机械设计制造及其自动化专业—毕业论文—教学机器人的设计与仿真（毕业设计） .doc

哈尔滨工程大学本科生毕业论文摘要教学机器人作为一种先进技术的实物载体，在教学中的位置越来越重要。它融合了造型技术、机械、电子、传感器、计算机软件、硬件等众多先进技术，可为各相关技术课程教学提供很好的教学平台。本文在查阅了国内外相关文献资料的基础上，确定了六自由度关节型教学机器人的总体方案，包括机器人的结构设计方案和控制方案。机器人的结构设计由机械臂和手爪两部分组成，手爪与机械臂通过法兰盘联接，可以安装不同的手爪以实现不同的工作任务。设计了机器人装配图和零件图，并对驱动电机、编码器和减速器等进行了计算选型，设计校核了关键零部件。设计了教学机器人控制方案，对机器人进行了运动学分析，建立了机器人运动学方程。分析了机器人的工作空间，基于MATLAB/Simulink建立了教学机器人的机构模型，进行了运动分析和轨迹规划。关键词：教学机器人；运动学分析；机械爪；仿真哈尔滨工程大学本科生毕业论文ABSTRACTEDURobotasanadvancedtechnology，intheteachingpositioninanincreasinglyimportant.itblendstechnique，machineryandelectronicform，sensorsandcomputersoftware，hardwareetcmanyadvancedtechnologyandrelatedtechnicalcoursesforindividualteachingisabetterteachingplatform.InthisarticlefortheassociateddocumentsandinformationonthebasisofestablishedsixDOFjointtypeofrobottothegeneralprogramme,includingtherobotsstructuraldesignandcontrolscheme.Robotdesigniscomposeofthemechanicalarmsandhands,Itshandandthemechanicalarmsattachedbyflange,youcaninstallotherhand,inordertocompletethedifferenttask.Designedthemachinesassemblydrawingandpartdrawing.Aftercalculated，choosedthetypeofdrivemotorandcodingandgearandsoon.Designandcheckthecriticalpart,thoughtoutarobotcontrolscheme,finishedrobotkinematicanalysisandestablishedkinematicalequation.Inheend,analyzedrobotsworkspaceandusingmatlabsimulinkestablishedthemodelofteachingmachine,andtrackthemovementsanalysis.Keywords：EDURobot；kinematicanalysis；mechanicalgripper；simulation哈尔滨工程大学本科生毕业论文目录第1章绪论·····························································11.1课题来源及研究意义.11.2国内外教学机器人发展概况.11.2.1国外教学机器人的发展现状.21.2.2国内教学机器人的发展现状.31.3本文的主要研究内容.5第2章教学机器人的总体方案设计·······························62.1教学机器人基本技术参数的确定.62.1.1教学机器人结构类型的选择.62.1.2自由度的确定及结构布置.62.1.3有效负载和速度.72.1.4精度要求.82.2驱动方式的选择.92.3机器人总体方案的确定.102.4传动系统及传感检测系统方案的选择.122.5教学机器人的控制方案.132.5.1控制系统总体结构.142.5.2本教学机器人的控制方案.142.5.3关节伺服系统设计.152.6本章小结.16第3章教学机器人的运动分析···································