两类机构套装在一起形成了一个坚固且灵活的构造。图7.1 远轴心柔性配合装置7.2 自由度计算首先确定指数和自由度,对于手和物体组成的系统,其自由度可由下面公式计算: (7.1)式中 :第i个关节的自由度,这里设为1;:第j个接触点允许的自由度,=15;L:系统中独立的回路数。当手指关节固定时,由式(1-1)可以得到: (7.2)0意味着物体在手指约束下仍有一定程度的自由,所以它可以在外力的干扰下移动,这表明灵巧的机械手无法稳定地固定工件。自由度0意味着工件受到机械手约束后,失去了所有的自由度,因此该机械手具备了稳定抓持物体的必要条件。上述分析表明只有那些满足(M6和0)的机构才拥有灵巧手的特点,所以设计的目标是找出满足这个条件的机构。首先,考虑手指的数量,为了便于分析情况,考虑手指与物体接触的简单情况。假设手指和物体都是刚体,当只有两个手指时,接触约束不能限制接触点连接线附近的运动,物体可能在外力的干扰下移动。所以,考虑到多数情况,灵巧手至少需要三根手指来实现固定工件的功能。具体到每个手指上需要的自由度,假设每个机械手有三根手指,每个手指有三个旋转关节(三个伺服电机带动)。在这些条件下,可以确定: (7.3)则 M=6,=3此计算结果表明,当手指在指端接触物体,手指运动可以使物体产生任意运动。当手指固定时,可以稳定的握住物体。不改变接触约束条件,即不改变的情况下,如果关节数量减少,就会导致M6。因此,要实现稳定抓取的功能,至少需要有9个自由度。根据以上的计算结果,列举所有可能的接触状态,再利用Salisbury对灵巧手提出的两个基本条件进行讨论:当手指关节运动时,能够使物体产生任意运动;当手指关节固定时,能够完全限制物体的运动。最终的设计方案是三根手指,每根手指有三个关节,总共九个自由度。同时考虑到工作容积和夹紧物体的大小等因素,三根手指分别安装在车身的上方与左右侧,这不仅增加了工作容积,也避免了手指集中,重心偏高导致的不稳定现象。7.3 机械手结构机械手由底座,回转台,连杆,大臂,小臂,直流电机手爪等总共13个部件组成,工作原理与工业机械手类似。底座起连接及支撑回转台的作用,采用螺栓与车壳连接,回转台传递扭矩带动大臂运动由直流电机提供动力,杆起连接小臂和大臂的作用,传递动力并带动小臂相对于大臂摆动,手爪负责装夹工件。 图7.2 机械手工程图机械手明细表零件号零件名材质数量1底座HT3012回转台HT4013电机34连杆配件202415连杆202416大臂配件HT3317大臂202418小臂202419小臂配件HT20110机械手腕部HT33111手爪QT450-10112底座联结件YG61在机械手末端,安装有触觉,压觉,滑觉,力觉传感器用来辅助实时监测和修正动作,以保证更好的夹持工件。8. AGV路径仿真假设现在有一金属锻造工厂,内部有8个不同的作业区域,分布在三个车间内。8个作业区域间有运输网络,每条运输线路为图8.1中的边,其中全自动水箱装配机与锻压成型机之间有传送带连接,所以两个区域之间不需要额外的运输路线,边上的权数表示通过该运输路线所需的时间(数值仅表示相互的比例,不代表实际时间)。设现处在任一工作区域,那么AGV需要考虑的是从该工作区域到其他各工作区域,应该选择什么运动路径才能使所需的时间最少。解:这是一个无向网络,根据所面临的情况是要求一条从某区域到其他各区域的最短路径,求解如下:functionD,path,min1,path1=floyd(a,start,terminal)D=a;n=size(D,1);path=zeros(n,n);for i=1:n for j=i:n if D(i,j)=inf path(i,j)=j;end,end,endfor k=1:n for i=1:n for j=1:n if D(i,k)+D(k,j)D(i,j) D(i,j)=D(i,k)+D(k,j); path(i,j)=path(i,k);end,end,end,endif nargin=3 min1=D(start,terminal); m(1)=start; i=1; path1=; while path(m(i),terminal)=terminal k=i+1; m(k)=path(m(i),terminal); i=i+1; end m(i+1)=terminal; path1=m;end建立脚本m文件如下:a=0,3,inf,inf,inf,4,6,2;3,0,3,5,inf,7,4,inf;inf,3,0,1,3,inf,6,inf;inf,5,1,0,2,2,inf,inf;inf,inf,3,2,0,1,inf,7;4,7,inf,2,1,0,inf,8;6,4,6,inf,inf,inf,0,4;2,inf,inf,inf,7,8,4,0;D,path,min1,path1=floyd(a,start,terminal)运行便可输出结果。可见,s为从某区域到其余区域的最短路径,d为相应的权数。图8.1 运输网络图9. 结论本次毕业设计为一种新型的有自动装卸功能的无人搬运车,在目前AGV基础上,使用机械手联动的装卸方式,解决了移载机构路径固定,柔性化程度低的窘境。主要创新点有: 在控制部分采用激光测距雷达替代了传统产品的坐标,电磁等引导方式,分析优缺点:可适应复杂路径和生产流程、自动化程度更高。同时定位精度主要由雷达的精度决定,便于用户灵活调整型号以适应场所并控制成本(定位精度为10mm到5mm)。在机械部分安装麦克纳姆轮配合9个自由度的机械手,改进了原有产品工作容积小甚至无法自动装卸的问题并且缩小了转向半径可在更狭小的空间内作业。机械手部分采用了远轴心柔性配合机构减小了机械手腕部的安装误差,提高了作业精度。软件部分运用了基于行为响应的层级结构解决了定位与导航中由于GPS精度所限导致AGV的位置精度无法低于其最小分辨率的障碍。对于本次设计的的拓展,可以将重心放在机械手形态与软件结构上,其中机械手部分存在占有空间较大,较笨重的问题有待解决。软件部分也可以进一步优化。参 考 文 献1 廖汉元,孔建益.机械原理M.北京:机械工业出版社,2012.2 濮良贵,陈国定,吴立言.机械设计(第九版)M.北京:高等教育出版社,2013.3 成大先.机械设计手册M.北京:化学出版社,2002.4 秦大同,谢里阳.机构设计M.北京:化学工业出版社,2013.5 胡正兴,李一民,詹跃东.自动导引小车局部智能避障的A*算法J.昆明理工大学学报(理工版),2005,(05).6 朱永平,廖洵.PLC无线通讯技术在自动导向车中的应用J.湖北工业大学学报,2012,(04).7 李伟娟.浅析AGV小车的引导方式及其发展趋势J.中小企业管理与科技(中旬刊),2015,(04).8 李杜仙.无轨运输小车设计D.大学生论文联合对比库,2016,(04).9 郭豹.具有交互轮的全方位移动机器人运动研究D.沈阳航空航天大学硕士论文,2014,(04).10顾嘉俊. 移动机器人在非平坦地形上的自主导航研究D.上海交通大学博士论文, 2010,(04).11Vis.Survey of research in the design and control ofautomated guided vehicl
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