垂直多關(guān)節(jié)機器人位置控制結(jié)構(gòu)設(shè)計（臂部關(guān)節(jié)）,垂直,關(guān)節(jié),機器人,位置,控制,結(jié)構(gòu)設(shè)計,臂部 南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告 學(xué) 生 姓 名： （3號楷體） 學(xué) 號： （用3號楷體） 專 業(yè)： （用3號楷體） 設(shè)計(論文)題目： 垂直多關(guān)節(jié)機器人位置控制結(jié)構(gòu)設(shè)計（臂部關(guān)節(jié)） 指 導(dǎo) 教 師: （用3號楷體） 年 月 日 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開 題 報 告 1．結(jié)合畢業(yè)設(shè)計（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻資料，每人撰寫 2000字左右的文獻綜述： 文 獻 綜 述 摘要 本課題的主要內(nèi)容是采用機器人代替人來進行噴漆作業(yè)，機器人可以代替很多重復(fù)性的體力勞動，從而減輕工人的勞動強度，提高生產(chǎn)效率。結(jié)合設(shè)計的各方面的知識，在設(shè)計過程中學(xué)會怎樣發(fā)現(xiàn)問題。解決問題.研究問題。并且在設(shè)計中融入自己的想法和構(gòu)思，提高自己的創(chuàng)新能力。盡力使機器人使用方便，結(jié)構(gòu)簡單。 關(guān)鍵詞 機器人 ，噴漆機器人 ，結(jié)構(gòu)設(shè)計，步進電機 1 機器人概述 隨著人類科技的進步，社會經(jīng)濟的發(fā)展，機器人學(xué)成為近幾十年來迅速發(fā)展的一門綜合學(xué)科。它體現(xiàn)了光機電一體化技術(shù)的最新成就，機器人作為其中的佼佼者更是發(fā)揮了不可磨滅的作用。在人類社會中，凡是有機械活動的地方，都能看到機器人的身影。機器人產(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)娛樂等民用領(lǐng)域發(fā)展了，并且各式各樣的機器人正在涌現(xiàn)出來，以驚人的速度延伸到人類活動的各個領(lǐng)域。機器人是由于人類期望生產(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)境中完成人類不能或者不愿完成的工作，因此，機器人的出現(xiàn)又大大解放了人類的生產(chǎn)力。所以說機器人的發(fā)展是社會發(fā)展的結(jié)果，也是社會發(fā)展的必然趨勢。現(xiàn)在，很多發(fā)達國家都追逐著機器人這一發(fā)展趨勢，積極地進行著機器人的各種開發(fā)和研制的工作，并且其中一些國家已經(jīng)取代了不錯的成果，研制出了許多新型且實用的機器人或者是機器人。例如：日本的跳舞機器人、犬型機器人愛寶(AIBO)；英國研制的履帶式“手推車”及“超級手推車”排爆機器人；美國iRobot公司推出了能避開障礙，自動設(shè)計行進路線吸塵器機器人Roomba；上海世博會使用過的福娃機器人等等。 由于機器人的迅猛發(fā)展，機器人進入學(xué)校教學(xué)是必然的。三自由度機器人作為是機器人的典型產(chǎn)品，其設(shè)計及應(yīng)用對機電一體化、機械結(jié)構(gòu)工藝、機械制造、自動化、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機器人的特點 1機器人能進行自動化生產(chǎn)，降低成本。就本次設(shè)計的垂直多關(guān)節(jié)機器人而言，它能不間斷的搬運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)會使產(chǎn)品質(zhì)量受工人狀態(tài)起伏而影響。對于某些高精度產(chǎn)品，人工送取會產(chǎn)生人工污染。 3機器人能改善勞動條件，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合中，人工操作會有危險，機器人能代替人工作，改善了人們的勞動條件。 4機器人能持久、耐勞，可以把人從繁重的勞動中解放出來，人在連續(xù)工作幾個小時后，總會感到疲勞或厭倦，以機器人代替人進行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。 5機器人的靈活性、通用性強。它能通過更換部件來適應(yīng)不同產(chǎn)品的生產(chǎn)。并通過改變程序和自由度來達到迅速改變作業(yè)的可能性。這樣機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機器人的組成 工業(yè)機器人是由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)和控制機構(gòu)三部分組成。 1.2.1執(zhí)行機構(gòu) 一般機器人的執(zhí)行機構(gòu)由手部或者叫抓取部分、腕部、臂部、緩沖與定位，還有行走機構(gòu)組成。 