垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人位置控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（臂部關(guān)節(jié)）

垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人位置控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（臂部關(guān)節(jié)）,垂直,關(guān)節(jié),機(jī)器人,位置,控制,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),臂部 南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開(kāi)題報(bào)告 學(xué) 生 姓 名： （3號(hào)楷體） 學(xué) 號(hào)： （用3號(hào)楷體） 專 業(yè)： （用3號(hào)楷體） 設(shè)計(jì)(論文)題目： 垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人位置控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（臂部關(guān)節(jié)） 指 導(dǎo) 教 師: （用3號(hào)楷體） 年 月 日 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開(kāi) 題 報(bào) 告 1．結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，每人撰寫(xiě) 2000字左右的文獻(xiàn)綜述： 文 獻(xiàn) 綜 述 摘要 本課題的主要內(nèi)容是采用機(jī)器人代替人來(lái)進(jìn)行噴漆作業(yè)，機(jī)器人可以代替很多重復(fù)性的體力勞動(dòng)，從而減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率。結(jié)合設(shè)計(jì)的各方面的知識(shí)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中學(xué)會(huì)怎樣發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。解決問(wèn)題.研究問(wèn)題。并且在設(shè)計(jì)中融入自己的想法和構(gòu)思，提高自己的創(chuàng)新能力。盡力使機(jī)器人使用方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。 關(guān)鍵詞 機(jī)器人 ，噴漆機(jī)器人 ，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，步進(jìn)電機(jī) 1 機(jī)器人概述 隨著人類(lèi)科技的進(jìn)步，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，機(jī)器人學(xué)成為近幾十年來(lái)迅速發(fā)展的一門(mén)綜合學(xué)科。它體現(xiàn)了光機(jī)電一體化技術(shù)的最新成就，機(jī)器人作為其中的佼佼者更是發(fā)揮了不可磨滅的作用。在人類(lèi)社會(huì)中，凡是有機(jī)械活動(dòng)的地方，都能看到機(jī)器人的身影。機(jī)器人產(chǎn)品的應(yīng)用已經(jīng)由核工業(yè)和軍事科技等高端科學(xué)領(lǐng)域向醫(yī)療、農(nóng)業(yè)甚至是服務(wù)娛樂(lè)等民用領(lǐng)域發(fā)展了，并且各式各樣的機(jī)器人正在涌現(xiàn)出來(lái)，以驚人的速度延伸到人類(lèi)活動(dòng)的各個(gè)領(lǐng)域。機(jī)器人是由于人類(lèi)期望生產(chǎn)水平的提高，為了提升生產(chǎn)效率而出現(xiàn)的。然而由于機(jī)器人善于完成重復(fù)的，單調(diào)的，精確度要求高的工作，能取代人在惡劣的環(huán)境中完成人類(lèi)不能或者不愿完成的工作，因此，機(jī)器人的出現(xiàn)又大大解放了人類(lèi)的生產(chǎn)力。所以說(shuō)機(jī)器人的發(fā)展是社會(huì)發(fā)展的結(jié)果，也是社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)?，F(xiàn)在，很多發(fā)達(dá)國(guó)家都追逐著機(jī)器人這一發(fā)展趨勢(shì)，積極地進(jìn)行著機(jī)器人的各種開(kāi)發(fā)和研制的工作，并且其中一些國(guó)家已經(jīng)取代了不錯(cuò)的成果，研制出了許多新型且實(shí)用的機(jī)器人或者是機(jī)器人。例如：日本的跳舞機(jī)器人、犬型機(jī)器人愛(ài)寶(AIBO)；英國(guó)研制的履帶式“手推車(chē)”及“超級(jí)手推車(chē)”排爆機(jī)器人；美國(guó)iRobot公司推出了能避開(kāi)障礙，自動(dòng)設(shè)計(jì)行進(jìn)路線吸塵器機(jī)器人Roomba；上海世博會(huì)使用過(guò)的福娃機(jī)器人等等。 由于機(jī)器人的迅猛發(fā)展，機(jī)器人進(jìn)入學(xué)校教學(xué)是必然的。三自由度機(jī)器人作為是機(jī)器人的典型產(chǎn)品，其設(shè)計(jì)及應(yīng)用對(duì)機(jī)電一體化、機(jī)械結(jié)構(gòu)工藝、機(jī)械制造、自動(dòng)化、電子信息等專業(yè)的教學(xué)及研究都有著很重要的意義。 1.1機(jī)器人的特點(diǎn) 1機(jī)器人能進(jìn)行自動(dòng)化生產(chǎn)，降低成本。就本次設(shè)計(jì)的垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人而言，它能不間斷的搬運(yùn)零件和各種材料的輸送。這樣既提高了生產(chǎn)率又降低了生產(chǎn)成本。 2機(jī)器人能使產(chǎn)品品質(zhì)穩(wěn)定，減少人工污染。人工生產(chǎn)會(huì)使產(chǎn)品質(zhì)量受工人狀態(tài)起伏而影響。