基于 Arduino樹(shù)干噴涂機(jī)器人設(shè)計(jì),基于,Arduino樹(shù)干噴涂機(jī)器人設(shè)計(jì),arduino,樹(shù)干,噴涂,機(jī)器人,設(shè)計(jì) 畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))任務(wù)書(shū) 論文(設(shè)計(jì))題目：樹(shù)干噴涂機(jī)器人設(shè)計(jì) 工作日期：2016年12月05日 ~ 2017年06月05日 1.選題依據(jù): 噴涂機(jī)器人又叫噴漆機(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。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)。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)。 2.論文要求(設(shè)計(jì)參數(shù)): 以電機(jī)驅(qū)動(dòng)小車(chē)底盤(pán)，小車(chē)前部裝有超聲波傳感器，對(duì)樹(shù)干區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)對(duì)樹(shù)干所在位置進(jìn)行定位。在底盤(pán)上設(shè)計(jì)噴涂機(jī)械手臂，模擬樹(shù)干噴涂過(guò)程，實(shí)現(xiàn)手臂回轉(zhuǎn)，機(jī)器人主體即機(jī)座、臂部、腕部和終端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是一個(gè)帶有旋轉(zhuǎn)連接和服電機(jī)的一系列的機(jī)械連接，使用輪系型減速器。實(shí)現(xiàn)噴涂機(jī)器人的噴涂動(dòng)作。 3.個(gè)人工作重點(diǎn): 噴涂機(jī)器人的噴涂效果與物體表面形狀、噴涂過(guò)程參數(shù)等諸多因素有關(guān)。為了達(dá)到新的噴涂作業(yè)標(biāo)準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)高效低成本的生產(chǎn)目標(biāo),對(duì)新噴涂建模的分析以及高性能?chē)娡繖C(jī)器人軌跡優(yōu)化算法。 4.時(shí)間安排及應(yīng)完成的工作: 第1周：收集研究方向相關(guān)資料、研究資料。第2周：閱讀參考文獻(xiàn)，確定研究?jī)?nèi)容。 第3周：撰寫(xiě)開(kāi)題報(bào)告，擬訂總體設(shè)計(jì)方案。第4周：修改、完善開(kāi)題報(bào)告；完成文獻(xiàn)翻譯。第5周：完成系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)。 第6周：主要器件選型，主要結(jié)構(gòu)搭建。 第7周：繪制系統(tǒng)原理圖，控制電路功能設(shè)計(jì)。第8周：各模塊搭建實(shí)現(xiàn)。 第9周：設(shè)計(jì)程序流程框圖和主要算法。第10周：完成程序編制、編譯。 第11周：進(jìn)行調(diào)試，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并總結(jié)。第12周：進(jìn)行調(diào)試，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并總結(jié)。 第13周：完善設(shè)計(jì)內(nèi)容，準(zhǔn)備撰寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。第14周：完成畢業(yè)論文。 第15周：修改畢業(yè)論文及準(zhǔn)備答辯。 第16周：準(zhǔn)備答辯內(nèi)容，參加畢業(yè)答辯。 5.應(yīng)閱讀的基本文獻(xiàn): [1] 潘元驍. 基于Arduino的智能小車(chē)自動(dòng)避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[D]. 長(zhǎng)安大學(xué) 2015 [2] 丁小妮. 基于Arduino&Android小車(chē)的倉(cāng)儲(chǔ)搬運(yùn)研究[D]. 長(zhǎng)安大學(xué) 2015 [3] 侯亮,王浩倫,賈鴻翅. 支持產(chǎn)品平臺(tái)創(chuàng)新的知識(shí)分類(lèi)及其本體建模研究[J]. 機(jī)電工程. 2010(11) [4] 陳永亮,焦明生. 基于產(chǎn)品平臺(tái)和機(jī)械總線的爬行機(jī)器人可適應(yīng)設(shè)計(jì)[J]. 工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào). 2005(05) [5] 紀(jì)欣然. 基于Arduino開(kāi)發(fā)環(huán)境的智能尋光小車(chē)設(shè)計(jì)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù). 2012(15) [6] 蔡睿妍. Arduino的原理及應(yīng)用[J]. 電子設(shè)計(jì)工程. 2012(16) [7] 凱姆?卡爾文,泰勒?卡爾文,龐明珠. Arduino與電子制作[J]. 電子制作. 2012(08) [8] 崔才豪,張玉華,楊樹(shù)財(cái). 利用Arduino控制板的光引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)小車(chē)設(shè)計(jì)[J]. 自動(dòng)化儀表. 2011(09) [9] 鄒建梅,王亞格. 利用Arduino增強(qiáng)Flash互動(dòng)性的研究[J]. 中國(guó)教育技術(shù)裝備. 2010(36) [10] Kun Zheng,Dunbing Tang,Wenbin Gu,Min Dai. Distributed control of multi-AGV system based on regional control model[J]. Production Engineering . 2013 (4) 大 連 大 學(xué) 本科畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) )開(kāi)題報(bào)告 論 文 題 目： 基于 Arduino 樹(shù)干噴漆機(jī)器人設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 機(jī)械工程學(xué)院 專(zhuān) 業(yè) 、班 級(jí)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化機(jī)英 133 班 學(xué) 生 姓 名： 唐磊生 指導(dǎo)教師（職稱(chēng)）： 李洋流 （ 講師 ） 2016 年 12 月 26 日填 2 一、選題依據(jù) 1論文（設(shè)計(jì)）題目： 基于 Arduino 樹(shù)干噴漆機(jī)器人設(shè)計(jì) 2研究領(lǐng)域： 機(jī)器人結(jié)構(gòu)及傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3論文（設(shè)計(jì)）工作的理論意義和應(yīng)用價(jià)值 工業(yè)機(jī)器人是集機(jī)械、電子、控制、計(jì) 算機(jī)、傳感器、人工智能等多學(xué)科先進(jìn) 技術(shù) 于一體的現(xiàn)代制造業(yè)重要的自動(dòng)化裝 備。自從 1962 年美國(guó)研制出世界上第一臺(tái) 工業(yè)機(jī)器人以來(lái)，機(jī)器人技術(shù)及其產(chǎn)品發(fā)展很快，已成為柔性制造系統(tǒng) (FMS)、自動(dòng) 化工廠 (FA)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng) (CIMS)的自動(dòng)化工具。廣泛采用工業(yè)機(jī)器人，不僅 可提高產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量，而且對(duì)保障人身安全，改善勞動(dòng)環(huán)境，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提 高勞動(dòng)生產(chǎn)率，節(jié)約原材料消耗以及降低生產(chǎn)成本，有著十分重要的意義。和計(jì)算機(jī)、 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一樣，工業(yè)機(jī)器人的廣泛應(yīng)用正在日益改變著人類(lèi)的生產(chǎn)和生活方式。 經(jīng)過(guò)五十多年的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人已在越來(lái)越多的領(lǐng)域得到了應(yīng)用。在制造業(yè)中， 尤其是在汽車(chē)產(chǎn)業(yè) 中，工業(yè)機(jī)器人得到了廣泛的應(yīng)用。 如在毛坯制造、機(jī)械加工、 焊接、熱處理、表面 涂覆、上下料、裝配、檢測(cè)及倉(cāng)庫(kù)堆垛等作業(yè)中，機(jī)器人都已 逐步取代了人工作業(yè)。 隨著工業(yè)機(jī)器人向更深更廣方向的發(fā)展 以及機(jī)器人智能化水 平的提高，機(jī)器人的應(yīng)用范周還在不斷地?cái)U(kuò)大，已從汽車(chē)制造業(yè)推廣到其他制造業(yè)， 進(jìn)而推廣到機(jī)械加工行業(yè)、電子電氣行業(yè)、橡膠及塑料工業(yè)、食品工業(yè)、木材與家具 制造業(yè)等領(lǐng)域中。在工業(yè)生產(chǎn)中，弧焊機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人、分配機(jī)器人、裝配機(jī)器 人、噴漆機(jī)器人及搬運(yùn)機(jī)器人等工業(yè)機(jī)器人都已被大量采用。機(jī)器人正在為提高人類(lèi) 的生活 質(zhì)量發(fā)揮著重要的作用。 人類(lèi)的演變長(zhǎng)河中，凡是對(duì)工作強(qiáng)度大，對(duì)人體健康有損害的工種最終都會(huì)被高 科技設(shè)備所替代。噴涂，正是這樣一個(gè)由機(jī)器人替代人工的例子。 1969 年，挪威一家 公司最先嘗試開(kāi)發(fā)，經(jīng)過(guò)數(shù)十年的進(jìn)步，目前技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，并且在汽車(chē)、手機(jī)、 五金衛(wèi)浴等行業(yè)應(yīng)用廣泛。 噴涂機(jī)器人又叫噴漆機(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。噴涂機(jī)器人具備四大優(yōu)點(diǎn)，其一是柔性大。工作范圍大大；其 二是提高噴涂質(zhì)量和材料使用率；其三是易于操作和維護(hù)，可離線編程，大 大的縮短 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)間；其四是設(shè)備利用率高，利用率可達(dá) 90%-95%。噴涂機(jī)器人的大量運(yùn)用 3 極大地解放了在危險(xiǎn)環(huán)境下工作的勞動(dòng)力，也極大提高了汽車(chē)制造企業(yè)的生產(chǎn)效率， 并帶來(lái)穩(wěn)定的噴涂質(zhì)量，降低成品返修率，同時(shí)提高了油漆利用率，減少?gòu)U油漆、廢 溶劑的排放，有助于構(gòu)建環(huán)保的綠色工廠。 從理論價(jià)值來(lái)說(shuō)，噴漆機(jī)器人是集智能化、現(xiàn)代化于一身的先進(jìn)工業(yè)設(shè)備，將運(yùn) 動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、能源、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電器控制及一身的新型設(shè)備。 從應(yīng)用價(jià)值來(lái)說(shuō)，噴漆機(jī)器人能夠研制出來(lái)，對(duì)人類(lèi)在體力勞動(dòng)的解放，用機(jī)器 取代體力勞動(dòng)，代替人去在復(fù)雜的環(huán)境 下進(jìn)行高危作業(yè)。不但可提高工作效率，提高 工作質(zhì)量，而且在構(gòu)建綠色工廠上做出巨大貢獻(xiàn)。 