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        一種雙電源供電的勘探機器人的設(shè)計實現(xiàn)

        2020-05-19 08:40:37邱婉婷
        衛(wèi)星電視與寬帶多媒體 2020年3期

        邱婉婷

        【摘要】機器人具有高精度,高可用性和在高風險環(huán)境中高效的優(yōu)勢。它在各個領(lǐng)域,如工業(yè),農(nóng)業(yè),電子,物流,軍工行業(yè)起著重要的作用,尤其是在行業(yè)風險高的產(chǎn)業(yè)。隨著頻繁使用機器人,需要靈活,智能和人機交互變得越來越迫切。因此,機器人釋放了一定的生產(chǎn)力,減使得人力資源成本減少至一定程度,并且提高了工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)品的質(zhì)量。本文討論了機器人技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和應用領(lǐng)域,闡述了國內(nèi)外機器人技術(shù)的研究現(xiàn)狀,在美國,德國,日本和中國工業(yè)機器人的研究進行了總體的描述。本文還提出一種具有信息采集及地圖構(gòu)建、路徑選擇與規(guī)劃、遠程遙控樣本抓取的勘探機器人。它可以解決現(xiàn)階段行業(yè)存在的能源消耗問題,具有一定的社會意義。

        【關(guān)鍵詞】仿生機器人;雙電源供電;履帶底盤設(shè)計

        隨著機械自動化和通信技術(shù)的發(fā)展,機器人產(chǎn)業(yè)及其在工業(yè)生產(chǎn)和社會生活中的重要作用越來越大。作為一個復雜的技術(shù),是集成電路,工業(yè)制造,傳感器和編程等技術(shù)的有機合并。經(jīng)過幾十年的發(fā)展,機器人技術(shù)已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)自動化的重要組成部分,廣泛應用于各種工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。中國對機器人的探索相對較晚,但機器人相關(guān)技術(shù)的發(fā)展也在國家層面受到了重視。由于機器人具有精度高,在高風險地區(qū)高效和適用性強等優(yōu)點,它們在各個領(lǐng)域,如工業(yè),農(nóng)業(yè),電子,物流和軍事等都發(fā)揮著重要的作用,特別是在勞動強度大的領(lǐng)域和高風險的行業(yè)。于是,本文重點關(guān)注機器人研究,設(shè)計了一種雙電源供電的能源勘探機器人。機器人主要由仿生抓取手臂、低功耗信息傳輸模塊、自追蹤太陽能電池板、履帶緩震底盤四大部分組成。仿生抓取手臂分為抓取執(zhí)行機構(gòu)和體感控制機構(gòu),通過采集人手運動信息,實現(xiàn)執(zhí)行機構(gòu)的同步工作,代替勘探人員工作,節(jié)約能源。低功率信息傳輸模塊確保設(shè)備在惡劣的勘探環(huán)境中正常運行。太陽能電池板作為輔助能源采集裝置,自追蹤的設(shè)計實現(xiàn)了始終的最強光照,提高能源采集效率。履帶式底盤具有強大的緩沖越野能力,適用于野外復雜的地形。

        1. 功能介紹

        1.1 仿生機械裝置原理

        為了實現(xiàn)高效樣本采集,節(jié)約人工成本。設(shè)計了一種由機械操作手套和機械臂兩部分組成的采樣機構(gòu)。主要實現(xiàn)了一種利用多傳感器采集人體手掌動作信息,進而利用無線傳輸模塊將動作信息傳輸至機械臂控制器,實現(xiàn)對于機械臂的遠程遙控操作。機械手套通過傳感器采集人體手掌動作,利用無線傳輸模塊將信息傳輸至機械臂控制模塊(STM32嵌入式系統(tǒng))。嵌入式系統(tǒng)在接收信息后,根據(jù)指令輸出定量占空比的PWM波,控制舵機旋轉(zhuǎn)角度,從而實現(xiàn)使機械臂的各個關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)過與人手指轉(zhuǎn)動相同的角度。通過加裝超聲波傳感器,能使機械臂移動到需要抓取目標所處最佳位置完成工作。

        1.2 抓取結(jié)構(gòu)控制

        首先對手指運動方式進行運動學模型轉(zhuǎn)換。分析得,在實際的抓取過程中,多依靠關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動完成其運動動作。因此本系統(tǒng)采用了直線驅(qū)動機構(gòu)選取最簡單的滑塊-曲柄機構(gòu)進行模型建立。同時為探究整個機械手抓舉力,通過對單個指關(guān)節(jié)進行受力分析。F表示外力大小,單位為N。表示指節(jié)轉(zhuǎn)過的角度。L表示連桿的長度,單位為mm。(圖1)

        通過實際測量實驗得,每根機械臂手指的提升力為10Kg左右,對自然狀態(tài)(指節(jié)之間角度為45°)下每個手指進行受力分析得:F=10×10=100N;=45°;L=15。

        由力平衡條件:,得:

        (1)

        由單個手指的力學性能分析可得到全手的力學性能。其中,作為采摘機器人性能的重要考察指標,其最大抓取力為:。

        1.3 自追蹤太陽能電池板

        由于設(shè)備工作環(huán)境常在戶外開闊場地,陽光充沛,為了高效進行太陽能采集,設(shè)計依靠光敏電阻進行光強度監(jiān)測,進而控制云臺旋轉(zhuǎn)朝向光強最強角度,進行能量收集。