1.2.2驅(qū)動機構(gòu) 驅(qū)動機構(gòu)主要有液壓驅(qū)動、氣動驅(qū)動、電動驅(qū)動和機械驅(qū)動等形式。不過目前還是以液壓和氣動用的最多。 液壓驅(qū)動具有體積小、出力大、控制性能好、動作平穩(wěn)等特點，它利用油缸、馬達加上齒輪、齒條實現(xiàn)直線運動；利用擺動油缸、馬達與減速器、油缸與齒條、齒輪或鏈條、鏈輪等實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動。液壓驅(qū)動具有潤滑性能好、壽命長的特點，結(jié)構(gòu)緊湊，剛性好。定位精度高，克實現(xiàn)任意位置開停。有很多專業(yè)機器人能直接利用主機的液壓系統(tǒng)。但缺點是需要配備壓力源，系統(tǒng)復(fù)雜成本較高。 氣動驅(qū)動結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、氣源方便，所需的壓縮氣源一般工廠都有，并且無污染，一般采用的壓力0.4-0.6MPa，最高可達1MPa。缺點是出力小，體積大。由于空氣的可壓縮性大，很難實現(xiàn)中間位置的停止，只能用于點位控制，而且潤滑性較差，氣壓系統(tǒng)容易生銹。 電動由于減速和回轉(zhuǎn)運動變往復(fù)運動機構(gòu)復(fù)雜, 很少采用。機械式用于簡單的場合。 1.2.3控制機構(gòu) 機器人的控制方式有點動和連續(xù)控制兩種方式。大多數(shù)是用插銷板進行點位程序控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計算機數(shù)字控制，采用凸輪、磁盤磁帶、穿孔卡等記錄程序。主要控制的是坐標位置，并注意其加速度特性。 1.3噴漆機器人 噴漆機器人又叫垂直多關(guān)節(jié)機器人（spray painting robot）， 是可進行自動噴漆或噴涂其他涂料的工業(yè)機器人，1969年由挪威Trallfa公司（后并入ABB集 團）發(fā)明。噴漆機器人主要由機器人本體、計算機和相應(yīng)的控制系統(tǒng)組成，液壓驅(qū)動的噴漆機器人還包括液壓油源，如油泵、油箱和電機等。多采用5或6自由度關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，手臂有較大的運動空間，并可做復(fù)雜的軌跡運動，其腕部一般有2～3個自由度，可靈活運動。較先進的噴漆機器人腕部采用柔性手腕，既可向各個方向彎曲，又可轉(zhuǎn)動，其動作類似人的手腕，能方便地通過較小的孔伸入工件內(nèi)部，噴涂其內(nèi)表面。噴漆機器人一般采用液壓驅(qū)動，具有動作速度快、防爆性能好等特點，可通過手把手示教或點位示數(shù)來實現(xiàn)示教。噴漆機器人廣泛用于汽車、儀表、電器、搪瓷等工藝生產(chǎn)部門。 垂直多關(guān)節(jié)機器人的主要優(yōu)點：（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，可離線編程，大大的縮短現(xiàn)場調(diào)試時間。（4）設(shè)備利用率高，垂直多關(guān)節(jié)機器人的利用率可達90%-95%。 1.4 結(jié)束語 本課題通對垂直多關(guān)節(jié)機器人進行結(jié)構(gòu)設(shè)計和機電傳動原理設(shè)計。本設(shè)計采用的方法是理論設(shè)計與經(jīng)驗設(shè)計相結(jié)合的方案，所運用的資料來源廣泛，內(nèi)容充足。 參 考 文 獻 [1] 吳瑞祥. 機器人技術(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. 機器人工程[M]. 北京：科學(xué)出版社，2001.2. [4] 熊有倫.機器人技術(shù)基礎(chǔ)[M].武漢：華中理工大學(xué)出版社，1996. [5] 王志良.競賽機器人制作技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007. [6] 成大先.機械設(shè)計手冊（第4版）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002. [7] 熊有倫.機器人技術(shù)基礎(chǔ)[M].武漢：華中理工大學(xué)出版社，1996. [8] 機械設(shè)計手冊編委會. 機械設(shè)計手冊[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2007.7. [9] 馬香峰. 機器人機構(gòu)學(xué)[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 1991. [10] 龔振邦等. 機器人機械設(shè)計[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，1995.6. [11] David Cook.機器人制作[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005. [12] 費仁元等.機器人機械設(shè)計和分析.北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，1998 [13] 《工業(yè)噴漆機器人》編寫組.