總結(jié)，機(jī)器人的發(fā)展很快，對(duì)人類(lèi)雙手的解放做出了杰出的貢獻(xiàn)。噴漆機(jī)器人可 以在復(fù)雜環(huán)境下代替人類(lèi)去工作，既可以實(shí)現(xiàn)高效率、高質(zhì)量的工作，同時(shí)起到了保 護(hù)人類(lèi)健康的作用。 4目前研究的概況和發(fā)展趨勢(shì) 研究概況 噴涂機(jī)器人又稱(chēng)為噴漆機(jī)器人 （ spray painting robot），是可進(jìn)行噴涂油漆或者其 他材料的工業(yè)設(shè)備。 1969 年由挪威 Trallfa 公司（后并入 ABB 集團(tuán)）發(fā)明。噴涂機(jī)器 人主要由機(jī)器本體，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等 組成，通過(guò)液壓、氣壓或電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，多采 用 5 6 個(gè)關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，手臂有較大的運(yùn)動(dòng)空間，可以進(jìn)行復(fù)雜的軌跡運(yùn)動(dòng)，其執(zhí)行 機(jī)構(gòu)即腕部有 2 3 個(gè)自由度，可以靈活運(yùn)動(dòng)。噴漆機(jī)器人廣泛運(yùn)用于汽車(chē)、儀表、 電器、搪瓷等工藝部門(mén)。 噴涂機(jī)器人具備四大優(yōu)點(diǎn)，其一是柔性大。工作范圍大大；其二是提高噴涂質(zhì)量 和材料使用率；其三是易于操作和維護(hù)，可離線編程，大大的縮短現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)間；其 四是設(shè)備利用率高，利用率可達(dá) 90%-95%。 汽車(chē)噴涂：按是否具有沿著車(chē)身輸送鏈運(yùn)行方向水平移動(dòng)的功能，分為帶軌道式 和固定安裝式機(jī)器人；按安裝位置的不同，分 為落地式和懸臂式機(jī)器人。落地式機(jī)器 人具有易于維護(hù)清潔的優(yōu)點(diǎn)。帶軌道式機(jī)器人則具有工作范圍相對(duì)較大的優(yōu)點(diǎn)。而懸 臂式機(jī)器人則可減少?lài)姺繉挾瘸叽?，達(dá)到減少能耗的作用。機(jī)器人在其它焊接、切割 , 鑄件的清理、加工及表面處理等方面的應(yīng)用 , 也在擴(kuò)大。 (1)點(diǎn)焊：汽車(chē)零件點(diǎn)焊是機(jī)器人應(yīng)用得最早和最多的領(lǐng)域之一。汽車(chē)工業(yè)中的 機(jī)器人點(diǎn)焊 ,已占點(diǎn)焊工作量的 80 %以上。這是由于 ,機(jī)器人本身的位置重復(fù)精度高 , 一般為士 0.5 士 1.0mm,最好的甚至達(dá)士 0.lmm。同時(shí) ,與其配套的焊裝夾具的定位精 4 度也很高 ,能滿足技術(shù)要求 ,且 焊接質(zhì)量好 ,生產(chǎn)效率高。 （ 2）上下料搬運(yùn)：上下料搬運(yùn)是汽車(chē)工業(yè)機(jī)器人的第二大應(yīng)用領(lǐng)域。上下料機(jī) 器人是固定的，而搬運(yùn)機(jī)器人是移動(dòng)的，主要有自移動(dòng)式、吊裝積木式等。 （ 3）噴漆：汽車(chē)噴漆的主要部位是車(chē)身、汽車(chē)底盤(pán)、車(chē)箱等。噴漆機(jī)器人現(xiàn)在 從單機(jī)使用走向了生產(chǎn)線使用。 （ 4）裝配：現(xiàn)在裝配機(jī)器人在汽車(chē)的裝配車(chē)間廣泛的應(yīng)用，其因其裝配精度高， 裝配速度快等優(yōu)勢(shì)，很快占據(jù)汽車(chē)裝配市場(chǎng)。 下面我們主要介紹下噴漆機(jī)器人的研究： 噴漆是目前我國(guó)汽車(chē)工業(yè)中應(yīng)用機(jī)器人最多的領(lǐng)域。主要噴漆部位是車(chē)身和箱。 第二汽車(chē)制造廠車(chē)箱廠采用 兩臺(tái)日本 TOK10CO.ARMSTAR噴漆機(jī)器人 (加長(zhǎng)臂 )和一臺(tái)往 復(fù)機(jī)，它們能完成全部噴漆工作量的 75% 90%(可噴底漆、面漆等 )。在兩班工作制 情況下 ,它們已成功地運(yùn)轉(zhuǎn)了 4 年 ,平均無(wú)故障時(shí)間達(dá) 10Oh 以上 (如不計(jì)人為因素 ,則 平均無(wú)故障時(shí)間達(dá) 300h 以上 )。第二汽車(chē)制造廠車(chē)身廠使用了北京自動(dòng)化研究所研制 的 7 臺(tái)噴漆機(jī)器人、兩臺(tái)頂噴機(jī)兩臺(tái)日本 IWATA 公司的側(cè)噴機(jī) ,它們可完成車(chē)身噴漆 工作量的 80%以上 ,且配有電視監(jiān)督系統(tǒng)。此外 ,第一汽車(chē)制造廠車(chē)箱廠有 1臺(tái) TRALLFA 型噴漆機(jī)器人 ;北京吉普車(chē)公司有 1臺(tái)北京自 動(dòng)化研究所研制的噴漆機(jī)器人 ,北京汽車(chē) 制造廠有 l 臺(tái) ROBOTPJ 一 1 和 1 臺(tái) TRALLFA 噴漆機(jī)器人 ,南京汽車(chē)廠有 1 臺(tái)自制的五 軸噴漆機(jī)器人。 汽車(chē)工業(yè)中 ,國(guó)產(chǎn)機(jī)器人的數(shù)量增加和技術(shù)進(jìn)步都很快。目前 ,我國(guó)機(jī)器人本體技 術(shù)設(shè)計(jì)與制造水平同國(guó)外相比 ,差距不大。其位置重復(fù)精度可達(dá)士 0 .5 mm 左右 ,運(yùn)動(dòng) 學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性基本能夠滿足生產(chǎn)需要 (但機(jī)器人手臂的材質(zhì)不過(guò)關(guān) ,影響了機(jī)器抓 重級(jí)和工作精度 )。通過(guò)引進(jìn)與消化國(guó)外先進(jìn)技術(shù) ,使微型驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電液伺服閥等元 器件的研制和生產(chǎn)得到迅速發(fā)展。我國(guó)對(duì)機(jī)器人人工智能的研究比較重視 ,現(xiàn)已經(jīng)取 得了一定成果。但由于國(guó)產(chǎn)機(jī)器人主要是單機(jī)生產(chǎn) ,價(jià)格一直很高 ;且維修服務(wù)和用 戶技術(shù)培訓(xùn)等配套措施跟不上 ,所以普遍存在故障率高、精度低、操作速度慢等缺點(diǎn)。 發(fā)展趨勢(shì) 目前世界上所有發(fā)達(dá)國(guó)家如美國(guó)、日本、蘇聯(lián)、西德等 , 都把發(fā)展機(jī)器人技術(shù)或 智能自動(dòng)化控制技術(shù)擺在科技發(fā)展戰(zhàn)略中最優(yōu)的地位推廣。各國(guó)政府都在采取一切 鼓勵(lì)措施 ,對(duì)機(jī)器人技術(shù)的開(kāi)發(fā)與利用給予極大的關(guān)注。譬如在捷克斯洛伐克 ,對(duì)生產(chǎn) 單位國(guó)家除撥給專(zhuān)款 ,改造和更新設(shè)備使之適合生產(chǎn)機(jī)器人需要外 ,還給予價(jià)格補(bǔ)貼 , 5 以彌補(bǔ)機(jī)器人的生產(chǎn)成本與售價(jià)之間的差額 。采用單位可獲得價(jià)格優(yōu)惠 ,并可得到年息 低于 4%的貨款 ,貸款可長(zhǎng)達(dá) 5 年之久 , 還可加快折舊提成 ,企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)和設(shè)計(jì)人員可獲 得物質(zhì)獎(jiǎng)勵(lì)。由于各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家采取一系列鼓勵(lì)政策 ,機(jī)器人技術(shù)發(fā)展很快。如美國(guó) 華盛頓州里奇蘭的巴特爾太平洋西北實(shí)驗(yàn)室正研制一種最復(fù)雜最尖端的計(jì)算機(jī)控制 的酷似真人的機(jī)器人。這個(gè)取名為曼尼的機(jī)器人 ,從四肢、軀干到整個(gè)形體的大小部位 都與人體非常類(lèi)似。它能摸擬人體的復(fù)雜活動(dòng)如姿態(tài)、呼吸、體內(nèi)體表溫度和出汗等。 人類(lèi)發(fā)展到今天 , 經(jīng)歷了一段長(zhǎng)期曲折的道路 ,大約每隔 100 年就有一次革新運(yùn)動(dòng) ,現(xiàn) 在正處于第三 次革新浪潮中 ,估計(jì)到本世紀(jì)末將可能卷入到以“機(jī)器人革命”為基礎(chǔ)的 浪潮中去 ,這必將以第五代計(jì)算機(jī)的實(shí)用化為轉(zhuǎn)機(jī) ,迎來(lái)一場(chǎng)“向機(jī)械電子人接近”的 風(fēng)暴。智能機(jī)器人進(jìn)工廠、農(nóng)場(chǎng)、戰(zhàn)場(chǎng)、太空、商店及家庭的時(shí)代為期不遠(yuǎn)了?，F(xiàn)在 就主要工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家機(jī)器人技術(shù)發(fā)展概況分述于后。 自工業(yè)機(jī)器人出現(xiàn)以來(lái) , 汽車(chē)工業(yè)就一直是其最重要的市場(chǎng)。第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人 UNIMAT 就安裝在美國(guó)通用汽車(chē)公司。機(jī)器人應(yīng)用早期 , 汽車(chē)工業(yè)對(duì)機(jī)器人的需求量 占機(jī)器人市場(chǎng)份額的 50 %以上 ,目前占 3 5 %。自機(jī)器人誕生以來(lái)的三十年中，它已由 一般 性可編程示教再現(xiàn)式機(jī)器人 , 發(fā)展到數(shù)控式機(jī)器人或智能化機(jī)器人。其控制系統(tǒng) 已由簡(jiǎn)單的機(jī)械裝置發(fā)展到復(fù)雜的電子計(jì)算機(jī)控制 ; 結(jié)構(gòu)型式由單級(jí)發(fā)展到多級(jí)結(jié) 構(gòu) ; 應(yīng)用領(lǐng)域也有了很大擴(kuò)展。機(jī)器人在汽車(chē)工業(yè)中的應(yīng)用有著很大優(yōu)勢(shì)和廣闊的 前景。 目前世界各國(guó)所使用的機(jī)器人尚屬第一、第二代機(jī)器人。而第三代機(jī)器人正是當(dāng) 前主攻的方向 , 一旦第五代計(jì)算機(jī)研制成功 , 則機(jī)器人的智能化程度更高、功能更完 善。 (一 ) 從機(jī)器人工業(yè)這方面來(lái)說(shuō)有三種趨勢(shì)： 1、大型化趨勢(shì)：大型化是指機(jī)器人制造廠經(jīng)調(diào)整組合 , 主要制造廠家規(guī)模越來(lái)越 大。 如瑞典 ASEA 公司在 15 個(gè)國(guó)家設(shè)有機(jī)器人中心 ,并在美國(guó)、西班牙和法國(guó)設(shè)立分 廠 ,機(jī)器人銷(xiāo)售額達(dá) 7 千萬(wàn)美元。近年來(lái)機(jī)器人制造業(yè)出現(xiàn)兼并現(xiàn)象。如世界著名的噴 漆機(jī)器人生產(chǎn)廠 挪威的 Trallfa 公司被瑞典的 AsEA 公司兼并 ,美國(guó) uinmaiton 公司可 控制美國(guó)機(jī)器人市場(chǎng)的 50 %。有關(guān)專(zhuān)家預(yù)言到 1996 年世界將有大批機(jī)器人工廠倒閉 , 機(jī)器人本體生產(chǎn)將集中在幾家大公司。 2 、微型化趨勢(shì)這種趨勢(shì)主要在日本體現(xiàn)明顯。日本的三百個(gè)機(jī)器人廠家中 ,資金 在 10 億以下的中小企業(yè)約占 60%。這些小企業(yè)雇員一般少于 12 人。小廠與大廠 在產(chǎn) 6 品上互相配合 ,才不會(huì)被大廠擠垮。 3 、電子化趨勢(shì)近年來(lái) ,日、美的電子電器廠紛紛進(jìn)入機(jī)器人產(chǎn)業(yè)中 , 開(kāi)始成為機(jī) 器人產(chǎn)生中的主體。如 1985 年 ,日本機(jī)器人產(chǎn)業(yè)中 ,電子電器廠家占廠家總數(shù)的 62%。 （二）機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)據(jù)專(zhuān)家預(yù)側(cè) :機(jī)器人技術(shù)在未來(lái) 15 年內(nèi)將進(jìn)入一個(gè) 新時(shí)期 ,其發(fā)展趨勢(shì)為： 材料 :機(jī)器人材料趨向輕型化和高強(qiáng)度化 ,包括有機(jī)材料和無(wú)機(jī)材料 ,而純金屬型 機(jī)器人將日益減少。