        通過對該新型跟蹤機構(gòu)進行空間位姿分析及實驗研究,實驗結(jié)果顯示:該機構(gòu)跟蹤太陽的方位角可以達到360°,俯仰角能達到110°,基本實現(xiàn)了對太陽的全方位的跟蹤。該機構(gòu)輸出位姿數(shù)值解與實測值平均誤差分別為1.8%、2.6%、0.84%,表明該機構(gòu)跟蹤太陽的精度較高。此外,該機構(gòu)電機驅(qū)動能耗約為傳統(tǒng)二軸跟蹤機構(gòu)的25%。

        通過追日跟蹤和固定安裝的利用率對比發(fā)現(xiàn)(實驗A電池板進行追日跟蹤,實驗B電池板固定傾斜安裝,實驗A、B在相同環(huán)境條件下特性相同的蓄電池進行充電):

        由圖2、3可知,在11:00~14:00時間段里,太陽能電池板追日自動跟蹤的效率相比固定式提高不多,而在其他時刻電池板的發(fā)電效率平均提高28%~35%。

        本裝置所載太陽能電池板功率為12w(約0.1m^2),重量約為5斤左右,選用直流減速電機37GB520,額定功率10W;光敏傳感器模塊4個,工作電壓3.3v,15mA。電機工作累計時間:設(shè)從早晨8時到下午6時,每30min調(diào)整一次,每次調(diào)整用時5s,則工作時間為100s,合計0.027h。則直流電機、光敏傳感器日耗電量估算如下:

        ;

        ;

        自動跟蹤日增電量:

        由上述計算可得,日耗電量僅為日增電量的6.25%,對節(jié)省能源方面有積極的意義。

        1.4 運動底盤部分設(shè)計

        機械設(shè)計包括三個部分,框架式車架、自制履帶和步進電機驅(qū)動??蚣苁侥苡行У臏p輕機器人的總重量,同時還具有較強的抗扭能力,適用于惡劣的環(huán)境使用。使用有限元模型作為穩(wěn)定性分析基礎(chǔ),通過進行模態(tài)分析確定所設(shè)計的產(chǎn)品或部件的振動特性。履帶板底部開槽,以增加履帶的地面附著能力。外鏈板帶有凸耳與底板鉚接在一起。

        綜合考慮電機功率、鏈輪轉(zhuǎn)速及工作環(huán)境,確定采用小節(jié)距雙排鏈進行傳動,且節(jié)距。兩條履帶均采用步進電機進行驅(qū)動,通過改變兩步進電機輸出脈沖頻率、占空比控制車體的運動。履帶式機械的驅(qū)動力,式中,為發(fā)動機轉(zhuǎn)矩N*m;為各檔傳動比;為機械效率;rdq為驅(qū)動輪動力半徑;經(jīng)計算后。行駛速度式中:為發(fā)動機轉(zhuǎn)速;rdq為驅(qū)動輪動力半徑;為驅(qū)動輪滑轉(zhuǎn)率(履帶式一般取0.07)。經(jīng)計算后得到結(jié)果速度。理論速度,實際速度。

        轉(zhuǎn)向驅(qū)動力矩的分析與計算:機體質(zhì)量平均分配在兩條履帶上,且單位履帶長度上的負荷為,式中:G車身總質(zhì)量kg; 履帶接地長度。經(jīng)計算得。 根據(jù)上述假設(shè),轉(zhuǎn)向時地面對履帶支承段的反作用力 的分布為矩形分布。在履帶支承面上任何一點到轉(zhuǎn)動中心的距離為x,則微小單元長度為dx,分配在其上的車體重力為qdx,總轉(zhuǎn)向阻力矩可按下式:

        (2)

        式中,為轉(zhuǎn)向阻力系數(shù)。經(jīng)計算得,轉(zhuǎn)向驅(qū)動力矩滿足使用要求。

        2. 結(jié)論

        從國際機器人聯(lián)合會的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),機器人產(chǎn)品的全球的銷量在近幾年逐漸地增多。中國到目前為止已成為世界上最大的機器人市場,并且機器人的需求量連續(xù)兩年將繼續(xù)增長。對此,浙江省率先提出要以機器人為核心,并計劃推動的工業(yè)化生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變,從“制造”向“智能制造”在未來五年內(nèi)的“機器替代”項目。然而,在中國的機器人數(shù)量還需要繼續(xù)增加,因為中國每萬名生產(chǎn)人員所持有的機器人的數(shù)目明顯的低于世界平均水平的一半。在機器人領(lǐng)域的巨大的市場需求同時也帶來了中國的工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展機遇。隨著勞動力和土地成本的上升和經(jīng)濟的快速發(fā)展崛起,機器人往往是越來越智能和人機一體化。

        同時,本文提出勘探機器人針對石油地質(zhì)等高危行業(yè)危險程度高、意外發(fā)生幾率大的特質(zhì),利用自組網(wǎng)技術(shù)結(jié)合自主研發(fā)的低功耗無線通信模塊,搭配始終能夠追蹤最強太陽光源進行能量收集的自追蹤太陽能電池板,用于保證通信的不間斷性,不僅實現(xiàn)多機器人協(xié)同工作,也可以在通信失效區(qū)域正常使用,保證機器人在惡劣環(huán)境下正常工作。

        參考文獻:

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        [3]孟明輝,周傳德,陳禮彬,等.工業(yè)機器人的研發(fā)及應用綜述[J].上海交通大學學報,2016,50(S1):98-101.

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