173.1机器人的位姿与运动描述.173.2关节型机器人的广义连杆变换齐次矩阵.17哈尔滨工程大学本科生毕业论文3.3运动学正解.183.3.1连杆坐标系和连杆参数.183.3.2连杆变换矩阵.203.4工作空间分析.233.5教学机器人的仿真.243.5.1仿真模型的建立.253.5.2仿真结果的运行和分析.263.6本章小结.27第4章教学机器人的结构设计···································284.1各关节电机、减速器和传感器选型.284.1.1各关节力矩估算.284.1.2各关节功率估算.314.1.3各关节电机、减速器等选型.314.2各关节结构设计.324.2.1第一关节.324.2.2第二关节.324.2.3第三关节.324.2.4手腕部分(包含小臂).354.3手爪的设计.364.4关键零件的校核.374.5本章小结.47结论··································································48参考文献·······························································49致谢··································································51哈尔滨工程大学本科生毕业论文1第1章绪论1.1课题来源及研究意义教学机器人的学习是激发学生创造力的最好办法，他不仅具能示范教学，能使学生了解机器人的基本结构和功能，更重要的是能开发学生的思维，激发他们的灵感。在现代教育技术领域内的“教学机器”是指集机械，电子，光学，计算机，信息技术于一体的现代化设备，比如电脑设备，投影仪，实验设备等等。教学机器的目的是为了给学生做示范，帮助学生学习的一个辅助性工具。目前，随着机器人相关课程教学改革的逐步深入，一些机器人相关的课程开设，国内一些高校加大了这方面的投入，或购买工业机器人加以改造，或进行了专门的研制。一些公司也瞄准这一市场，进行了有针对性的研发。国外在这方面的研究比较深入。近年，国内不少大学和公司已经开发出各种型号的教学机器人。例如：广州市天河双龙电子有限公司研发的双龙2D仿真教学机器人、北京神州昕科技有限公司开发的搬运机器人、以及哈尔滨工业大学博实精密测控有限责任公司研制的几种不同自由度数的教学机器人产品等。而且，近年，一些高校已经开发一些一些小型教学机器人并生产投入基础教育，如哈尔滨工业大学研发的诺宝机器人，收到了不错的效果。但是总的来看，规模还不大，而且受到诸多因素的限制，而在这个形势下，我所研究课题正是开发一个适于大学进行教学使用的机器人。1.2国内外教学机器人发展概况机器人是近30年发展起来的一种典型的、机电一体化的、独立的自动化生产工具。在制造工业中，应用工业机器人技术是提高生产过程自动化，改善劳动条件，提高产品质量和生产效率的有效手段之一，也是新技术革命的哈尔滨工程大学本科生毕业论文2一个重要内容。1.2.1国外教学机器人概况国外的机器人教学开始于20世纪60、70年代，最早是在大学里的机械、自动化专业开设机器人课程，随着机器人技术的不断发展和应用范围的拓宽，教学机器人作为一种实用有效的教学工具开始出现并应用于机器人教学过程中，同时也紧随着机器人技术的发展步伐。美国Heathkit公司在上世纪八十年代开发了ET18HEROI教学机器人，该教学机器人是一种小型移动机器人，其手臂有五个自由度。其控制系统主要由一个M6806微处理器，一块I/O接口卡和九块传感驱动电路板组成，软件采用汇编语言编程。可以控制七个步进电机和一个伺服电机，同时还具有声纳测距传感器，声强、光强传感器，运动检测传感器，以及语音功能。该教学机器人有五种常用模式，即编程模式，重复模式，使用模式，手动模式和学习模式，每转入一个模式时，都相应地调用若干子程序为它服务。同时，该教学机器人还具有示教再现的功能1。作为一种教学机器人，HEROI从实用角度而言存在着一些明显的弱点，主要表现为步进电机力矩太小以及移动时的定位精度太差(其前轮光栅刻度太粗，一个脉冲当量约1.1cm)。而在目前，国外很多著名的机器人生产公司更多采用的是教学/工业两用机器人的方式，以达到实用和教学培训两用的目的。如德国机器人公司(robot-worker)生产的直角坐标机工业/教学机器人，日本安川公司生产的MOTOMANUPJ工业/教学机器人等等。