形狀記憶合金新材料視為第三代機(jī)器人的突破口。 功力 :趨于輕型能源。包括使用核能和燃料電池 ,以減輕重量提高機(jī)器人的靈活性。 傳 動(dòng)構(gòu)件 :趨于高效、輕便和高度自動(dòng)化傳動(dòng)的控制機(jī)構(gòu) ,并且形式多種多樣。傳 感器系統(tǒng) :工作更可靠、準(zhǔn)確 ,并將廣泛采用視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)傳感器 ,來(lái)提高辯識(shí)能力。 控制系統(tǒng) :趨于采用微電腦控制 ,大幅度降低研制成本。 通訊系統(tǒng) :日趨于遙控、采用光纜和無(wú)線電通訊。工作方式 :采用非機(jī)械加工方法 如激光來(lái)切割、焊接或其它高能加工法。 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu) :將采用生物機(jī)械設(shè)計(jì)概念 ,驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)趨于擬人化和高級(jí)化。 軟件 : 發(fā)展專(zhuān)門(mén)機(jī)器人語(yǔ)言 ,其設(shè)計(jì)趨向標(biāo)準(zhǔn)化和簡(jiǎn)單化。 集成系統(tǒng) :實(shí)現(xiàn)人 機(jī)對(duì)話 ,更好地與外部設(shè)備相連接。 精密裝配機(jī)器人 :主 要用在汽車(chē)裝配、計(jì)算機(jī)、彩電、手表、大規(guī)模集成電路等 裝配線機(jī)器人。 據(jù)稱(chēng)瑞典 AsEA 公司生產(chǎn)的 IRB 一 100 型精密裝配機(jī)器人是世界上最快速的機(jī)器 人。目前正努力使裝配機(jī)器人能適應(yīng)工作節(jié)拍更快、環(huán)境有變化的、更精密的裝配線。 水下機(jī)器人：目前水下機(jī)器人多采用有纜遙控方式 ,通過(guò)系纜輸出能源和交換信 息。而系纜又嚴(yán)重地影響水下機(jī)器人的工作范圍與活動(dòng)能力。因而研制各種無(wú)纜自治 式智能水下機(jī)器人是當(dāng)今世界深潛器的發(fā)展方向。法國(guó)、英國(guó)和意大利等都研制出不 同程度的無(wú)纜水下機(jī)器人。 7 二、論文（設(shè)計(jì)）研究的內(nèi)容 1.重點(diǎn)解決 的問(wèn)題 （ 1） 噴漆機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的搭建 . （ 2）噴漆機(jī)器人噴漆工作的實(shí)現(xiàn)方式 . （ 3）噴漆機(jī)器人的智能控制手段 （ 4） Arduino 控制系統(tǒng)的組成及其端口的應(yīng)用 . （ 5）控制系統(tǒng)與機(jī)械系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合 2.擬開(kāi)展研究的幾個(gè)主要方面（論文寫(xiě)作大綱或設(shè)計(jì)思路） 首先通過(guò)查閱大量的相關(guān)資料，在論文前面要突出地介紹一下樹(shù)干噴涂機(jī)械系 統(tǒng)；并說(shuō)明其現(xiàn)在的研究成果以及今后的發(fā)展趨勢(shì) 25。本研究主要從樹(shù)干噴涂機(jī)器人 的信息捕捉、信息處理、路線優(yōu)化、噴漆功能的實(shí)現(xiàn)、系統(tǒng)的整體控制等方面著手工 作，最終做出相應(yīng)的產(chǎn)品。并在最 后在撰寫(xiě)文章的時(shí)候可以對(duì)其進(jìn)行推廣，把噴涂機(jī) 器人應(yīng)用到更廣泛的領(lǐng)域中去。 1緒論 1.1 課題研究背景 1.2 工業(yè)機(jī)器人 的國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀 1.3 課題研究?jī)?nèi)容 1.4 本章小結(jié) 2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.1 機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)擬采用設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì) 2.2 傳感系統(tǒng)擬采用設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì) 2.3 控制系統(tǒng)擬采用設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì) 2.4 本章小結(jié) 3系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)計(jì)算 3.1 Arduino 控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介 3.2 電機(jī)選型 3.3 車(chē)體尺寸設(shè)計(jì) 3.4 噴涂機(jī)械手臂及龍門(mén)架設(shè)計(jì) 3.5 傳感器選型 3.6 傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8 3.7 本章小結(jié) 4系統(tǒng) 三維 建模 及其功能 4.1 機(jī)械 系統(tǒng)架構(gòu) 4.2 機(jī)械系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能 4.3 傳感系統(tǒng)構(gòu)架 4.4 傳感系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能 4.5 控制系統(tǒng)構(gòu)架 4.6 本章小結(jié) 5仿真分析 5.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核 5.2 運(yùn)動(dòng)分析 5.3 運(yùn)動(dòng)仿真 5.4 系統(tǒng)測(cè)試 5.5 本章小結(jié) 6.畢業(yè)設(shè)計(jì)感想 7.附錄 3.本論文（設(shè)計(jì)）預(yù)期取得的成果 (1)噴涂機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) (2)系統(tǒng)總體裝配圖及零件圖 (3)系統(tǒng)控制程序設(shè)計(jì) 9 三、論文（設(shè)計(jì)）工作安排 1.擬采用的主要研究方法（技術(shù)路線或設(shè)計(jì)參數(shù)） 第一步：通過(guò) Solickworks 三維設(shè)計(jì)軟件，將機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 第二步：基于工作室的平臺(tái)搭建機(jī)器人。 第三步：應(yīng)用 Arduino 控制系統(tǒng)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制檢測(cè)各方面的性能。 第四步：將超聲波傳感器、視覺(jué)傳感器等傳感器安裝在機(jī)器人上。 第五步：設(shè)置模擬日常樹(shù)干涂白工作環(huán)境，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行實(shí)際的檢驗(yàn)。 第六步：撰寫(xiě)研究成果報(bào)告。 2.論文（設(shè)計(jì)）進(jìn)度計(jì)劃 第 一 周： 查 閱相關(guān)文獻(xiàn)，收集資料，了解設(shè)計(jì)內(nèi)容 。 第 二 周： 閱讀 參考 文獻(xiàn) ， 明確 設(shè)計(jì) 內(nèi)容 及 方案 。 第三周 ： 總體方案設(shè)計(jì)，撰寫(xiě)開(kāi)題報(bào)告 。 第四周 ： 修改 及 完善 開(kāi)題報(bào)告 ， 擬定 設(shè)計(jì) 方案 。 第五周 ： 分析 設(shè)計(jì) 方案 可行性 ， 并做 修改 。 第六周 ： 各機(jī)構(gòu) 具體 設(shè)計(jì) 方案 分析 。 第七周 ： 分塊 進(jìn)行 機(jī)構(gòu) 設(shè)計(jì) ， 完善 設(shè)計(jì) 方案 。 第八周 ： 對(duì) 設(shè)計(jì) 方案 進(jìn)行 三維 構(gòu)圖 設(shè)計(jì) 。 第九周 ： 對(duì) 機(jī)構(gòu) 三維 設(shè)計(jì) 進(jìn)行 分析 ， 檢查 功能 。 第十周 ： 進(jìn)行 控制 部分 傳感器 選型 ， 及 三維 構(gòu)圖 。 第十一周 ： 將 控制 部分 與 機(jī)械 結(jié)構(gòu) 合并 。 第十二周 ： 對(duì) 這個(gè) 設(shè)計(jì) 進(jìn)行 分析 ， 檢查 是否 能夠 完成 預(yù)定 功能 。 第十三周 ： 進(jìn)行 運(yùn)動(dòng) 分析 ， 對(duì) 發(fā)現(xiàn)的 問(wèn)題 做 修改 。 第十四周 ： 參照 系統(tǒng) ， 撰寫(xiě) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 。 第十五周 ： 完善 畢業(yè) 論文 。 第十六 周 ： 準(zhǔn)備 答辯 內(nèi)容 ， 參加 畢業(yè) 答辯 。 10 四、需要閱讀的參考文獻(xiàn) 1 熊宣明 江蘇省揚(yáng)州技師學(xué)院 . 工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀與未來(lái)趨勢(shì) J. 農(nóng)村經(jīng)濟(jì) 與科技 2016 年第 27 卷第 22 期（總第 402 期） 2 計(jì)時(shí)鳴，黃希歡 浙江工業(yè)大學(xué) 特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部 /浙江省重 點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 . 工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用綜述 J. 第 32 卷第 1 期 2015 年 1 月 . 3 張紅霞 武漢商學(xué)院機(jī)電工程與汽車(chē)服務(wù)學(xué)院 . 國(guó)內(nèi)外工業(yè)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀與趨 勢(shì)研究 J. 探索與觀察 4 陳榮祥 劉霄惠 渝州大學(xué) 自電系 .國(guó)外機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展 J. 渝 州大學(xué)學(xué) 報(bào)（自然科學(xué)版）， 1990 年 第 1.2 期 . 5 王世禮 上海交通大學(xué) 來(lái)可偉 第二汽車(chē)制造廠 . 機(jī)器人技術(shù)在汽車(chē)工業(yè)中的應(yīng) 用 J. 6 楊書(shū)評(píng)，宮迎輝，王海丹，王思斯 北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化所 . 機(jī)器人自動(dòng)化及生 產(chǎn)線關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)研究 J. 中圖分類(lèi)號(hào)： TP242 7 趙俊英 ,戈美凈 ,王青云 ,溫國(guó)強(qiáng)天津中德職業(yè)技術(shù)學(xué)院 . 機(jī)器人自動(dòng)噴涂系統(tǒng)的 方案設(shè)計(jì)與三維建模 M. 中圖分類(lèi)號(hào)： TP242.2. 8 張麗娟 蘭州工業(yè)學(xué)院 .基于凱恩方法的 6 機(jī)器人動(dòng)力學(xué)建模與仿真 .自動(dòng)化與 儀器儀表 2016 年第 4 期 ( 總第 198 期 ). 9 ABB 機(jī)器人部供稿 . 綠色機(jī)器人 以機(jī)器人為基礎(chǔ)的自動(dòng)化幫助塑料工業(yè)實(shí)現(xiàn)增 效節(jié)能 . 10 戢磷 樂(lè)山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 .