机器人介绍文档.doc

介绍文档一、机器人简介关于机器人的定义有很多说法，其中联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义：“一种可编程和多功能的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可用电脑改变和可编程动作的专门系统。一般由执行机构、驱动装置、检测装置、控制系统和复杂机械等组成。”1）执行机构机器人的执行机构，即机器人的本体。其中机械臂一般采用空间开链连杆机构，其中的运动副（转动副或移动副）常称为关节，关节个数通常即为机器人的自由度数。根据关节配置型式和运动坐标形式的不同，机器人执行机构可分为直角坐标式、圆柱坐标式、极坐标式和关节坐标式等类型。面向某些应用场景，出于拟人化的考虑，常将机器人本体的有关部位分别称为基座、腰部、臂部、腕部、手部（夹持器或末端执行器）和行走部（对于移动机器人）等。2）驱动装置。驱动装置是驱使执行机构运动的装置，按照控制系统发出的指令信号，借助于动力元件使机器人进行相应的动作。驱动装置输入的是电信号，输出的是线、角位移量。机器人使用的驱动装置主要是电力驱动装置，如步进电机、伺服电机等，此外，面向某种特定场景的特定需求，也有采用液压、气动等驱动装置。3）检测装置。机器人一般通过各种传感器获得外界信息，传感器实时检测机器人的内部运动、工作情况，以及外界工作环境信息，根据需要反馈给控制系统，与设定信息进行比较后，对执行机构进行调整，以保证机器人的动作符合预定的要求。作为检测装置的传感器大致可以分为两类：一类是内部信息传感器，用于检测机器人各部分的内部状况，如各关节的位置、速度、加速度等，并将所测得的信息作为反馈信号送至控制器，形成闭环控制；另一类是外部信息传感器，用于获取有关机器人的作业对象及外界环境等方面的信息，以使机器人的动作能适应外界情况的变化，使之达到更高层次的自动化，甚至使机器人具有某种类人的“感觉”，向智能化发展，例如视觉、声觉等外部传感器给出工作对象、工作环境的有关信息，利用这些信息构成一个大的反馈回路，从而将大大提高机器人的工作精度。4）控制系统。控制系统主要是进行信息的处理，发布接下来的动作。控制系统有两种形式：一种是集中式控制，即机器人的全部控制由一台微型计算机完成；另一种是分散（级）式控制，即采用多台微机来分担机器人的控制，如当采用上、下两级微机共同完成机器人的控制时，主机常用于负责系统的管理、通信、运动学和动力学计算，并向下级微机发送指令信息；作为下级从机，各关节分别对应一个CPU，进行插补运算和伺服控制处理，实特定的运动，并向主机反馈信息。根据作业任务要求的不同，机器人的控制方式又可分为点位控制、连续轨迹控制和力（力矩）控制。在智能机器人方面，与传统机器人相比，智能机器人的智能系统具有现场感知（环境适应）的能力。所谓现场感知指它可能与所处的现实世界的抽象进行交互，并适应所处的现场。这种交往包括感知、学习、推理、判断并做出相应的动作。这也就是通常人们所说的自动组织性与自动适应性。二、自动抹灰机器人目前，自动抹灰机器人有很多的设计方案，一般包括传动机构、抹灰机构、移动机构等，有的设计中还包括灰浆的传送机构，比如利用传送带、加压泵等机构进行灰浆的传送，免去了人工不断添加灰浆的工序。其中，传动机构负责将抹灰机构提升，使抹灰装置匀速运动上升或者下降;抹灰机构主要是对抹灰的压力和抹灰平整度进行调整，保证抹灰的质量;在一次抹灰完成后，通过移动机构将抹灰机移动到另外一个作业点，便捷省力，大多数设计中移动机构用到的是万向轮。