對(duì)于某些高精度產(chǎn)品，人工送取會(huì)產(chǎn)生人工污染。 3機(jī)器人能改善勞動(dòng)條件，避免各種工傷。在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場(chǎng)合中，人工操作會(huì)有危險(xiǎn)，機(jī)器人能代替人工作，改善了人們的勞動(dòng)條件。 4機(jī)器人能持久、耐勞，可以把人從繁重的勞動(dòng)中解放出來(lái)，人在連續(xù)工作幾個(gè)小時(shí)后，總會(huì)感到疲勞或厭倦，以機(jī)器人代替人進(jìn)行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。 5機(jī)器人的靈活性、通用性強(qiáng)。它能通過(guò)更換部件來(lái)適應(yīng)不同產(chǎn)品的生產(chǎn)。并通過(guò)改變程序和自由度來(lái)達(dá)到迅速改變作業(yè)的可能性。這樣機(jī)器人能滿足各種各樣的零件生產(chǎn)，在生產(chǎn)中發(fā)揮重大作用。 1.2機(jī)器人的組成 工業(yè)機(jī)器人是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)三部分組成。 1.2.1執(zhí)行機(jī)構(gòu) 一般機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)由手部或者叫抓取部分、腕部、臂部、緩沖與定位，還有行走機(jī)構(gòu)組成。 1.2.2驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有液壓驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)、電動(dòng)驅(qū)動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)等形式。不過(guò)目前還是以液壓和氣動(dòng)用的最多。 液壓驅(qū)動(dòng)具有體積小、出力大、控制性能好、動(dòng)作平穩(wěn)等特點(diǎn)，它利用油缸、馬達(dá)加上齒輪、齒條實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)；利用擺動(dòng)油缸、馬達(dá)與減速器、油缸與齒條、齒輪或鏈條、鏈輪等實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。液壓驅(qū)動(dòng)具有潤(rùn)滑性能好、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)緊湊，剛性好。定位精度高，克實(shí)現(xiàn)任意位置開(kāi)停。有很多專業(yè)機(jī)器人能直接利用主機(jī)的液壓系統(tǒng)。但缺點(diǎn)是需要配備壓力源，系統(tǒng)復(fù)雜成本較高。 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、氣源方便，所需的壓縮氣源一般工廠都有，并且無(wú)污染，一般采用的壓力0.4-0.6MPa，最高可達(dá)1MPa。缺點(diǎn)是出力小，體積大。由于空氣的可壓縮性大，很難實(shí)現(xiàn)中間位置的停止，只能用于點(diǎn)位控制，而且潤(rùn)滑性較差，氣壓系統(tǒng)容易生銹。 電動(dòng)由于減速和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜, 很少采用。機(jī)械式用于簡(jiǎn)單的場(chǎng)合。 1.2.3控制機(jī)構(gòu) 機(jī)器人的控制方式有點(diǎn)動(dòng)和連續(xù)控制兩種方式。大多數(shù)是用插銷(xiāo)板進(jìn)行點(diǎn)位程序控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計(jì)算機(jī)數(shù)字控制，采用凸輪、磁盤(pán)磁帶、穿孔卡等記錄程序。主要控制的是坐標(biāo)位置，并注意其加速度特性。 1.3噴漆機(jī)器人 噴漆機(jī)器人又叫垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人（spray painting robot）， 是可進(jìn)行自動(dòng)噴漆或噴涂其他涂料的工業(yè)機(jī)器人，1969年由挪威Trallfa公司（后并入ABB集 團(tuán)）發(fā)明。噴漆機(jī)器人主要由機(jī)器人本體、計(jì)算機(jī)和相應(yīng)的控制系統(tǒng)組成，液壓驅(qū)動(dòng)的噴漆機(jī)器人還包括液壓油源，如油泵、油箱和電機(jī)等。多采用5或6自由度關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，手臂有較大的運(yùn)動(dòng)空間，并可做復(fù)雜的軌跡運(yùn)動(dòng)，其腕部一般有2～3個(gè)自由度，可靈活運(yùn)動(dòng)。較先進(jìn)的噴漆機(jī)器人腕部采用柔性手腕，既可向各個(gè)方向彎曲，又可轉(zhuǎn)動(dòng)，其動(dòng)作類(lèi)似人的手腕，能方便地通過(guò)較小的孔伸入工件內(nèi)部，噴涂其內(nèi)表面。噴漆機(jī)器人一般采用液壓驅(qū)動(dòng)，具有動(dòng)作速度快、防爆性能好等特點(diǎn)，可通過(guò)手把手示教或點(diǎn)位示數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)示教。噴漆機(jī)器人廣泛用于汽車(chē)、儀表、電器、搪瓷等工藝生產(chǎn)部門(mén)。 垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人的主要優(yōu)點(diǎn)：（1）柔性大，工作范圍大。（2）提高噴涂質(zhì)量和材料使用率。（3）易于操作和維護(hù)，可離線編程，大大的縮短現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)間。（4）設(shè)備利用率高，垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人的利用率可達(dá)90%-95%。 