面向中國(guó)制造 2025 的先進(jìn)制造技術(shù)課程教學(xué)研究 培養(yǎng)掌握新型工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用與維修技術(shù)的高職人才 民普新技 2015年 11 吳孝園 國(guó)家機(jī)械工業(yè)委員會(huì)第四設(shè)計(jì)院。噴涂機(jī)器人 涂料工業(yè) J 1988 年 12 梅江平 ,楊志永 ,張大衛(wèi) .天津大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 ,噴漆機(jī)器人尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)及控 制系統(tǒng)總體規(guī)劃 13. 郭 武 .第二汽車(chē)制造廠車(chē)箱廠 . 噴漆機(jī)器人的功能、選型及應(yīng)用 J 機(jī)器人 1990 年 14 徐其元，欒尊祿，孫漢旭 . 北京實(shí)驗(yàn)工廠 .噴漆機(jī)器人關(guān)節(jié)模 型的閉環(huán)參數(shù)辨識(shí) 15 A motion sensing-based framework for robotic manipulation . Hao Deng1,2, Zeyang Xia1,2* , Shaokui Weng1,2, Yangzhou Gan1,2, Peng Fang1,2 and Jing Xiong1 Deng et al. Robot. Biomim. (2016) 3:23 16 Gantry Robot with Extended Workspace for Pavement Sign Painting Operations. Daehie Hong Journal of Mechanical Science and Technology (KSME Int. J.) 17 孟慧杰，尹志新 .廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 噴漆機(jī)器人工藝分析及優(yōu)化研究 J設(shè) 計(jì)與研究 18 王育哲 . 上海大眾汽車(chē)有限公司 . 噴漆機(jī)器人在汽車(chē)車(chē)身涂裝中的應(yīng)用 J china-coating 2007 年 4 月 11 19 呂永軍，劉 峰，鄭飂默，孫一蘭 . 通用和修正 D-H 法在運(yùn)動(dòng)學(xué)建模 中的應(yīng) 用分析 . 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用 2016 年第 25 卷 第 5 期 20 王小剛，紀(jì)慎之 . 中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所 . 我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)品的研制與開(kāi)發(fā) . 中國(guó)工程師 1995 年 2 月 21 陳欠根， 1, 2,彭南華 .中南大學(xué)現(xiàn)代復(fù)雜裝備設(shè)計(jì)與極端制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 一種經(jīng)濟(jì)型噴漆機(jī)器人設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 . 現(xiàn)代制造工程 22 A Novel Trajectory Planning Scheme for Parallel Machining Robots Enhanced with NURBS Curves Javad JahanpourMehdi Motallebi Mojtaba Porghoveh J Intell Robot Syst (2016) 82:257 275 23 On Events in Multi-Robot Patrol in Adversarial Environments Noa Agmon 24 OPTIMAL VELOCITY TRAJECTORY GENERATION FOR SPRAY PAINTING ROBOT IN OFFLINE MODE ， Mayur V Andulkar Shital S Chiddarwar Anshul K Paigwa， Department of Mechanical Engineering, Visvesvaraya National Institute of Technology, Nagpur 25 Workspace and dynamic performance evaluation of the parallel manipulators in a spray-painting equipment, Jun Wu, Ying Gao , Binbin Zhang,Li Pi wang, Robotics and Computer-Integrated Manufacturing 44 (2017) 199 207 12 文獻(xiàn)綜述 1.Arduino 平臺(tái) 簡(jiǎn)介 Arduino 是源自意大利的一個(gè)教學(xué)用開(kāi)源硬件項(xiàng)目，主要是為希望嘗試創(chuàng)建交互 式物理對(duì)象的實(shí)踐者、喜歡創(chuàng)造發(fā)明的人及藝術(shù)家所構(gòu)建的，它秉承開(kāi)源硬件思想， 程序開(kāi)發(fā)接口免費(fèi)下載，也可依需求自己修改。其硬件系統(tǒng)是高度模塊化的，通過(guò) USB 接口與計(jì)算機(jī)連接，包括 14 通道數(shù)字輸入 /輸出，其中包括 6 通道 PWM 輸出、 6 通道 10 位 ADC 模擬輸入 /輸出通道，電源電壓主要有 5V 和 3.3V。在核心控制板的外 圍，有開(kāi)關(guān)量輸入輸出模塊、各種模擬量傳感器輸入模塊、總線類(lèi)傳感器的輸入模 塊，還有網(wǎng)絡(luò)通信模塊，只要在核心控制板上增加網(wǎng)絡(luò)控制模塊，就可以容易地與 互聯(lián)網(wǎng)連接。 Arduino 還提供了自己的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，支持 Windows、 Linux、 MacOS 等 主流的操作系統(tǒng)。 Arduino 系統(tǒng)是基于單片機(jī)開(kāi)發(fā)的，并且大量應(yīng)用通用和標(biāo)準(zhǔn)的電 子元器件，包括硬件和軟件在內(nèi)的整個(gè)設(shè) 計(jì)，代碼均采用開(kāi)源方式發(fā)布，因此采購(gòu) 的成本較低，在各種電子制作競(jìng)賽、電子藝術(shù)品創(chuàng)意設(shè)計(jì)等越來(lái)越多地使用 Arduino 作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)。甚至可以接受 Macromedia Flash 軟件制作的動(dòng)畫(huà)發(fā)送的信號(hào) , 并由 此來(lái)控制一些動(dòng)作器件 (如舵機(jī)等 )。 2.Arduino 互動(dòng)媒體開(kāi)發(fā) 正是由于 Arduino 易于使用，才能使用戶或開(kāi)發(fā)者把精力關(guān)注于設(shè)計(jì)本身。 Arduino 甚至提供了自己的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，這種借鑒了 C/C+和 Java 的語(yǔ)言，對(duì)于有一 定 Flash 的 ActionScript 腳本的開(kāi)發(fā)者也相對(duì)容易掌握。再次， Arduino 基于單片 機(jī)開(kāi)發(fā)，并且大量應(yīng)用通用和標(biāo)準(zhǔn)的電子元器件，包括硬件和軟件在內(nèi)的整個(gè)設(shè)計(jì)， 代碼均采用開(kāi)源方式發(fā)布，因此采購(gòu)的成本較低。由于開(kāi)源（ open source）的緣故， Arduino 周邊聚集豐富的外圍軟件庫(kù)和硬件控制器、傳感器。另外， Arduino 可以支 持 Windows、 Linux、 MacOS 等主流的操作系統(tǒng)。綜上所述，互動(dòng)媒體的制作者擁有 更多的自由度，為互動(dòng)媒體的創(chuàng)作奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。利用 Arduino 提高 Flash 的互 動(dòng)能力的途徑有很多，比如利用聲音傳感器、紅外傳感器、重力傳感器等。作為互 動(dòng)媒體 而言，其主要特征是通過(guò)與周?chē)h(huán)境的交流、反饋來(lái)展現(xiàn)自身內(nèi)容，而各種 類(lèi)型的傳感器能很好地傳達(dá)環(huán)境給予的各類(lèi)刺激。 3.工業(yè)機(jī)器人發(fā)展 自工業(yè)機(jī)器人出現(xiàn)以來(lái) , 汽車(chē)工業(yè)就一直是其最重要的市場(chǎng)。第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器 人 UNIMAT 就安裝在美國(guó)通用汽車(chē)公司。機(jī)器人應(yīng)用早期 , 汽車(chē)工業(yè)對(duì)機(jī)器人的需求 13 量 占機(jī)器人市場(chǎng)份額的 50 %以上 ,目前占 3 5 %。自機(jī)器人誕生以來(lái)的三十年中， 它已由一般性可編程示教再現(xiàn)式機(jī)器人 , 發(fā)展到數(shù)控式機(jī)器人或智能化機(jī)器人。其 控制系統(tǒng) 已由簡(jiǎn)單的機(jī)械裝置發(fā)展到復(fù)雜的電子計(jì)算機(jī)控制 ; 結(jié)構(gòu)型式由單 級(jí)發(fā) 展到多級(jí)結(jié)構(gòu) ; 應(yīng)用領(lǐng)域也有了很大擴(kuò)展。機(jī)器人在汽車(chē)工業(yè)中的應(yīng)用有著很大優(yōu) 勢(shì)和廣闊的 前景。 目前世界各國(guó)所使用的機(jī)器人尚屬第一、第二代機(jī)器人。而第三代機(jī)器人正是 當(dāng)前主攻的方向 , 一旦第五代計(jì)算機(jī)研制成功 , 則機(jī)器人的智能化程度更高、功能 更完善。 4.噴漆機(jī)器人簡(jiǎn)介 噴涂機(jī)器人又稱(chēng)為噴漆機(jī)器人 （ spray painting robot），是可進(jìn)行噴涂油漆或 者其他材料的工業(yè)設(shè)備。 1969 年由挪威 Trallfa 公司（后并入 ABB 集團(tuán)）發(fā)明。噴 涂機(jī)器人主要由機(jī)器本體，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等組成，通過(guò)液壓、氣壓或電 機(jī)進(jìn)行驅(qū) 動(dòng)，多采用 5 6 個(gè)關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，手臂有較大的運(yùn)動(dòng)空間，可以進(jìn)行復(fù)雜的軌跡運(yùn)動(dòng)， 其執(zhí)行機(jī)構(gòu)即腕部有 2 3 個(gè)自由度，可以靈活運(yùn)動(dòng)。噴漆機(jī)器人廣泛運(yùn)用于汽車(chē)、 儀表、電器、搪瓷等工藝部門(mén)。 噴涂機(jī)器人具備四大優(yōu)點(diǎn)，其一是柔性大。工作范圍大大；其二是提高噴涂質(zhì) 量和材料使用率；其三是易于操作和維護(hù)，可離線編程，大大的縮短現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)間； 其四是設(shè)備利用率高，利用率可達(dá) 90%-95%。 汽車(chē)噴涂機(jī)器人：按是否具有沿著車(chē)身輸送鏈運(yùn)行方向水平移動(dòng)的功能，分為 帶軌道式和固定安裝式機(jī)器人；按安裝位置的不同，分為落地式和懸臂式機(jī) 器人。 落地式機(jī)器人具有易于維護(hù)清潔的優(yōu)點(diǎn)。帶軌道式機(jī)器人則具有工作范圍相對(duì)較大 的優(yōu)點(diǎn)。而懸臂式機(jī)器人則可減少?lài)姺繉挾瘸叽?，達(dá)到減少能耗的作用。機(jī)器人在 其它焊接、切割 , 鑄件的清理、加工及表面處理等方面的應(yīng)用 , 也在擴(kuò)大。 5.噴涂機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 主體噴涂機(jī)構(gòu)由噴涂機(jī)械手臂、龍門(mén)架及對(duì)應(yīng)的支撐運(yùn)動(dòng)等部分組成。