工業(yè)噴漆機器人-機械結(jié)構(gòu)上[M].上海：上?？茖W(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（論 文）開 題 報 告 ２．本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）： 要研究的問題 1.垂直多關(guān)節(jié)機器人的基本技術(shù)參數(shù)確定 表示機器人特性的基本技術(shù)參數(shù)主要有自由度、坐標形式的選擇。 1.1自由度 自由度是指機器人所具有的獨立坐標軸運動的數(shù)目，但是一般不包括手部（末端操作器）的開合自由度。自由度表示了機器人靈活的尺度，在三維空間中描述一個物體的位置和姿態(tài)需要六個自由度。 垂直多關(guān)節(jié)機器人的自由度越多，越接近人手的動作機能，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)機器人整體重量的增加。輕型化與靈活性和抓取能力是一對矛盾，此外還要考慮到由此帶來的整體結(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)機器人基于對定位精度和重復(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)機器人有5～6個自由度即可滿足使用要求（其中臂部有3個自由度，腕部和行走裝置有2～3個自由度），專用垂直多關(guān)節(jié)機器人有1～2個自由度即可滿足使用要求。 1.2坐標形式的選擇 垂直多關(guān)節(jié)機器人的坐標形式主要可分為：直角坐標型、圓柱坐標型、球坐標型、關(guān)節(jié)坐標型另外還有比較復(fù)雜的SCARA型和并聯(lián)型。 1直角坐標型垂直多關(guān)節(jié)機器人：這類垂直多關(guān)節(jié)機器人就是如圖2-1(a)得直移型，其手部空間位置的改變通過沿三個互相垂直軸線的移動來實現(xiàn)，該形式垂直多關(guān)節(jié)機器人具有位置精度高，控制無耦合、簡單，壁障性好等特點。但結(jié)構(gòu)較龐大，動作范圍小，靈活性差，且移動軸的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，占地面積大，而且需架空線路。 2圓柱坐標型垂直多關(guān)節(jié)機器人：這種垂直多關(guān)節(jié)機器人如圖2-1（b）的回轉(zhuǎn)型垂直多關(guān)節(jié)機器人，通過兩個移動和一個轉(zhuǎn)動實現(xiàn)手部空間位置的改變，手臂的運動系由垂直立柱平面內(nèi)的伸縮和沿立柱的升降兩個直線運動及手臂繞立柱的轉(zhuǎn)動復(fù)合而成。這種垂直多關(guān)節(jié)機器人，占地面積小而活動范圍較大，結(jié)構(gòu)亦較簡單，并能達到較高的定位精度，因而應(yīng)用范圍較廣泛。機身采用立柱式，垂直多關(guān)節(jié)機器人側(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，兩個移動軸的設(shè)計較為復(fù)雜。 3球坐標型機器人： 這類垂直多關(guān)節(jié)機器人如圖2-1（c）的俯仰型垂直多關(guān)節(jié)機器人，其手臂沿X方向伸縮，繞Y軸俯仰和繞Z軸回轉(zhuǎn)。這類垂直多關(guān)節(jié)機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，能與其他機器人協(xié)調(diào)工作，但避障性差，存在著平衡問題，位置誤差與臂長有關(guān)。 4關(guān)節(jié)坐標型垂直多關(guān)節(jié)機器人：如圖2-1（d）的屈伸型垂直多關(guān)節(jié)機器人，主要由立柱、前臂和后臂組成。機器人的運動由前、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題，故比較復(fù)雜。 圖 垂直多關(guān)節(jié)機器人的坐標形式[22] 2 要采用的手段 分析機械手工作原理和性能。 繪制工作機構(gòu)示意圖、工作原理圖。 設(shè)計機械手整體結(jié)構(gòu)，繪制裝配圖。 設(shè)計、計算機械手各部分結(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)計說明書。 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開 題 報 告 指導(dǎo)教師意見： 1．對“文獻綜述”的評語： ××××××××（小4號宋體，1.5倍行距）××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××…………。 2．對本課題的深度、廣度及工作量的意見和對設(shè)計（論文）結(jié)果的預(yù)測： ××××××××（小4號宋體，1.5倍行距）××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××…………。 指導(dǎo)教師： 年 月 日 所在專業(yè)審查意見： 負責(zé)人： 年 月 日