垂直多关节机器人位置控制结构设计（臂部关节）

垂直多关节机器人位置控制结构设计（臂部关节）,垂直,关节,机器人,位置,控制,结构设计,臂部 南京理工大学泰州科技学院 毕业设计(论文)开题报告 学 生 姓 名： （3号楷体） 学 号： （用3号楷体） 专 业： （用3号楷体） 设计(论文)题目： 垂直多关节机器人位置控制结构设计（臂部关节） 指 导 教 师: （用3号楷体） 年 月 日 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告 1．结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写 2000字左右的文献综述： 文 献 综 述 摘要 本课题的主要内容是采用机器人代替人来进行喷漆作业，机器人可以代替很多重复性的体力劳动，从而减轻工人的劳动强度，提高生产效率。结合设计的各方面的知识，在设计过程中学会怎样发现问题。解决问题.研究问题。并且在设计中融入自己的想法和构思，提高自己的创新能力。尽力使机器人使用方便，结构简单。 关键词 机器人 ，喷漆机器人 ，结构设计，步进电机 1 机器人概述 随着人类科技的进步，社会经济的发展，机器人学成为近几十年来迅速发展的一门综合学科。它体现了光机电一体化技术的最新成就，机器人作为其中的佼佼者更是发挥了不可磨灭的作用。在人类社会中，凡是有机械活动的地方，都能看到机器人的身影。机器人产品的应用已经由核工业和军事科技等高端科学领域向医疗、农业甚至是服务娱乐等民用领域发展了，并且各式各样的机器人正在涌现出来，以惊人的速度延伸到人类活动的各个领域。机器人是由于人类期望生产水平的提高，为了提升生产效率而出现的。然而由于机器人善于完成重复的，单调的，精确度要求高的工作，能取代人在恶劣的环境中完成人类不能或者不愿完成的工作，因此，机器人的出现又大大解放了人类的生产力。所以说机器人的发展是社会发展的结果，也是社会发展的必然趋势。现在，很多发达国家都追逐着机器人这一发展趋势，积极地进行着机器人的各种开发和研制的工作，并且其中一些国家已经取代了不错的成果，研制出了许多新型且实用的机器人或者是机器人。例如：日本的跳舞机器人、犬型机器人爱宝(AIBO)；英国研制的履带式“手推车”及“超级手推车”排爆机器人；美国iRobot公司推出了能避开障碍，自动设计行进路线吸尘器机器人Roomba；上海世博会使用过的福娃机器人等等。 由于机器人的迅猛发展，机器人进入学校教学是必然的。三自由度机器人作为是机器人的典型产品，其设计及应用对机电一体化、机械结构工艺、机械制造、自动化、电子信息等专业的教学及研究都有着很重要的意义。 1.1机器人的特点 1机器人能进行自动化生产，降低成本。就本次设计的垂直多关节机器人而言，它能不间断的搬运零件和各种材料的输送。这样既提高了生产率又降低了生产成本。 2机器人能使产品品质稳定，减少人工污染。人工生产会使产品质量受工人状态起伏而影响。对于某些高精度产品，人工送取会产生人工污染。 3机器人能改善劳动条件，避免各种工伤。在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，人工操作会有危险，机器人能代替人工作，改善了人们的劳动条件。 4机器人能持久、耐劳，可以把人从繁重的劳动中解放出来，人在连续工作几个小时后，总会感到疲劳或厌倦，以机器人代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。 5机器人的灵活性、通用性强。它能通过更换部件来适应不同产品的生产。并通过改变程序和自由度来达到迅速改变作业的可能性。这样机器人能满足各种各样的零件生产，在生产中发挥重大作用。 1.2机器人的组成 工业机器人是由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。 1.2.1执行机构 一般机器人的执行机构由手部或者叫抓取部分、腕部、臂部、缓冲与定位，还有行走机构组成。 1.2.2驱动机构 驱动机构主要有液压驱动、气动驱动、电动驱动和机械驱动等形式。不过目前还是以液压和气动用的最多。 液压驱动具有体积小、出力大、控制性能好、动作平稳等特点，它利用油缸、马达加上齿轮、齿条实现直线运动；利用摆动油缸、马达与减速器、油缸与齿条、齿轮或链条、链轮等实现回转运动。液压驱动具有润滑性能好、寿命长的特点，结构紧凑，刚性好。定位精度高，克实现任意位置开停。有很多专业机器人能直接利用主机的液压系统。但缺点是需要配备压力源，系统复杂成本较高。 气动驱动结构简单、造价低廉、气源方便，所需的压缩气源一般工厂都有，并且无污染，一般采用的压力0.4-0.6MPa，最高可达1MPa。缺点是出力小，体积大。由于空气的可压缩性大，很难实现中间位置的停止，只能用于点位控制，而且润滑性较差，气压系统容易生锈。 电动由于减速和回转运动变往复运动机构复杂, 很少采用。机械式用于简单的场合。 1.2.3控制机构 机器人的控制方式有点动和连续控制两种方式。大多数是用插销板进行点位程序控制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机数字控制，采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序。主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性。 1.3喷漆机器人 喷漆机器人又叫垂直多关节机器人（spray painting robot）， 是可进行自动喷漆或喷涂其他涂料的工业机器人，1969年由挪威Trallfa公司（后并入ABB集 团）发明。喷漆机器人主要由机器人本体、计算机和相应的控制系统组成，液压驱动的喷漆机器人还包括液压油源，如油泵、油箱和电机等。多采用5或6自由度关节式结构，手臂有较大的运动空间，并可做复杂的轨迹运动，其腕部一般有2～3个自由度，可灵活运动。较先进的喷漆机器人腕部采用柔性手腕，既可向各个方向弯曲，又可转动，其动作类似人的手腕，能方便地通过较小的孔伸入工件内部，喷涂其内表面。喷漆机器人一般采用液压驱动，具有动作速度快、防爆性能好等特点，可通过手把手示教或点位示数来实现示教。