2014哈工大继续教育机械工程专业课作业.docVIP

2014年黑龙江省专业技术人员继续教育知识更新培训机械工程专业作业说明：中、高级职称学员“专业课作业”为论述题1-5题；同时提交3000字左右“学习心得”一篇。论述题1. 本课程分别着重讲述了移动机器人中具有代表性的轮式移动机器人创新设计基础理论与技术。试分别论述轮式移动机器人、操作臂型机器人、足式步行机器人的实用化优缺点，并进一步思考论述可以互相拟补它们各自不足的创新设计新思路。 答： 轮式移动机器人优点：同腿式步行机器人相比，加速快，以一定速度跑起来的话一般只需较小的驱动力，省能。能高速稳定的移动，能量利用率高，机构的控制简单，而且它可以能够借鉴日益完善的汽车技术和经验等。它的缺点是移动只限于平面，目前，需要机器人工作的场所，如果不考虑特殊环境和山地等自然环境，几乎都是人工建造的平地。轮式移动机构预期设计要求实现零半径回转，可调速，便于控制。车轮的旋转和转向是独立控制的，全方位移动机器人采用前后轮成对驱动来控制转向，以及控制每轮旋转来实现全方位移动。操作臂型机器人的实用化优缺点除轮式移动机器人外，机器人中最具代表性的还有操作臂型机器人和步行机器人。在机器人领域，把类似人类手臂的、由关节和杆件构成的机构的机器人称为操作臂每个关节一般由伺服电机和减速器驱动关节回转或直线移动，操作臂的末端一般根据其用途不同安装不同的操作手或作业工具，通过关节的转动或移动由臂带动末端运动完成作业。操作臂是目前被使用的机器人中应用最为广泛的、最为普遍的中形态。其中在工厂内用于装配作业、焊接作业等等用途的产品化操作臂被称为工业机器人。从理论和实践应用来看，工业机器人一般不具有人的外形和全部功能，它模拟了人类的部分感官功能和思维能力，延伸并超越了人类手臂或腿脚的作用，机器人操作臂具有精度高、速度快、柔性强的特点，特别适用于变通机器难以满足的多品种、小批量生产模式，目前机器人的应用情况已成为衡量工厂自动化程度的主要标准。足式步行机器人的实用化优缺点轮式移动机器人、步行机器人、操作臂型机器人作为机器人中具有代表性的机器人，各自具有不同的特点与用途。步行机器人是仿生人类双足行走、动物四足或多足行走形态的步行机器人，其腿部机构是与构成操作臂机器人关节及杆件类似，一般是由各个连杆构件通过各关节连接而成的串联机构。每个关节一般由伺服电机和减速器驱动关节回转或直线移动，有的构件上有脚，如双足步行机器人是有脚的，但是也有的腿上无脚，如通常四足及多足步行机器人腿上一般是无脚。同轮式移动机器人相比，四足、六足步行机器人具有步行稳定、可跨越障碍、上下台阶等特点，在室内、室外以及野外不平整地面都可等到稳定步行和越障的行走效果，可用于搭载操作臂型机器人移动到作业位置由操作臂完成操作作业，也可运载物品或野外作业。它的优点：(1)足式机器人的运动轨迹是一系列离散的足印，轮式和履带式机器人的则是一条条连续的辙迹。崎岖地形中往往含有岩石、泥土、沙子甚至峭壁和陡坡等障碍物，可以稳定支撑机器人的连续路径十分有限，这意味着轮式和履带式机器人在这种地形中已经不适用。而足式机器人对环境的破坏程度也较小。 (2)足式机器人的腿部具有多个自由度，例运动的灵活性大大增强。它可以通过调节腿的长度保持身体水平，也可能通过腿 的伸展程度调整重心的位置，因此，不易翻倒，稳定性更高。(3)足式机器人的身体与地面是分离的，这使机器人的身体可以平衡地运动而必考虑地面的粗糙程度和腿的旋转位置。当机器人需要携带科学仪器和工具工作时，首先将腿部固定，然后精确控制身体在三维空间中的运动，就可以达到对对象进行操作的目的。存在缺点：1）有些多足步行机器人体积和重量都很大。2）大多数多足步行机器人研究平台的承载能力不强从而导致它们没有能力承载视觉设备。3）步行敏捷性方面。其行走效率低，而且在机器人动步态步行方面的研究比较缺乏。