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2 垃圾捡拾机器人方案设计与选择
2.1捡拾机构设计
2.1.1方案一：铲斗车型结构
现实生活中铲斗车的使用非常的频繁，这使这种结构的实际已经趋于完善，人们对于它的适用范围与特点基本已经了解清楚。
这种方案设计的主要优点是它的结构较为简单，易于制造和维护；操作简便，可以节约过多的操作带来的浪费。并且使用铲斗车型结构会使整体结构更加的紧凑，减小设计出来的机器人的体积。
则铲斗车的与铲斗的示意图如图2.1,2.2所示：
图2.1铲车示意图 图2.2铲斗示意图
然而这种结构在捡拾垃圾的过程中却存在着致命的缺点，它在工作的过程中存在着较大的不稳定性，极有可能不能很好的处理某些垃圾（如易拉罐、纸片之类），而且由于它的一次拾取的范围有点大会对周围的环境产生破坏。所以这种结构只能作为备用选项来进行考虑。
2.1.2方案二：机械手抓取型结构
机械手机构现在大多都是应用于工业生产中，通常情况下都是较为大型的机械手，一般是有液压进行驱动，也有使用气压来驱动的。它们有的进行搬运的工作，有的进行着零件的装配。将机械手应用于日常生活中的设计向具有很高的研究意义与价值，这将会对我们整体社会的公共基础设施建设起到良好的促进作用。
采用机械手结构来进行垃圾的捡拾，对比铲斗车结构可以发现机械手机构具有许多铲斗车结构所不具备的优点。机械手的抓取机构针对性强不容易产生抓取错误的情况，不会对周围的环境产生不良的影响。
但是它在具有诸多优越性的同时也因为为了达到这些优点导致机械手机构存在着结构复杂的缺点和因此引发的制造与维修的困难，而且要达到精确的操控机械手的移动与抓取则需要灵敏的感应系统以及良好的控制系统。
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2.1.3方案三：旋转毛刷收集机构
现在市面上已经有了多种的家用清洁机器人，其中尤以智能型机器人应用前景最为高，且已经在一定范围中被广泛的使用。这种结构在收集垃圾的过程中可以把它碰到的，只要是能够被毛刷带动的垃圾几乎都可以被清理干净。
这种结构在处理小型垃圾及尘埃等垃圾是有很好的效果，非常适合应用于家庭卫生的处理。对于那些上班族或者是由于工作繁忙而没有时间来打理卫生的人们来说，这无疑是一个非常好的垃圾捡拾机器人。然而我们这次设计的机器人不仅仅只考虑到在家庭等类似环境中的应用，还要对它在公共场所的使用情况进行考虑。在公共场合中会有部分的垃圾是只依靠毛刷的旋转所不能够收集到的，这样就会造成垃圾捡拾机器人除了家庭使用外不能在其他场合下更好的完成任务。
2.1.4捡拾方案的确定
在对上述三个方案进行比较，并对铲斗车、机械手和旋转毛刷的现状进行了了解后，最终决定了使用方案二即机械手抓取机构作为本次研究的垃圾捡拾机器人的捡拾机构。因为机械手可可发展性较高，而且属于新兴可以范畴，发展潜力以发展价值都很高。
2.2移动形式的确定
机器人的移动方式存在有轮式、履带式及仿足式等，我们在考虑到机器人的工作环境并不会出现路面状态特别差的情况，所以在这里我们可以直接选择使用轮式结构来作为机器人的移动方式。
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3 机器人工作过程简单分析与机械臂机构设计
3.1工作过程简单分析
3.1.1垃圾捡拾机器人驱动的简单分析
机器人的驱动采用电机进行驱动，方便实用，控制较为简单。机器人的移动形式采用轮式结构，则可以选择三轮、四轮等，在这我们选用四轮行走并且是后轮作为驱动轮而前轮则进行方向的控制，即二轮驱动。
这样的驱动结构相当的平稳，且极具代表性。在一般的道路上通常都是使用这样的后轮驱动前轮转向的驱动方式，大部分的车辆都是采用这种方式。虽然现在不断的有各种各样的，新颖的驱动方式出现，但是现在及以后的较长一段时间内还会是这种方式占据主流地位，这是毋庸置疑的。
由上文可知，驱动方式为前轮控制转向后轮提供动力的方式，那么前后轮是否采用联动形式呢？在考虑到设计的初衷后，决定不采用联动形式而是前后轮分别有电机进行控制，这种方式更加的简单方便。
3.1.2捡拾机器人的机械手的工作分析
图3.1机械手示意图
由图3.1可以看出通过摆动液压缸4的顺时针转动或者逆时针转动来带动上面的整个摆动台进行转动从而带动整个机械手转动，液压缸1的收缩与推出带动大手臂在上下方位上进行摆动，液压缸2的收缩与推出将会带动小手臂在前后方位上的摆动，而液压缸3的收缩与推出则会带动机械手手爪的闭合与张开。这样的工作过程是为了能够更好的对机械
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手进行准确的控制，来完成垃圾的捡拾任务。
这是一个完全依靠液压系统来完成捡拾操作的机械手结构，类似的机械手在工业生产中的应用非常广泛，尤其是在货物的搬运以及零件的装配方面尤为突出，还能通过对机械手进行改装，可以使其能够辅助完成对物料的切割和零件的喷漆与涂覆特殊材料等。目前较为大型的机械手已然发展的非常不错，之前曾在某个科技展示会上看到一个高约为两米左右的机械手可以对不同颜色的药片之类进行分类并放置，这让我很是惊叹。
3.1.3机器人支撑座
机器人支撑座用于支撑整个移动机器人系统，并提供系统的移动能力的加载空间。由于本次设计的主要目的是机器人的控制系统的设计，所以支撑座的选择可以尽量的简单。于是经过一段时间的考虑后，决定使用简单的平板型支撑座，这样就能在达到支撑效果与提供足够的空间以外，提高了机器人的实用性。
3.2机械臂的机构设计
3.2.1机械臂机构的设计要求
由于机械臂要承受机械手与机械手所要抓取的物品的重量，所以它要具有足够的强度。这样才能够在机械臂进行工作的时候，保证其不会产生扭曲或者断裂的现象。而且在保证足够强度的前提下，同时我们还要尽可能的减少机械臂的重量，减轻它的惯性力，避免出现意外状况时使机械臂受损。
机械臂设计出来之后还要具有很好的通用性，这样才能在应用环境发生变更的情况下，还能在进行小幅度的改变后继续工作。
3.2.2机械臂机构的具体设计
对整体机械手的示意图情况进行分析后我们可以得到如图3.2所示的机械臂机构简图。综合考虑之后可以知道，该机械臂应该有三段手臂，其中的两段手臂可以进行统一行动，即它们可以合为一个手臂来完成作业，减少了控制难度，如图3.3.
图3.2机械臂机构简图
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图3.3两段机械臂机构简图
上述的机械臂都属于关节型机械臂，这种机械臂就要是两端的旋转点的旋转进行运动的。这种机构的特点是它可以在狭小的空间中更好的运动，且占空间小。
它的旋转点采用转轴的形式来完成，这样就可以在液压系统的拉力或推力的作用下进行摆动。
对于机械臂的强度即刚度的计算入下，
P—— 作用于物体的力 σ——由于力产生的形变
则我们可以知道必须在知道其形变的的情况下进行相应的计算。
k?P? 式（3.1）
k—— 结构刚度是指弹性物体抵抗形变的能力
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