自动抹灰机器人中的关键技术有以下几个方面：1）传动机构 传动机构是抹灰机保证质量的关键机构，它与刷斗上升的稳定性和抹灰的均匀性等因素有密切关系。刘维忠等利用卷扬机进行传动，设计简单平稳，但是在刷斗的往复运动中钢丝绳容易磨损，需要及时做好维护保养工作。而且在设计卷扬机时，需要对钢丝绳的张力、滚筒强度、卷筒与绳轮的允许偏转角进行精确的计算，留出充足的余量。张宏涛的设计中采用传统的蜗杆装置进行升降，由于刷斗质量大，上升过程中易对蜗杆装置发生形变，且需要根据蜗杆装置的规格，限定刷斗的最大质量。陈万强等的设计中利用液压传动压装置在运动时产生的振动问题。由于上述传动机构的平稳性和精度都不高，可以考虑为采用齿轮传动方式进行传动提升，这样的设计可大大提升控制精度。由于采用齿轮传动方式，需要在左右两根撑杆上加装齿条，上升过程由电机带动齿轮转动，使抹灰机顺着固定的齿条上升并进行抹灰。采用齿轮传动，最重要的是必须保证齿轮齿条的清洁度，一旦有水泥沙石卡在齿条中，齿轮很有可能脱轨，造成抹灰机从撑杆上坠落，发生安全事故。为了防止事故的发生，可将撑杆改为槽钢或者C型钢材，将齿条固定于内部，做成半封闭模式。另外，还可以在齿轮的周围加上刷子，将齿轮即将到达的位置提前刷干净，保证抹灰机能顺利上升。2）支架的垂直度 利用抹灰机进行墙面粉刷时，支架的垂直度是决定粉刷厚度均匀性的关键因素。目前，全自动抹灰机的支架垂直度需要靠人工利用吊垂线的方法来测量，安装抹灰机时就不能完全保证绝对的垂直，而且在刷斗的上升过程中，由于重力的作用，可能导致支架垂直度发生改变，影响施工质量。可以考虑在原有抹灰机上增加支架垂直度的检测装置，监测支架的垂直度，及时在抹灰过程中进行补偿。目前的研究中，对支架垂直度检测用到的传感器一般有倾角仪、陀螺仪、加速度传感器，或者利用红外线进行检测等，也可通过间接的方式来获得支架与墙面的夹角。这些垂直度检测方式都可以直接应用，考虑到检测的精度以及传感器的成本，故利用间接的方式来获得支架的垂直度。具体实现是用测距传感器，在抹灰机上升过程中选取在同一竖直线上的两个点，测量抹灰机与粉刷墙面之间的距离，利用三角形计算出撑杆与竖直方向的角度， 即可得到支架的垂直度。根据测量到的偏差，由控制器计算丝杆伸缩量大小，并在抹灰机上升抹灰过程中，调节丝杆伸缩，进而进行支架垂直度的补偿。3）抹灰机与作业墙面的距离抹灰机与作业墙面的距离是保证粉刷厚度的决定性因素，调整这个距离就可以调整灰浆粉刷的厚度。这个距离由两个方面的因素来决定:一是抹灰机的基座与墙角之间的距离；二是刷斗与墙面的距离。在抹灰机的使用中，这些距离主要靠人工测量，有的更是单纯依赖目测。要解决这个问题，就需要通过传感器检测抹灰机与墙面之间的距离。可以应用在抹灰机上的有光电测距和超声波测距，通过测量反馈控制等方式，保证抹灰机与作业墙面的距离保持恒定。改进的设计中，可以在基座加装初定位装置，保证基座与墙角的距离，再利用测距传感器精确测量灰斗与墙面的距离，根据测量偏差进行微调。考虑到抹灰机工作环境充满灰尘以及振动，选用的传感器必须有良好的抗干扰性能。Amann在2001年提出了激光测距的方法，用到的激光测距传感器抗干扰性能良好，可应用于墙面抹灰机的距离测量。4）抹灰机粉刷位置目前，抹灰机对大面积的粉刷墙面能应对自如，但是对于墙角以及出现有门窗的位置是无法使用抹灰机进行抹灰。在作业过程中，这些位置还是需要人工抹灰，甚至于还要搭脚手架，这极大的限制了抹灰机效率的提高。