其中噴 涂機(jī)械手臂是噴涂部分的主要結(jié)構(gòu)，其上裝有紅外線傳感器和噴頭，在俯仰關(guān)節(jié)的 帶動(dòng)下，噴涂機(jī)械手臂可以進(jìn)行俯仰運(yùn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)噴涂機(jī)械手臂的收放，以便在行 走過(guò)程中放下手臂，減少機(jī)構(gòu)的空間占用。噴涂機(jī)械手臂可以 在縱向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng) 下與龍門(mén)架一起，實(shí)現(xiàn)噴涂機(jī)械手臂伸縮運(yùn)動(dòng)以調(diào)整機(jī)器人與樹(shù)木之間的距離；噴 涂機(jī)械手臂也在鏈條的帶動(dòng)下沿龍門(mén)架上的導(dǎo)軌上下運(yùn)動(dòng)，在上下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)樹(shù) 14 進(jìn)行噴涂。主體噴涂機(jī)構(gòu)安裝在帶有四輪的移動(dòng)小車(chē)上，小車(chē)具有避震機(jī)構(gòu)，其轉(zhuǎn) 向利用左右輪速差實(shí)現(xiàn)。 6.傳感器選型 紅外線又稱(chēng)紅外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性質(zhì)。任何物質(zhì)， 只要它本身具有一定的溫度 (高于絕對(duì)零度 )，都能輻射紅外線。紅外線傳感器測(cè)量 時(shí)不與被測(cè)物體直接接觸，因而不存在摩擦，并且有靈敏度高，反應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。 紅外線傳感器包 括光學(xué)系統(tǒng)、檢測(cè)元件和轉(zhuǎn)換電路。光學(xué)系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)不同可分 為透射式和反射式兩類(lèi)。檢測(cè)元件按工作原理可分為熱敏檢測(cè)元件和光電檢測(cè)元件。 熱敏元件應(yīng)用最多的是熱敏電阻。熱敏電阻受到紅外線輻射時(shí)溫度升高，電阻發(fā)生 變化 (這種變化可能是變大也可能是變小，因?yàn)闊崦綦娮杩煞譃檎郎囟认禂?shù)熱敏電阻 和負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻 )，通過(guò)轉(zhuǎn)換電路變成電信號(hào)輸出。光電檢測(cè)元件常用的是光 敏元件，通常由硫化鉛、硒化鉛、砷化銦、砷化銻、碲鎘汞三元合金、鍺及硅摻雜 等材料制成。 紅外線傳感器依動(dòng)作可分為 : (1) 將紅外線一部份變換為熱，藉熱取出電阻值變化 及電動(dòng)勢(shì)等輸出信號(hào)之熱 型。 (2) 利用半導(dǎo)體遷徙現(xiàn)象吸收能量差之光電效果及利用因 PN 接合之光電動(dòng)勢(shì) 效果的量子型。 15 審 核 意 見(jiàn) 指導(dǎo)教師評(píng)閱意見(jiàn) （對(duì)選題情況、研究?jī)?nèi)容、工作安排、文獻(xiàn)綜述等方面進(jìn)行評(píng) 閱） 簽字： 年 月 日 教研室主任意見(jiàn) 簽字： 年 月 日 學(xué)院教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)意見(jiàn) 簽字： 年 月 日 公章： 開(kāi)題報(bào)告 論 文 題 目： 基于 Arduino 樹(shù)干噴漆機(jī)器人設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 專(zhuān) 業(yè) 、班 級(jí)： 學(xué) 生 姓 名： 指導(dǎo)教師（職稱(chēng)）： 2016 年 12 月 26 日填 一、選題依據(jù) 1．論文（設(shè)計(jì)）題目： 基于 Arduino 樹(shù)干噴漆機(jī)器人設(shè)計(jì) 2．研究領(lǐng)域： 機(jī)器人結(jié)構(gòu)及傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3．論文（設(shè)計(jì)）工作的理論意義和應(yīng)用價(jià)值 工業(yè)機(jī)器人是集機(jī)械、電子、控制、計(jì) 算機(jī)、傳感器、人工智能等多學(xué)科先進(jìn) 技術(shù) 于一體的現(xiàn)代制造業(yè)重要的自動(dòng)化裝備。自從 1962 年美國(guó)研制出世界上第一臺(tái) 工業(yè)機(jī)器人以來(lái)，機(jī)器人技術(shù)及其產(chǎn)品發(fā)展很快，已成為柔性制造系統(tǒng)(FMS)、自動(dòng) 化工廠(FA)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)的自動(dòng)化工具。廣泛采用工業(yè)機(jī)器人，不僅可提高產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量，而且對(duì)保障人身安全，改善勞動(dòng)環(huán)境，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，節(jié)約原材料消耗以及降低生產(chǎn)成本，有著十分重要的意義。和計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一樣，工業(yè)機(jī)器人的廣泛應(yīng)用正在日益改變著人類(lèi)的生產(chǎn)和生活方式。 經(jīng)過(guò)五十多年的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人已在越來(lái)越多的領(lǐng)域得到了應(yīng)用。在制造業(yè)中，尤其是在汽車(chē)產(chǎn)業(yè)中，工業(yè)機(jī)器人得到了廣泛的應(yīng)用。 如在毛坯制造、機(jī)械加工、焊接、熱處理、表面 涂覆、上下料、裝配、檢測(cè)及倉(cāng)庫(kù)堆垛等作業(yè)中，機(jī)器人都已逐步取代了人工作業(yè)。隨著工業(yè)機(jī)器人向更深更廣方向的發(fā)展 以及機(jī)器人智能化水平的提高，機(jī)器人的應(yīng)用范周還在不斷地?cái)U(kuò)大，已從汽車(chē)制造業(yè)推廣到其他制造業(yè)，進(jìn)而推廣到機(jī)械加工行業(yè)、電子電氣行業(yè)、橡膠及塑料工業(yè)、食品工業(yè)、木材與家具制造業(yè)等領(lǐng)域中。在工業(yè)生產(chǎn)中，弧焊機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人、分配機(jī)器人、裝配機(jī)器人、噴漆機(jī)器人及搬運(yùn)機(jī)器人等工業(yè)機(jī)器人都已被大量采用。機(jī)器人正在為提高人類(lèi)的生活 質(zhì)量發(fā)揮著重要的作用。 人類(lèi)的演變長(zhǎng)河中，凡是對(duì)工作強(qiáng)度大，對(duì)人體健康有損害的工種最終都會(huì)被高 科技設(shè)備所替代。噴涂，正是這樣一個(gè)由機(jī)器人替代人工的例子。1969 年，挪威一家 公司最先嘗試開(kāi)發(fā)，經(jīng)過(guò)數(shù)十年的進(jìn)步，目前技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，并且在汽車(chē)、手機(jī)、 五金衛(wèi)浴等行業(yè)應(yīng)用廣泛。 噴涂機(jī)器人又叫噴漆機(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。噴涂機(jī)器人具備四大優(yōu)點(diǎn)，其一是柔性大。工作范圍大大；其 二是提高噴涂質(zhì)量和材料使用率；其三是易于操作和維護(hù)，可離線編程，大大的縮短 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)間；其四是設(shè)備利用率高，利用率可達(dá) 90%-95%。噴涂機(jī)器人的大量運(yùn)用 2 極大地解放了在危險(xiǎn)環(huán)境下工作的勞動(dòng)力，也極大提高了汽車(chē)制造企業(yè)的生產(chǎn)效率， 并帶來(lái)穩(wěn)定的噴涂質(zhì)量，降低成品返修率，同時(shí)提高了油漆利用率，減少?gòu)U油漆、廢 溶劑的排放，有助于構(gòu)建環(huán)保的綠色工廠。 從理論價(jià)值來(lái)說(shuō)，噴漆機(jī)器人是集智能化、現(xiàn)代化于一身的先進(jìn)工業(yè)設(shè)備，將運(yùn) 動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、能源、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電器控制及一身的新型設(shè)備。 從應(yīng)用價(jià)值來(lái)說(shuō)，噴漆機(jī)器人能夠研制出來(lái)，對(duì)人類(lèi)在體力勞動(dòng)的解放，用機(jī)器 取代體力勞動(dòng)，代替人去在復(fù)雜的環(huán)境下進(jìn)行高危作業(yè)。不但可提高工作效率，提高 工作質(zhì)量，而且在構(gòu)建綠色工廠上做出巨大貢獻(xiàn)。 總結(jié)，機(jī)器人的發(fā)展很快，對(duì)人類(lèi)雙手的解放做出了杰出的貢獻(xiàn)。噴漆機(jī)器人可 以在復(fù)雜環(huán)境下代替人類(lèi)去工作，既可以實(shí)現(xiàn)高效率、高質(zhì)量的工作，同時(shí)起到了保 護(hù)人類(lèi)健康的作用。 4．目前研究的概況和發(fā)展趨勢(shì) 研究概況 噴涂機(jī)器人又稱(chēng)為噴漆機(jī)器人（spray painting robot），是可進(jìn)行噴涂油漆或者其 他材料的工業(yè)設(shè)備。1969 年由挪威 Trallfa 公司（后并入 ABB 集團(tuán)）發(fā)明。噴涂機(jī)器 人主要由機(jī)器本體，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等組成，通過(guò)液壓、氣壓或電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，多采 用 5—6 個(gè)關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，手臂有較大的運(yùn)動(dòng)空間，可以進(jìn)行復(fù)雜的軌跡運(yùn)動(dòng)，其執(zhí)行 機(jī)構(gòu)即腕部有 2—3 個(gè)自由度，可以靈活運(yùn)動(dòng)。噴漆機(jī)器人廣泛運(yùn)用于汽車(chē)、儀表、 電器、搪瓷等工藝部門(mén)。 噴涂機(jī)器人具備四大優(yōu)點(diǎn)，其一是柔性大。工作范圍大大；其二是提高噴涂質(zhì)量 和材料使用率；其三是易于操作和維護(hù)，可離線編程，大大的縮短現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)間；其 四是設(shè)備利用率高，利用率可達(dá) 90%-95%。 汽車(chē)噴涂：按是否具有沿著車(chē)身輸送鏈運(yùn)行方向水平移動(dòng)的功能，分為帶軌道式 和固定安裝式機(jī)器人；按安裝位置的不同，分為落地式和懸臂式機(jī)器人。落地式機(jī)器 人具有易于維護(hù)清潔的優(yōu)點(diǎn)。帶軌道式機(jī)器人則具有工作范圍相對(duì)較大的優(yōu)點(diǎn)。而懸 臂式機(jī)器人則可減少?lài)姺繉挾瘸叽?，達(dá)到減少能耗的作用。機(jī)器人在其它焊接、切割, 鑄件的清理、加工及表面處理等方面的應(yīng)用, 也在擴(kuò)大。 (1)點(diǎn)焊：汽車(chē)零件點(diǎn)焊是機(jī)器人應(yīng)用得最早和最多的領(lǐng)域之一。汽車(chē)工業(yè)中的 機(jī)器人點(diǎn)焊,已占點(diǎn)焊工作量的 80 %以上。這是由于,機(jī)器人本身的位置重復(fù)精度高, 一般為士 0.5—士 1.0mm,最好的甚至達(dá)士 0.lmm。同時(shí),與其配套的焊裝夾具的定位精 3 度也很高,能滿足技術(shù)要求,且焊接質(zhì)量好,生產(chǎn)效率高。 （2）上下料搬運(yùn)：上下料搬運(yùn)是汽車(chē)工業(yè)機(jī)器人的第二大應(yīng)用領(lǐng)域。