1.4 結(jié)束語(yǔ) 本課題通對(duì)垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和機(jī)電傳動(dòng)原理設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)采用的方法是理論設(shè)計(jì)與經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)相結(jié)合的方案，所運(yùn)用的資料來(lái)源廣泛，內(nèi)容充足。 參 考 文 獻(xiàn) [1] 吳瑞祥. 機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1994. [2] 熊有倫.機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)[M].武漢：華中理工大學(xué)出版社，1996. [3] 白井良明著. 王棣棠譯. 機(jī)器人工程[M]. 北京：科學(xué)出版社，2001.2. [4] 熊有倫.機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)[M].武漢：華中理工大學(xué)出版社，1996. [5] 王志良.競(jìng)賽機(jī)器人制作技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007. [6] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第4版）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002. [7] 熊有倫.機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)[M].武漢：華中理工大學(xué)出版社，1996. [8] 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì). 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.7. [9] 馬香峰. 機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1991. [10] 龔振邦等. 機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，1995.6. [11] David Cook.機(jī)器人制作[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005. [12] 費(fèi)仁元等.機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)和分析.北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，1998 [13] 《工業(yè)噴漆機(jī)器人》編寫(xiě)組.工業(yè)噴漆機(jī)器人-機(jī)械結(jié)構(gòu)上[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社,2005. [14] Todd D J .Walking machines ,an introduction to legged robots Kogan Page Ltd.London,1985. [15] Hemamu H , Weimer F C.Koozekananit S H .Some aspects of the inverted pendulurn problem for modelling of Iocomotion systemr. Proc of 1973 JACC. [16] Suk-Han Sun,Jung-Jae Lee. Prototype Intergrated Robotic Painting System: Software Development [J].Journal of Manufacturing Systems, 2005,10(12):314. 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開(kāi) 題 報(bào) 告 ２．本課題要研究或解決的問(wèn)題和擬采用的研究手段（途徑）： 要研究的問(wèn)題 1.垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人的基本技術(shù)參數(shù)確定 表示機(jī)器人特性的基本技術(shù)參數(shù)主要有自由度、坐標(biāo)形式的選擇。 1.1自由度 自由度是指機(jī)器人所具有的獨(dú)立坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)的數(shù)目，但是一般不包括手部（末端操作器）的開(kāi)合自由度。自由度表示了機(jī)器人靈活的尺度，在三維空間中描述一個(gè)物體的位置和姿態(tài)需要六個(gè)自由度。 垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人的自由度越多，越接近人手的動(dòng)作機(jī)能，其通用性就越好，但是結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜，自由度的增加也意味著垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人整體重量的增加。輕型化與靈活性和抓取能力是一對(duì)矛盾，此外還要考慮到由此帶來(lái)的整體結(jié)構(gòu)剛性的降低，在靈活性和輕量化之間必須做出選擇。工業(yè)機(jī)器人基于對(duì)定位精度和重復(fù)定位精度以及結(jié)構(gòu)剛性的考慮，往往體積龐大，負(fù)荷能力與其自重相比往往非常小。一般通用垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人有5～6個(gè)自由度即可滿足使用要求（其中臂部有3個(gè)自由度，腕部和行走裝置有2～3個(gè)自由度），專用垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人有1～2個(gè)自由度即可滿足使用要求。 