4）多足步行机器人的控制方法需要改进。5）能源问题。寻求新型可靠的能源为机器人供电，实现机器人时间在户外行走的目标。2、操作臂型机器人是最早用于工业生产中的实用化机器人类型并以取得广泛应用，试就自己所从事的行业论述操作臂型机器人可以实用化的设计方案（可选型现有工业机器人商品也可自行创新设计操作臂机器人方案）及应用操作臂机器人作业方案设计。 答： 机器人技术是一个集环境感知、轨迹规划、机械手应用等功能于一体的机电一体化系统。它是集中了计算机、机构学、传感技术、电子技术、人工智能及自动控制等多科而形成的高新技术。本次课程设计的采摘机器人智能小车就是这种高新技术综合体的一种尝试。采摘机器人智能小车主要由机械系统，环境识别系统，运动控制系统及机械臂控制系统组成。小车以单片机为核心，附以外围电路，采用光电检测器进行检测故障和循迹，并用软件控制小车及机械臂的运动，从而实现小车的自动行驶、转弯、寻迹检测、避障、停止及采摘等功能的智能控制系统。 果实采摘是农业生产的重要环节，其季节性强、劳动量大且费用高。因而许多国家开始研发智能控制的果实采摘机器人。果实采摘机器人作为农业机器人的一种类型，目前在日本、美国与荷兰等国家已有研制和初步使用，主要用于采摘番茄、黄瓜、草莓、葡萄、西瓜、甜瓜、苹果、柑桔与甘蓝等蔬菜和水果，具有很大的发展潜力。各类果实采摘机器形式多样，但主要由机械手、末端执行器、视觉系统、控制系统与行走系统等部分组成。本文介绍了智能车及采摘机器人系统。它是在智能循迹小车的基础上，自主设计一个球形果采摘的机械手并装配到原有的智能小车上，完成采摘机电一体化系统的设计、制作，进行机器人运动控制规划，控制机器人完成一系列复杂动作，如手抓张合、车体回转，智能循迹避障、协同作业等任务。机械手臂方案设计 设计方案有如下三种: A方案。由于手臂要执行采摘作业，于是我们首先想到了平行四边行的稳定性，便设计了如下方案。该方案稳定性较好，使用电机数量也少，节约了成本，但它同时也限制了机械手的灵活性，且机械手不能抓取地面上的物体，缩小了机械手的操作空间。 B方案该方案改进了方案A的机械手不能抓取到地面的缺点，但Z轴转动只能靠小车的转动来实现，耗能多，不符合“多动小关节、少动大关节”原则，而且需要控制车轮方能实现，车轮依靠步进电机控制，从而给编程和后期调试带来不便。 C方案该方案在基座处又加了一个电机，改进了方案B的缺点，在球形果偏离预定位置时仍能通过腰关机的转动来实现作业，增强了机械手的灵活性,并能实现预定工作空间。经过分析比较我们最终选定方案C。 3、结构设计方案题：试从机械结构、回转精度、关节位置全闭环控制等角度论述机器人关节结构方案设计与构成问题，可辅以结构图并结合文字叙述加以说明。答:臂力的确定 目前使用的机械手臂的臂力范围较大，国内现有的机械手的臂力最小为0.15N，最大为8000N。本液压机械手的臂力为N臂=1650（N），安全系数K一般可在1.53，本机械手臂取安全系数K=2，定位精度为1mm。工作范围的确定 机械手的工作范围根据工艺要求和操作运动的轨迹来确定。一个操作运动的轨迹是几个动作的合成，在确定的工作范围时，可将轨迹分解成单个的动作，由单个动作的行程确定机械手的最大行程。本机械手的动作范围确定如下： 手腕回转角度115手臂伸长量150mm手臂回转角度115手臂升降行程170mm手臂水平运动行程100mm .确定运动速度.机械手各动作的最大行程确定之后，可根据生产需要的工作拍节分配每个动作的时间，进而确定各动作的运动速度。工业机器人抓取手臂要完成整个工作过程，需完成夹紧工件、手臂升降、伸缩、回转，平移等一系列的动作，这些动作都应该在工作拍节规定的时间内完成，具体时间的分配取决于很多因素，根据各种因素反复考虑，对分配的方案进行比较，才能确定。 