上下料機(jī)器人是固定的，而搬運(yùn)機(jī)器人是移動(dòng)的，主要有自移動(dòng)式、吊裝積木式等。 （3）噴漆：汽車(chē)噴漆的主要部位是車(chē)身、汽車(chē)底盤(pán)、車(chē)箱等。噴漆機(jī)器人現(xiàn)在從單機(jī)使用走向了生產(chǎn)線使用。 （4）裝配：現(xiàn)在裝配機(jī)器人在汽車(chē)的裝配車(chē)間廣泛的應(yīng)用，其因其裝配精度高，裝配速度快等優(yōu)勢(shì)，很快占據(jù)汽車(chē)裝配市場(chǎng)。 下面我們主要介紹下噴漆機(jī)器人的研究： 噴漆是目前我國(guó)汽車(chē)工業(yè)中應(yīng)用機(jī)器人最多的領(lǐng)域。主要噴漆部位是車(chē)身和箱。第二汽車(chē)制造廠車(chē)箱廠采用兩臺(tái)日本 TOK10CO.ARMSTAR 噴漆機(jī)器人(加長(zhǎng)臂)和一臺(tái)往復(fù)機(jī)，它們能完成全部噴漆工作量的 75% —90%(可噴底漆、面漆等)。在兩班工作制情況下,它們已成功地運(yùn)轉(zhuǎn)了 4 年,平均無(wú)故障時(shí)間達(dá) 10Oh 以上(如不計(jì)人為因素,則 平均無(wú)故障時(shí)間達(dá) 300h 以上)。第二汽車(chē)制造廠車(chē)身廠使用了北京自動(dòng)化研究所研制的 7 臺(tái)噴漆機(jī)器人、兩臺(tái)頂噴機(jī)兩臺(tái)日本 IWATA 公司的側(cè)噴機(jī),它們可完成車(chē)身噴漆工作量的 80%以上,且配有電視監(jiān)督系統(tǒng)。此外,第一汽車(chē)制造廠車(chē)箱廠有 1 臺(tái) TRALLFA 型噴漆機(jī)器人;北京吉普車(chē)公司有 1 臺(tái)北京自動(dòng)化研究所研制的噴漆機(jī)器人,北京汽車(chē)制造廠有 l 臺(tái) ROBOTPJ 一 1 和 1 臺(tái) TRALLFA 噴漆機(jī)器人,南京汽車(chē)廠有 1 臺(tái)自制的五軸噴漆機(jī)器人。 汽車(chē)工業(yè)中,國(guó)產(chǎn)機(jī)器人的數(shù)量增加和技術(shù)進(jìn)步都很快。目前,我國(guó)機(jī)器人本體技術(shù)設(shè)計(jì)與制造水平同國(guó)外相比,差距不大。其位置重復(fù)精度可達(dá)士 0 .5 mm 左右,運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性基本能夠滿足生產(chǎn)需要(但機(jī)器人手臂的材質(zhì)不過(guò)關(guān),影響了機(jī)器抓重級(jí)和工作精度)。通過(guò)引進(jìn)與消化國(guó)外先進(jìn)技術(shù),使微型驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電液伺服閥等元器件的研制和生產(chǎn)得到迅速發(fā)展。我國(guó)對(duì)機(jī)器人人工智能的研究比較重視,現(xiàn)已經(jīng)取得了一定成果。但由于國(guó)產(chǎn)機(jī)器人主要是單機(jī)生產(chǎn),價(jià)格一直很高;且維修服務(wù)和用戶技術(shù)培訓(xùn)等配套措施跟不上,所以普遍存在故障率高、精度低、操作速度慢等缺點(diǎn)。 發(fā)展趨勢(shì) 目前世界上所有發(fā)達(dá)國(guó)家如美國(guó)、日本、蘇聯(lián)、西德等, 都把發(fā)展機(jī)器人技術(shù)或 智能自動(dòng)化控制技術(shù)擺在科技發(fā)展戰(zhàn)略中最優(yōu)的地位推廣。各國(guó)政府都在采取一切 鼓勵(lì)措施,對(duì)機(jī)器人技術(shù)的開(kāi)發(fā)與利用給予極大的關(guān)注。譬如在捷克斯洛伐克,對(duì)生產(chǎn) 單位國(guó)家除撥給專(zhuān)款,改造和更新設(shè)備使之適合生產(chǎn)機(jī)器人需要外,還給予價(jià)格補(bǔ)貼, 4 以彌補(bǔ)機(jī)器人的生產(chǎn)成本與售價(jià)之間的差額。采用單位可獲得價(jià)格優(yōu)惠,并可得到年息 低于 4%的貨款,貸款可長(zhǎng)達(dá) 5 年之久, 還可加快折舊提成,企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)和設(shè)計(jì)人員可獲 得物質(zhì)獎(jiǎng)勵(lì)。由于各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家采取一系列鼓勵(lì)政策,機(jī)器人技術(shù)發(fā)展很快。如美國(guó) 華盛頓州里奇蘭的巴特爾太平洋西北實(shí)驗(yàn)室正研制一種最復(fù)雜最尖端的計(jì)算機(jī)控制 的酷似真人的機(jī)器人。這個(gè)取名為曼尼的機(jī)器人,從四肢、軀干到整個(gè)形體的大小部位 都與人體非常類(lèi)似。它能摸擬人體的復(fù)雜活動(dòng)如姿態(tài)、呼吸、體內(nèi)體表溫度和出汗等。 人類(lèi)發(fā)展到今天, 經(jīng)歷了一段長(zhǎng)期曲折的道路,大約每隔 100 年就有一次革新運(yùn)動(dòng),現(xiàn) 在正處于第三次革新浪潮中,估計(jì)到本世紀(jì)末將可能卷入到以“機(jī)器人革命”為基礎(chǔ)的 浪潮中去,這必將以第五代計(jì)算機(jī)的實(shí)用化為轉(zhuǎn)機(jī),迎來(lái)一場(chǎng)“向機(jī)械電子人接近”的 風(fēng)暴。智能機(jī)器人進(jìn)工廠、農(nóng)場(chǎng)、戰(zhàn)場(chǎng)、太空、商店及家庭的時(shí)代為期不遠(yuǎn)了?，F(xiàn)在 就主要工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家機(jī)器人技術(shù)發(fā)展概況分述于后。 自工業(yè)機(jī)器人出現(xiàn)以來(lái) , 汽車(chē)工業(yè)就一直是其最重要的市場(chǎng)。第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人 UNIMAT 就安裝在美國(guó)通用汽車(chē)公司。機(jī)器人應(yīng)用早期, 汽車(chē)工業(yè)對(duì)機(jī)器人的需求量 占機(jī)器人市場(chǎng)份額的 50 %以上,目前占 3 5 %。自機(jī)器人誕生以來(lái)的三十年中，它已由 一般性可編程示教再現(xiàn)式機(jī)器人, 發(fā)展到數(shù)控式機(jī)器人或智能化機(jī)器人。其控制系統(tǒng) 已由簡(jiǎn)單的機(jī)械裝置發(fā)展到復(fù)雜的電子計(jì)算機(jī)控制; 結(jié)構(gòu)型式由單級(jí)發(fā)展到多級(jí)結(jié) 構(gòu); 應(yīng)用領(lǐng)域也有了很大擴(kuò)展。機(jī)器人在汽車(chē)工業(yè)中的應(yīng)用有著很大優(yōu)勢(shì)和廣闊的 前景。 目前世界各國(guó)所使用的機(jī)器人尚屬第一、第二代機(jī)器人。而第三代機(jī)器人正是當(dāng) 前主攻的方向, 一旦第五代計(jì)算機(jī)研制成功, 則機(jī)器人的智能化程度更高、功能更完 善。 (一) 從機(jī)器人工業(yè)這方面來(lái)說(shuō)有三種趨勢(shì)： 1、大型化趨勢(shì)：大型化是指機(jī)器人制造廠經(jīng)調(diào)整組合, 主要制造廠家規(guī)模越來(lái)越 大。如瑞典 ASEA 公司在 15 個(gè)國(guó)家設(shè)有機(jī)器人中心,并在美國(guó)、西班牙和法國(guó)設(shè)立分 廠,機(jī)器人銷(xiāo)售額達(dá) 7 千萬(wàn)美元。近年來(lái)機(jī)器人制造業(yè)出現(xiàn)兼并現(xiàn)象。如世界著名的噴 漆機(jī)器人生產(chǎn)廠—挪威的 Trallfa 公司被瑞典的 AsEA 公司兼并,美國(guó) uinmaiton 公司可 控制美國(guó)機(jī)器人市場(chǎng)的 50 %。有關(guān)專(zhuān)家預(yù)言到 1996 年世界將有大批機(jī)器人工廠倒閉, 機(jī)器人本體生產(chǎn)將集中在幾家大公司。 2 、微型化趨勢(shì)這種趨勢(shì)主要在日本體現(xiàn)明顯。日本的三百個(gè)機(jī)器人廠家中,資金 在 10 億以下的中小企業(yè)約占 60%。這些小企業(yè)雇員一般少于 12 人。小廠與大廠在產(chǎn) 5 品上互相配合,才不會(huì)被大廠擠垮。 3 、電子化趨勢(shì)近年來(lái),日、美的電子電器廠紛紛進(jìn)入機(jī)器人產(chǎn)業(yè)中, 開(kāi)始成為機(jī) 器人產(chǎn)生中的主體。如 1985 年,日本機(jī)器人產(chǎn)業(yè)中,電子電器廠家占廠家總數(shù)的 62%。 （二）機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)據(jù)專(zhuān)家預(yù)側(cè):機(jī)器人技術(shù)在未來(lái) 15 年內(nèi)將進(jìn)入一個(gè) 新時(shí)期,其發(fā)展趨勢(shì)為： 材料:機(jī)器人材料趨向輕型化和高強(qiáng)度化,包括有機(jī)材料和無(wú)機(jī)材料,而純金屬型 機(jī)器人將日益減少。形狀記憶合金新材料視為第三代機(jī)器人的突破口。 功力:趨于輕型能源。包括使用核能和燃料電池,以減輕重量提高機(jī)器人的靈活性。 傳動(dòng)構(gòu)件:趨于高效、輕便和高度自動(dòng)化傳動(dòng)的控制機(jī)構(gòu),并且形式多種多樣。傳 感器系統(tǒng):工作更可靠、準(zhǔn)確,并將廣泛采用視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)傳感器,來(lái)提高辯識(shí)能力。 控制系統(tǒng):趨于采用微電腦控制,大幅度降低研制成本。 通訊系統(tǒng):日趨于遙控、采用光纜和無(wú)線電通訊。工作方式:采用非機(jī)械加工方法 如激光來(lái)切割、焊接或其它高能加工法。 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu):將采用生物機(jī)械設(shè)計(jì)概念,驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)趨于擬人化和高級(jí)化。 軟件: 發(fā)展專(zhuān)門(mén)機(jī)器人語(yǔ)言,其設(shè)計(jì)趨向標(biāo)準(zhǔn)化和簡(jiǎn)單化。 集成系統(tǒng):實(shí)現(xiàn)人—機(jī)對(duì)話,更好地與外部設(shè)備相連接。 精密裝配機(jī)器人:主要用在汽車(chē)裝配、計(jì)算機(jī)、彩電、手表、大規(guī)模集成電路等 裝配線機(jī)器人。 據(jù)稱(chēng)瑞典 AsEA 公司生產(chǎn)的 IRB 一 100 型精密裝配機(jī)器人是世界上最快速的機(jī)器 人。目前正努力使裝配機(jī)器人能適應(yīng)工作節(jié)拍更快、環(huán)境有變化的、更精密的裝配線。 水下機(jī)器人：目前水下機(jī)器人多采用有纜遙控方式,通過(guò)系纜輸出能源和交換信 息。而系纜又嚴(yán)重地影響水下機(jī)器人的工作范圍與活動(dòng)能力。因而研制各種無(wú)纜自治 式智能水下機(jī)器人是當(dāng)今世界深潛器的發(fā)展方向。法國(guó)、英國(guó)和意大利等都研制出不 同程度的無(wú)纜水下機(jī)器人。 6 二、論文（設(shè)計(jì)）研究的內(nèi)容 1.重點(diǎn)解決的問(wèn)題 （1） 噴漆機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的搭建. （2）噴漆機(jī)器人噴漆工作的實(shí)現(xiàn)方式. （3）噴漆機(jī)器人的智能控制手段 （4）Arduino 控制系統(tǒng)的組成及其端口的應(yīng)用. （5）控制系統(tǒng)與機(jī)械系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合 2.擬開(kāi)展研究的幾個(gè)主要方面（論文寫(xiě)作大綱或設(shè)計(jì)思路） 首先通過(guò)查閱大量的相關(guān)資料，在論文前面要突出地介紹一下樹(shù)干噴涂機(jī)械系 統(tǒng)；并說(shuō)明其現(xiàn)在的研究成果以及今后的發(fā)展趨勢(shì)[25]。