另外，对于墙顶的抹灰，一般抹灰机也无法完成，主要原因在于灰浆的输送以及抹灰板对天花板的压力无法解决。可以结合喷涂抹灰机和全自动抹灰机的优点，在现有全自动抹灰机的基础上加上喷涂抹灰头， 在抹灰板不能达到的位置直接进行喷涂抹灰。再进一步的改进可以为抹灰头增加伸缩关节，使抹灰头自主移动，最终实现抹灰头在待刷墙面自动规划路径，智能的完成待刷墙面的抹灰工作。5）抹灰板与墙面偏转角刷斗与墙面之间的夹角对抹灰机工作有两个方面的影响: (1)影响刷斗对墙面的压力。当刷斗对墙面压力过大时，可能将灰浆挤出刷斗外，造成效率低下；当压力过小时抹上去的灰浆容易掉下来，质量达不到要求；(2)影响刷斗左侧和右侧抹灰厚度的均匀性。目前的全自动抹灰机刷斗与墙面的水平夹角都是固定的，既不能控制对墙面的压力，左右两侧的抹灰厚度也难以保证一致。在原有全自动抹灰机上，可以适当的增加检测刷斗与墙面偏转角的传感器来检测偏转角，并实时进行补偿来减缓由偏角产生的误差。刷斗与墙面的偏转角的检测可以通过间接的方式进行。利用测距传感器测量墙面上在同一水平线上两个点与刷斗之间的距离，通过计算可得到刷斗的水平偏转角。控制器得到偏角参数后，计算左右驱动电机的推进量，推动丝杆，使得抹灰板与待粉刷墙面平行，即达到整补偿的目的。三、自动地面找平机器人自动找平机器人是通过自动找平传感器检测到的地面的起伏不平,对熨平板牵引枢轴进行调整,补偿熨平板牵引枢轴因地面的起伏引起的机体位置改变造成的熨平牵引枢轴与自动找平参考基准的相对位置的改变,保证摊铺层顶面按照自动找平参考基准的设定状态形成摊铺层顶面的过程,使摊铺层完全按照自动找平参考基准的设定状态形成摊铺层顶面,实现自动找平的目的。自动地面找平机器人一般由检测装置、执行装置和工作装置等几部分组成。1）检测装置检测装置主要有以下几个部件构成： 纵向传感器。安装在牵引臂上，当路面不平引起牵引点上下移动从而使刮刀位置发生变化时，与基准线接触的纵向传感器就会感知这一变化，并将这一变化量经过处理变成变幅宽的脉冲电信号进入电磁阀，控制其开关时间的长短，在液压系统的作用下变成牵引臂的机械动作，从而消除这种偏差，使刮刀始终处于预先设定的位置。 横向传感器。安装在刮土铲刀前端的横梁上，用来检测路面横向坡度的变化，工作原理同纵向传感器。 调节器。将传感器检测到的偏差信号与给定信号进行差动放大后，输出一个根据偏差信号变化的直流控制信号，将该信号与锯齿波脉冲信号送入比较器比较输出宽度不同的调节脉冲信号。 2）执行装置执行装置主要包括电磁换向阀、调平液压缸和调平大臂。工作时油泵输出压力经过2个流量阀排出定量的油液，在电磁阀的控制下经液控单向阀进入油缸，油缸活塞杆的伸缩控制牵引架的降低与抬高，保持刮刀的位置不变，达到路面的平整度标准。 3）工作装置：工作装置即铲刀。它位于机器的前后桥之间，用来完成剥离、转移土壤和平整等工作。自动地面找平机器人一般采用闭环控制系统：其中： W设定的基准高度； E偏差信号； H检测的实际高度。 自动地面找平机器人在进行平整工作时，由于路面的不平，引起铲刀上下移动，传感器检测到地面的高度H，与设定的基准高度W就有偏差，产生偏差信号E，然后通过调节器对误差信号做出相应的处理再给执行机构发出控制信号，控制油缸升降，从而达到施工高程和设计高程的一致，保证路面的平整度。自动找平机器人的传感器较多采用非接触式超声波调平装置，又称超声波平均梁，它由声纳传感器、控制盒和平衡杆组成。采用的是超声波测距原理，每侧牵引大臂上固定一条铝合金梁(平均梁)，朝下布置多个声纳传感器(一般为四个)。整平作业时，声纳传感器向作为参考