以日本安川公司生产的MOTOMANUPJ为例，该机器人系列有五自由度(YR-UPJ3-A00)和六自由度(YR-UPJ3-B00)两种，采用安川公司的JRC运动控制器，以交流伺服电机为执行电机。由于其尺寸小重量轻(五自由度的为23kg，六自由度的为25kg)、控制精度高(采用交流伺服电机闭环控制)、能耗小(电机功率小于等于80W)，因此被广泛用于工业用途。同时，结合该公司哈尔滨工程大学本科生毕业论文3图1.1Hero机器人图1.2MotomanUPJ的示教盒，该机器人也可用于教学和培训。学习者首先通过示教盒输入运动程序并通过反复编译直到程序不出错为止，然后将程序输入到运动控制器，通过其示教再现功能使机器人按照所编制的程序运行。通过上述一系列的操作，使学习者掌握对机器人的编程操作。虽然该机器人性能优越，但用于机器人教学时，其硬件和软件系统以认为基本上不具备开放性，因此无法利用于对机器人技术更底层的学习和研究。总体而言，目前国外教学机器人更多采用的是工业/教学机器人的方式，从而使教学机器人具备现代工业机器人类型多、精度高、可控性好等优点。但是，这类教学机器人往往以软件教学和培训为主，且对用户而言开放性不足，同时，昂贵的价格也限制了推广1。1.2.2国内教学机器人概况近年来，国内许多高校都自行开发了不同型号的教学机器人，并已投入使用。如哈尔滨工业大学、西安交通大学、北京科技大学等都相继开发出不同功能、结构形式的教学机器人。除此以外，许多科研单位、企业与高校合哈尔滨工程大学本科生毕业论文4作，联合开发教学机器人。如哈尔滨工业大学博实精密测控有限公司研制的RBT系列教学机器人已成一定规模，包括四自由度SCARA型机器人、四自由度串联关节式机器人、五自由度串联关节式机器人、六自由度串联关节式机器人、六自由度并联机器人2。同时，一些公司企业也在这一领域有所创新。如首钢莫托曼机器人有限公司开发的机器人RTLab，具有开放性、控制系统并具有高可靠性，很适用于教学科研领域。该机器人的控制器使用PC机为平台，其全开放的控制软硬件系统，可以方便地用于机器人控制技术研究、开发工作，使用者能够在此平台上开发研究自己的控制算法，也可进行仿真动作确认算法的正确性，还可进行实机验证；对机器人应用技术的研究者，该机器人提供了很好的软件控制接口，可以实现各种实时的插补级别的运动控制与补偿，实现灵活的动作规划与控制3。此外，还有广州市天河双龙电子有限公司开发的双龙仿真教学机器人SLBASICV2.0。此款机器人是针对我国广村农村中、小学设计的，成本低且操作简单，双龙仿真教学机器人用2D多媒体技术制作，命名为“双龙仿真教学机器人”，适用于双龙SL-DIY08-8轮式教学机器人。双龙仿真教学机器人在电脑屏幕上运行，用双龙模块化SLBASIC(BASIC是计算机初学者语言)解释型语言程序控制。双龙仿真教学机器人软件平台，根据实验项目编程内容要求，可以选择不同工作场地。我们提供寻线场地、避悬崖场地、方格场地、迷宫场地等，当然用户自已也可以设计仿真教学机器人工作场地。除了上面具体提到的教学机器人外，还有一些高校和企业开发了比较完善的教学机器人。如哈尔滨工业大学，上海交通大学，清华大学和天津探索智能机械公司等。教学机器人由于融合了造型技术、机械、电子、传感器、计算机软件、硬件等众多先进技术，可为各相关技术课程教学提供很好的教学平台，作为这种先进技术的实物载体，在教学中的位置也越来越重要，值得加大研发力度。总的来看我国现在的教学机器人还是虽然各有特点，但是哈尔滨工程大学本科生毕业论文5也存在一些问题，一些技术还是不够成熟，而且模式还是比较单一，还有待进一步研究提高。1.3本文的主要研究内容本课题“教学机器人的设计与仿真”的主要目标是设计一个示教再现的教学机器人，要求能完成较复杂的教学任务，同时要求对机器人进行运动学分析和仿真。本文设计了一种关节性的式教学机器人，目标是预计安装在AGV小车上使其具有搬运目标物体只制定地点的作业功能，并能通过其展示机械结构、运动特征和功能关系的示教功能，而且要求体积小，重量轻造价低，调控容易、重复性好。针对此任务，本设计完成的主要工作包括：1设计教学机器人的总体方案，包括机械结构方案和控制系统方案；2建立教学机器人的正、逆运动学方程，分析了机器人的工作空间，应用MATLAB进行了运动学分析和规划；3设计教学机器人的机械结构，设计了机器人的装配图和零件图，对关键零件进行了设计校核，选择了电机。