本研究主要從樹(shù)干噴涂機(jī)器人 的信息捕捉、信息處理、路線優(yōu)化、噴漆功能的實(shí)現(xiàn)、系統(tǒng)的整體控制等方面著手工 作，最終做出相應(yīng)的產(chǎn)品。并在最后在撰寫(xiě)文章的時(shí)候可以對(duì)其進(jìn)行推廣，把噴涂機(jī) 器人應(yīng)用到更廣泛的領(lǐng)域中去。 1．緒論 1.1 課題研究背景 1.2 工業(yè)機(jī)器人的國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀 1.3 課題研究?jī)?nèi)容 1.4 本章小結(jié) 2．系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.1 機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)擬采用設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì) 2.2 傳感系統(tǒng)擬采用設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì) 2.3 控制系統(tǒng)擬采用設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì) 2.4 本章小結(jié) 3．系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)計(jì)算 3.1 Arduino 控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介 3.2 電機(jī)選型 3.3 車(chē)體尺寸設(shè)計(jì) 3.4 噴涂機(jī)械手臂及龍門(mén)架設(shè)計(jì) 3.5 傳感器選型 3.6 傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7 3.7 本章小結(jié) 4．系統(tǒng)三維建模及其功能 4.1 機(jī)械系統(tǒng)架構(gòu) 4.2 機(jī)械系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能 4.3 傳感系統(tǒng)構(gòu)架 4.4 傳感系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能 4.5 控制系統(tǒng)構(gòu)架 4.6 本章小結(jié) 5．仿真分析 5.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核 5.2 運(yùn)動(dòng)分析 5.3 運(yùn)動(dòng)仿真 5.4 系統(tǒng)測(cè)試 5.5 本章小結(jié) 6.畢業(yè)設(shè)計(jì)感想 7.附錄 3.本論文（設(shè)計(jì)）預(yù)期取得的成果 (1)噴涂機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) (2)系統(tǒng)總體裝配圖及零件圖 (3)系統(tǒng)控制程序設(shè)計(jì) 8 三、論文（設(shè)計(jì)）工作安排 1.擬采用的主要研究方法（技術(shù)路線或設(shè)計(jì)參數(shù)） 第一步：通過(guò) Solickworks 三維設(shè)計(jì)軟件，將機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 第二步：基于工作室的平臺(tái)搭建機(jī)器人。 第三步：應(yīng)用 Arduino 控制系統(tǒng)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制檢測(cè)各方面的性能。 第四步：將超聲波傳感器、視覺(jué)傳感器等傳感器安裝在機(jī)器人上。 第五步：設(shè)置模擬日常樹(shù)干涂白工作環(huán)境，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行實(shí)際的檢驗(yàn)。 第六步：撰寫(xiě)研究成果報(bào)告。 2.論文（設(shè)計(jì)）進(jìn)度計(jì)劃 第一周：查閱相關(guān)文獻(xiàn)，收集資料，了解設(shè)計(jì)內(nèi)容。第二周：閱讀參考文獻(xiàn)，明確設(shè)計(jì)內(nèi)容及方案。 第三周：總體方案設(shè)計(jì)，撰寫(xiě)開(kāi)題報(bào)告。 第四周：修改及完善開(kāi)題報(bào)告，擬定設(shè)計(jì)方案。第五周：分析設(shè)計(jì)方案可行性，并做修改。 第六周：各機(jī)構(gòu)具體設(shè)計(jì)方案分析。 第七周：分塊進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，完善設(shè)計(jì)方案。第八周：對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行三維構(gòu)圖設(shè)計(jì)。 第九周：對(duì)機(jī)構(gòu)三維設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，檢查功能。第十周：進(jìn)行控制部分傳感器選型，及三維構(gòu)圖。第十一周：將控制部分與機(jī)械結(jié)構(gòu)合并。 第十二周：對(duì)這個(gè)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，檢查是否能夠完成預(yù)定功能。第十三周：進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，對(duì)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題做修改。 第十四周：參照系統(tǒng)，撰寫(xiě)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文。第十五周：完善畢業(yè)論文。 第十六周：準(zhǔn)備答辯內(nèi)容，參加畢業(yè)答辯。 9 四、需要閱讀的參考文獻(xiàn) [1] 熊宣明 江蘇省揚(yáng)州技師學(xué)院. 工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀與未來(lái)趨勢(shì)[J]. 農(nóng)村經(jīng)濟(jì)與科技 2016 年第 27 卷第 22 期（總第 402 期） [2] 計(jì)時(shí)鳴，黃希歡 浙江工業(yè)大學(xué) 特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部/浙江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室. 工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用綜述[J]. 第 32 卷第 1 期 2015 年 1 月. [3] 張紅霞 武漢商學(xué)院機(jī)電工程與汽車(chē)服務(wù)學(xué)院. 國(guó)內(nèi)外工業(yè)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)研究[J]. 探索與觀察 [4] 陳榮祥 劉霄惠 渝州大學(xué) 自電系.國(guó)外機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展[J]. 渝 州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1990 年 第 1.2 期. [5] 王世禮 上海交通大學(xué) 來(lái)可偉 第二汽車(chē)制造廠. 機(jī)器人技術(shù)在汽車(chē)工業(yè)中的應(yīng)用[J]. [6] 楊書(shū)評(píng)，宮迎輝，王海丹，王思斯 北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化所. 機(jī)器人自動(dòng)化及生產(chǎn)線關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)研究[J]. 中圖分類(lèi)號(hào)：TP242 [7] 趙俊英,戈美凈,王青云 ,溫國(guó)強(qiáng)天津中德職業(yè)技術(shù)學(xué)院. 機(jī)器人自動(dòng)噴涂系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)與三維建模 M]. 中圖分類(lèi)號(hào)：TP242.2. [8] 張麗娟 蘭州工業(yè)學(xué)院.基于凱恩方法的 6Ｒ 機(jī)器人動(dòng)力學(xué)建模與仿真.自動(dòng)化與儀器儀表 2016 年第 4 期( 總第 198 期). [9] ABB 機(jī)器人部供稿. 綠色機(jī)器人 以機(jī)器人為基礎(chǔ)的自動(dòng)化幫助塑料工業(yè)實(shí)現(xiàn)增效節(jié)能. [10] 戢磷 樂(lè)山職業(yè)技術(shù)學(xué)院.面向中國(guó)制造 2025 的先進(jìn)制造技術(shù)課程教學(xué)研究—— 培養(yǎng)掌握新型工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用與維修技術(shù)的高職人才 民普新技 2015 年 [11] 吳孝園 國(guó)家機(jī)械工業(yè)委員會(huì)第四設(shè)計(jì)院。噴涂機(jī)器人 涂料工業(yè)[J] 1988 年 [12] 梅江平,楊志永,張大衛(wèi).天津大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,噴漆機(jī)器人尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)及控制系統(tǒng)總體規(guī)劃 [13]. 郭 武.第二汽車(chē)制造廠車(chē)箱廠. 噴漆機(jī)器人的功能、選型及應(yīng)用[J] 機(jī)器人 1990 年 [14] 徐其元，欒尊祿，孫漢旭. 北京實(shí)驗(yàn)工廠.噴漆機(jī)器人關(guān)節(jié)模型的閉環(huán)參數(shù)辨識(shí) [15] A motion sensing-based framework for robotic manipulation . Hao Deng1,2, Zeyang Xia1,2* , Shaokui Weng1,2, Yangzhou Gan1,2, Peng Fang1,2 and Jing Xiong1 Deng et al. Robot. Biomim. (2016) 3:23 [16] Gantry Robot with Extended Workspace for Pavement Sign Painting Operations. Daehie Hong Journal of Mechanical Science and Technology (KSME Int. J.) [17] 孟慧杰，尹志新.廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 噴漆機(jī)器人工藝分析及優(yōu)化研究[J]設(shè)計(jì)與研究 [18] 王育哲. 上海大眾汽車(chē)有限公司. 噴漆機(jī)器人在汽車(chē)車(chē)身涂裝中的應(yīng)用[J] china-coating 2007 年 4 月 10 [19] 呂永軍，劉 峰，鄭飂默，孫一蘭 . 通用和修正 D-H 法在運(yùn)動(dòng)學(xué)建模中的應(yīng)用分析. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用 2016 年第 25 卷 第 5 期 [20] 王小剛，紀(jì)慎之. 中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所. 我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)品的研制與開(kāi)發(fā).中國(guó)工程師 1995 年 2 月 [21] 陳欠根，1, 2,彭南華.中南大學(xué)現(xiàn)代復(fù)雜裝備設(shè)計(jì)與極端制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室一種經(jīng)濟(jì)型噴漆機(jī)器人設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析. 