1.2坐標(biāo)形式的選擇 垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人的坐標(biāo)形式主要可分為：直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、球坐標(biāo)型、關(guān)節(jié)坐標(biāo)型另外還有比較復(fù)雜的SCARA型和并聯(lián)型。 1直角坐標(biāo)型垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人：這類(lèi)垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人就是如圖2-1(a)得直移型，其手部空間位置的改變通過(guò)沿三個(gè)互相垂直軸線的移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，該形式垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人具有位置精度高，控制無(wú)耦合、簡(jiǎn)單，壁障性好等特點(diǎn)。但結(jié)構(gòu)較龐大，動(dòng)作范圍小，靈活性差，且移動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，占地面積大，而且需架空線路。 2圓柱坐標(biāo)型垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人：這種垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人如圖2-1（b）的回轉(zhuǎn)型垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人，通過(guò)兩個(gè)移動(dòng)和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)手部空間位置的改變，手臂的運(yùn)動(dòng)系由垂直立柱平面內(nèi)的伸縮和沿立柱的升降兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)及手臂繞立柱的轉(zhuǎn)動(dòng)復(fù)合而成。這種垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人，占地面積小而活動(dòng)范圍較大，結(jié)構(gòu)亦較簡(jiǎn)單，并能達(dá)到較高的定位精度，因而應(yīng)用范圍較廣泛。機(jī)身采用立柱式，垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人側(cè)面行走，順利完成上料、翻轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)位等功能。但是結(jié)構(gòu)也比較龐大，兩個(gè)移動(dòng)軸的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。 3球坐標(biāo)型機(jī)器人： 這類(lèi)垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人如圖2-1（c）的俯仰型垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人，其手臂沿X方向伸縮，繞Y軸俯仰和繞Z軸回轉(zhuǎn)。這類(lèi)垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人具有占地面積小、結(jié)構(gòu)緊湊、重量較輕、位置精度尚可等特點(diǎn)，能與其他機(jī)器人協(xié)調(diào)工作，但避障性差，存在著平衡問(wèn)題，位置誤差與臂長(zhǎng)有關(guān)。 4關(guān)節(jié)坐標(biāo)型垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人：如圖2-1（d）的屈伸型垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人，主要由立柱、前臂和后臂組成。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)由前、后臂的俯仰及立柱的回轉(zhuǎn)構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)最緊湊，靈活性大，占地面積最小，工作空間最大，能與其他機(jī)器人協(xié)調(diào)工作，避障性好，但是位置精度較低，存在平衡以及控制耦合的問(wèn)題，故比較復(fù)雜。 圖 垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人的坐標(biāo)形式[22] 2 要采用的手段 分析機(jī)械手工作原理和性能。 繪制工作機(jī)構(gòu)示意圖、工作原理圖。 設(shè)計(jì)機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)，繪制裝配圖。 設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)械手各部分結(jié)構(gòu)，繪制結(jié)構(gòu)各部件圖紙，繪制主要零件的零件圖。 編制設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開(kāi) 題 報(bào) 告 指導(dǎo)教師意見(jiàn)： 1．對(duì)“文獻(xiàn)綜述”的評(píng)語(yǔ)： ××××××××（小4號(hào)宋體，1.5倍行距）××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××…………。 2．對(duì)本課題的深度、廣度及工作量的意見(jiàn)和對(duì)設(shè)計(jì)（論文）結(jié)果的預(yù)測(cè)： ××××××××（小4號(hào)宋體，1.5倍行距）××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××…………。 指導(dǎo)教師： 年 月 日 所在專業(yè)審查意見(jiàn)： 負(fù)責(zé)人： 年 月 日