喷漆机器人广泛用于汽车、仪表、电器、搪瓷等工艺生产部门。 垂直多关节机器人的主要优点：（1）柔性大，工作范围大。（2）提高喷涂质量和材料使用率。（3）易于操作和维护，可离线编程，大大的缩短现场调试时间。（4）设备利用率高，垂直多关节机器人的利用率可达90%-95%。 1.4 结束语 本课题通对垂直多关节机器人进行结构设计和机电传动原理设计。本设计采用的方法是理论设计与经验设计相结合的方案，所运用的资料来源广泛，内容充足。 参 考 文 献 [1] 吴瑞祥. 机器人技术及应用[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，1994. [2] 熊有伦.机器人技术基础[M].武汉：华中理工大学出版社，1996. [3] 白井良明著. 王棣棠译. 机器人工程[M]. 北京：科学出版社，2001.2. [4] 熊有伦.机器人技术基础[M].武汉：华中理工大学出版社，1996. [5] 王志良.竞赛机器人制作技术[M].北京：机械工业出版社，2007. [6] 成大先.机械设计手册（第4版）[M].北京：化学工业出版社，2002. [7] 熊有伦.机器人技术基础[M].武汉：华中理工大学出版社，1996. [8] 机械设计手册编委会. 机械设计手册[M]. 北京：机械工业出版社，2007.7. [9] 马香峰. 机器人机构学[M]. 北京: 机械工业出版社, 1991. [10] 龚振邦等. 机器人机械设计[M]. 北京：电子工业出版社，1995.6. [11] David Cook.机器人制作[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005. [12] 费仁元等.机器人机械设计和分析.北京：北京工业大学出版社，1998 [13] 《工业喷漆机器人》编写组.工业喷漆机器人-机械结构上[M].上海：上海科学技术出版社,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. 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告 ２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）： 要研究的问题 1.垂直多关节机器人的基本技术参数确定 表示机器人特性的基本技术参数主要有自由度、坐标形式的选择。 1.1自由度 自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目，但是一般不包括手部（末端操作器）的开合自由度。自由度表示了机器人灵活的尺度，在三维空间中描述一个物体的位置和姿态需要六个自由度。 垂直多关节机器人的自由度越多，越接近人手的动作机能，其通用性就越好，但是结构也越复杂，自由度的增加也意味着垂直多关节机器人整体重量的增加。轻型化与灵活性和抓取能力是一对矛盾，此外还要考虑到由此带来的整体结构刚性的降低，在灵活性和轻量化之间必须做出选择。工业机器人基于对定位精度和重复定位精度以及结构刚性的考虑，往往体积庞大，负荷能力与其自重相比往往非常小。一般通用垂直多关节机器人有5～6个自由度即可满足使用要求（其中臂部有3个自由度，腕部和行走装置有2～3个自由度），专用垂直多关节机器人有1～2个自由度即可满足使用要求。 1.2坐标形式的选择 垂直多关节机器人的坐标形式主要可分为：直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型、关节坐标型另外还有比较复杂的SCARA型和并联型。 1直角坐标型垂直多关节机器人：这类垂直多关节机器人就是如图2-1(a)得直移型，其手部空间位置的改变通过沿三个互相垂直轴线的移动来实现，该形式垂直多关节机器人具有位置精度高，控制无耦合、简单，壁障性好等特点。但结构较庞大，动作范围小，灵活性差，且移动轴的结构复杂，占地面积大，而且需架空线路。 2圆柱坐标型垂直多关节机器人：这种垂直多关节机器人如图2-1（b）的回转型垂直多关节机器人，通过两个移动和一个转动实现手部空间位置的改变，手臂的运动系由垂直立柱平面内的伸缩和沿立柱的升降两个直线运动及手臂绕立柱的转动复合而成。这种垂直多关节机器人，占地面积小而活动范围较大，结构亦较简单，并能达到较高的定位精度，因而应用范围较广泛。机身采用立柱式，垂直多关节机器人侧面行走，顺利完成上料、翻转、转位等功能。但是结构也比较庞大，两个移动轴的设计较为复杂。 3球坐标型机器人： 这类垂直多关节机器人如图2-1（c）的俯仰型垂直多关节机器人，其手臂沿X方向伸缩，绕Y轴俯仰和绕Z轴回转。这类垂直多关节机器人具有占地面积小、结构紧凑、重量较轻、位置精度尚可等特点，能与其他机器人协调工作，但避障性差，存在着平衡问题，位置误差与臂长有关。 4关节坐标型垂直多关节机器人：如图2-1（d）的屈伸型垂直多关节机器人，主要由立柱、前臂和后臂组成。机器人的运动由前、后臂的俯仰及立柱的回转构成，其结构最紧凑，灵活性大，占地面积最小，工作空间最大，能与其他机器人协调工作，避障性好，但是位置精度较低，存在平衡以及控制耦合的问题，故比较复杂。 图 垂直多关节机器人的坐标形式[22] 2 要采用的手段 分析机械手工作原理和性能。 绘制工作机构示意图、工作原理图。 设计机械手整体结构，绘制装配图。 设计、计算机械手各部分结构，绘制结构各部件图纸，绘制主要零件的零件图。 编制设计说明书。 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告 指导教师意见： 1．对“文献综述”的评语： ××××××××（小4号宋体，1.5倍行距）××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××…………。 2．对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测： ××××××××（小4号宋体，1.5倍行距）××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××…………。 指导教师： 年 月 日 所在专业审查意见： 负责人： 年 月 日