現(xiàn)代制造工程 [22] A Novel Trajectory Planning Scheme for Parallel Machining Robots Enhanced with NURBS Curves Javad Jahanpour·Mehdi Motallebi· Mojtaba Porghoveh J Intell Robot Syst (2016) 82:257–275 [23] On Events in Multi-Robot Patrol in Adversarial Environments Noa Agmon [24] OPTIMAL VELOCITY TRAJECTORY GENERATION FOR SPRAY PAINTING ROBOT IN OFFLINE MODE ，Mayur V Andulkar Shital S Chiddarwar Anshul K Paigwa， Department of Mechanical Engineering, Visvesvaraya National Institute of Technology, Nagpur [25] Workspace and dynamic performance evaluation of the parallel manipulators in a spray-painting equipment, Jun Wu, Ying Gao , Binbin Zhang,Li Pi wang, Robotics and Computer-Integrated Manufacturing 44 (2017) 199–207 11 文獻(xiàn)綜述 1.Arduino 平臺(tái)簡(jiǎn)介 Arduino 是源自意大利的一個(gè)教學(xué)用開(kāi)源硬件項(xiàng)目，主要是為希望嘗試創(chuàng)建交互 式物理對(duì)象的實(shí)踐者、喜歡創(chuàng)造發(fā)明的人及藝術(shù)家所構(gòu)建的，它秉承開(kāi)源硬件思想， 程序開(kāi)發(fā)接口免費(fèi)下載，也可依需求自己修改。其硬件系統(tǒng)是高度模塊化的，通過(guò) USB 接口與計(jì)算機(jī)連接，包括 14 通道數(shù)字輸入/輸出，其中包括 6 通道 PWM 輸出、6 通道 10 位 ADC 模擬輸入/輸出通道，電源電壓主要有 5V 和 3.3V。在核心控制板的外 圍，有開(kāi)關(guān)量輸入輸出模塊、各種模擬量傳感器輸入模塊、總線類(lèi)傳感器的輸入模 塊，還有網(wǎng)絡(luò)通信模塊，只要在核心控制板上增加網(wǎng)絡(luò)控制模塊，就可以容易地與 互聯(lián)網(wǎng)連接。Arduino 還提供了自己的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，支持 Windows、Linux、MacOS 等 主流的操作系統(tǒng)。Arduino 系統(tǒng)是基于單片機(jī)開(kāi)發(fā)的，并且大量應(yīng)用通用和標(biāo)準(zhǔn)的電 子元器件，包括硬件和軟件在內(nèi)的整個(gè)設(shè)計(jì)，代碼均采用開(kāi)源方式發(fā)布，因此采購(gòu) 的成本較低，在各種電子制作競(jìng)賽、電子藝術(shù)品創(chuàng)意設(shè)計(jì)等越來(lái)越多地使用 Arduino 作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)。甚至可以接受 Macromedia Flash 軟件制作的動(dòng)畫(huà)發(fā)送的信號(hào), 并由 此來(lái)控制一些動(dòng)作器件(如舵機(jī)等)。 2.Arduino 互動(dòng)媒體開(kāi)發(fā) 正是由于 Arduino 易于使用，才能使用戶或開(kāi)發(fā)者把精力關(guān)注于設(shè)計(jì)本身。 Arduino 甚至提供了自己的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，這種借鑒了 C/C++和 Java 的語(yǔ)言，對(duì)于有一 定 Flash 的 ActionScript 腳本的開(kāi)發(fā)者也相對(duì)容易掌握。再次，Arduino 基于單片 機(jī)開(kāi)發(fā)，并且大量應(yīng)用通用和標(biāo)準(zhǔn)的電子元器件，包括硬件和軟件在內(nèi)的整個(gè)設(shè)計(jì)， 代碼均采用開(kāi)源方式發(fā)布，因此采購(gòu)的成本較低。由于開(kāi)源（open source）的緣故， Arduino 周邊聚集豐富的外圍軟件庫(kù)和硬件控制器、傳感器。另外，Arduino 可以支 持 Windows、Linux、MacOS 等主流的操作系統(tǒng)。綜上所述，互動(dòng)媒體的制作者擁有 更多的自由度，為互動(dòng)媒體的創(chuàng)作奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。利用 Arduino 提高 Flash 的互 動(dòng)能力的途徑有很多，比如利用聲音傳感器、紅外傳感器、重力傳感器等。作為互 動(dòng)媒體而言，其主要特征是通過(guò)與周?chē)h(huán)境的交流、反饋來(lái)展現(xiàn)自身內(nèi)容，而各種 類(lèi)型的傳感器能很好地傳達(dá)環(huán)境給予的各類(lèi)刺激。 3.工業(yè)機(jī)器人發(fā)展 自工業(yè)機(jī)器人出現(xiàn)以來(lái) , 汽車(chē)工業(yè)就一直是其最重要的市場(chǎng)。第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器 人 UNIMAT 就安裝在美國(guó)通用汽車(chē)公司。機(jī)器人應(yīng)用早期, 汽車(chē)工業(yè)對(duì)機(jī)器人的需求 12 量 占機(jī)器人市場(chǎng)份額的 50 %以上,目前占 3 5 %。自機(jī)器人誕生以來(lái)的三十年中， 它已由一般性可編程示教再現(xiàn)式機(jī)器人, 發(fā)展到數(shù)控式機(jī)器人或智能化機(jī)器人。其 控制系統(tǒng) 已由簡(jiǎn)單的機(jī)械裝置發(fā)展到復(fù)雜的電子計(jì)算機(jī)控制; 結(jié)構(gòu)型式由單級(jí)發(fā) 展到多級(jí)結(jié)構(gòu); 應(yīng)用領(lǐng)域也有了很大擴(kuò)展。機(jī)器人在汽車(chē)工業(yè)中的應(yīng)用有著很大優(yōu) 勢(shì)和廣闊的 前景。 目前世界各國(guó)所使用的機(jī)器人尚屬第一、第二代機(jī)器人。而第三代機(jī)器人正是 當(dāng)前主攻的方向, 一旦第五代計(jì)算機(jī)研制成功, 則機(jī)器人的智能化程度更高、功能 更完善。 4.噴漆機(jī)器人簡(jiǎn)介 噴涂機(jī)器人又稱(chēng)為噴漆機(jī)器人（spray painting robot），是可進(jìn)行噴涂油漆或者其他材料的工業(yè)設(shè)備。1969 年由挪威 Trallfa 公司（后并入 ABB 集團(tuán)）發(fā)明。噴涂機(jī)器人主要由機(jī)器本體，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等組成，通過(guò)液壓、氣壓或電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，多采用 5—6 個(gè)關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，手臂有較大的運(yùn)動(dòng)空間，可以進(jìn)行復(fù)雜的軌跡運(yùn)動(dòng)，其執(zhí)行機(jī)構(gòu)即腕部有 2—3 個(gè)自由度，可以靈活運(yùn)動(dòng)。噴漆機(jī)器人廣泛運(yùn)用于汽車(chē)、儀表、電器、搪瓷等工藝部門(mén)。 噴涂機(jī)器人具備四大優(yōu)點(diǎn)，其一是柔性大。工作范圍大大；其二是提高噴涂質(zhì)量和材料使用率；其三是易于操作和維護(hù)，可離線編程，大大的縮短現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)間；其四是設(shè)備利用率高，利用率可達(dá) 90%-95%。 汽車(chē)噴涂機(jī)器人：按是否具有沿著車(chē)身輸送鏈運(yùn)行方向水平移動(dòng)的功能，分為帶軌道式和固定安裝式機(jī)器人；按安裝位置的不同，分為落地式和懸臂式機(jī)器人。落地式機(jī)器人具有易于維護(hù)清潔的優(yōu)點(diǎn)。帶軌道式機(jī)器人則具有工作范圍相對(duì)較大的優(yōu)點(diǎn)。而懸臂式機(jī)器人則可減少?lài)姺繉挾瘸叽?，達(dá)到減少能耗的作用。機(jī)器人在其它焊接、切割, 鑄件的清理、加工及表面處理等方面的應(yīng)用, 也在擴(kuò)大。 5.噴涂機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 主體噴涂機(jī)構(gòu)由噴涂機(jī)械手臂、龍門(mén)架及對(duì)應(yīng)的支撐運(yùn)動(dòng)等部分組成。其中噴 涂機(jī)械手臂是噴涂部分的主要結(jié)構(gòu)，其上裝有紅外線傳感器和噴頭，在俯仰關(guān)節(jié)的 帶動(dòng)下，噴涂機(jī)械手臂可以進(jìn)行俯仰運(yùn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)噴涂機(jī)械手臂的收放，以便在行 走過(guò)程中放下手臂，減少機(jī)構(gòu)的空間占用。噴涂機(jī)械手臂可以在縱向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng) 下與龍門(mén)架一起，實(shí)現(xiàn)噴涂機(jī)械手臂伸縮運(yùn)動(dòng)以調(diào)整機(jī)器人與樹(shù)木之間的距離；噴 涂機(jī)械手臂也在鏈條的帶動(dòng)下沿龍門(mén)架上的導(dǎo)軌上下運(yùn)動(dòng)，在上下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)樹(shù) 13 進(jìn)行噴涂。主體噴涂機(jī)構(gòu)安裝在帶有四輪的移動(dòng)小車(chē)上，小車(chē)具有避震機(jī)構(gòu)，其轉(zhuǎn) 向利用左右輪速差實(shí)現(xiàn)。 6.傳感器選型 紅外線又稱(chēng)紅外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性質(zhì)。任何物質(zhì)， 只要它本身具有一定的溫度(高于絕對(duì)零度)，都能輻射紅外線。紅外線傳感器測(cè)量 時(shí)不與被測(cè)物體直接接觸，因而不存在摩擦，并且有靈敏度高，反應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。 紅外線傳感器包括光學(xué)系統(tǒng)、檢測(cè)元件和轉(zhuǎn)換電路。光學(xué)系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)不同可分 為透射式和反射式兩類(lèi)。檢測(cè)元件按工作原理可分為熱敏檢測(cè)元件和光電檢測(cè)元件。 熱敏元件應(yīng)用最多的是熱敏電阻。熱敏電阻受到紅外線輻射時(shí)溫度升高，電阻發(fā)生 變化(這種變化可能是變大也可能是變小，因?yàn)闊崦綦娮杩煞譃檎郎囟认禂?shù)熱敏電阻 和負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻)，通過(guò)轉(zhuǎn)換電路變成電信號(hào)輸出。光電檢測(cè)元件常用的是光 敏元件，通常由硫化鉛、硒化鉛、砷化銦、砷化銻、碲鎘汞三元合金、鍺及硅摻雜 等材料制成。 紅外線傳感器依動(dòng)作可分為: (1) 將紅外線一部份變換為熱，藉熱取出電阻值變化及電動(dòng)勢(shì)等輸出信號(hào)之熱 型。 (2) 利用半導(dǎo)體遷徙現(xiàn)象吸收能量差之光電效果及利用因 PN 接合之光電動(dòng)勢(shì) 效果的量子型。 14 指導(dǎo)教師評(píng)閱意見(jiàn)（對(duì)選題情況、研究?jī)?nèi)容、工作安排、文獻(xiàn)綜述等方面進(jìn)行評(píng) 閱） 審 核 教研室主任意見(jiàn)意 見(jiàn)  簽字： 年 月 日 簽字： 年 月 日 學(xué)院教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)意見(jiàn) 簽字： 年 月 日 公章： 15