机械手的总动作时间应小于或等于工作拍节，如果两个动作同时进行，要按时间长的计算，分配各动作时间应考虑以下要求： 定的运动时间应大于电气、液压元件的执行时间； 伸缩运动的速度要大于回转运动的速度，因为回转运动的惯性一般大于伸缩运动的惯性。在满足工作拍节要求的条件下，应尽量选取较底的运动速度。机械手的运动速度与臂力、行程、驱动方式、缓冲方式、定位方式都有很大关系，应根据具体情况加以确定。在工作拍节短、动作多的情况下，常使几个动作同时进行。为此驱动系统要采取相应的措施，以保证动作的同步。 本机械手的各运动速度如下： 手腕回转速度V腕回=40/s 手臂伸缩速度V臂伸=50mm/s 手臂回转速度V臂回=40/s 手臂升降速度V臂升=50mm/s 立柱水平运动速度V柱移=50mm/s 手指夹紧油缸的运动速度V夹=50mm/s 手部结构 手部是机械手直接用于抓取和握紧工件或夹持专用工具进行操作的部件，它具有模仿人手的功能，并安装于机械手手臂的前端。手部结构及型式根据它的使用场合和被夹持工件的形状，尺寸，重量，材质以及被抓取部位等的不同而设计各种类型的手部结构，它一般可分为钳爪式，气吸式，电磁式和其他型式。钳爪式手部结构由手指和传力机构组成。其传力机构形式比较多，如滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等，这里采用滑槽杠杆式。设计时应考虑的几个问题 应具有足够的握力（即夹紧力） 在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。 手指间应有一定的开闭角. 两个手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角保证工件能顺利进入或脱开。若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。 应保证工件的准确定位 .为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带V形面的手指，以便自动定心。 应具有足够的强度和刚度 手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求具有足够的强度和刚度以防止折断或弯曲变形，但应尽量使结构简单紧凑，自重轻。 应考虑被抓取对象的要求 应根据抓取工件的形状、抓取部位和抓取数量的不同，来设计和确定手指的形状。2.3驱动力的计算 如图1所示为滑槽式手部结构。在拉杆3作用下销轴2向上的拉力为P，并通过销轴中心O点，两手指1的滑槽对销轴的反作用力为P1、P2，其力的方向垂直于滑槽中心线OO1和OO2并指向O点，P1和P2的延长线交O1O2于A及B，由于O1OA和O2OA均为直角三角形，故AOC=BOC=。根据销轴的力平衡条件，即 Fx=0,P1=P2;Fy=0P=2P1cosP1=P/2cos 销轴对手指的作用力为p1。手指握紧工件时所需的力称为握力（即夹紧力），假想握力作用在过手指与工件接触面的对称平面内，并设两力的大小相等，方向相反，以N表示。由手指的力矩平衡条件，即m01(F)=0得 P1h=Nb因h=a/cos所以 P=2b(cos)2N/a 式中 a手指的回转支点到对称中心线的距离（毫米）。 工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点连线间的夹角。 由上式可知，当驱动力P一定时，角增大则握力N也随之增加，但角过大会导致拉杆（即活塞）的行程过大，以及手指滑槽尺寸长度增大，使之结构加大，因此，一般取=3040。这里取角=30度。 这种手部结构简单，具有动作灵活，手指开闭角大等特点。查工业机械手设计基础中表2-1可知，V形手指夹紧圆棒料时，握力的计算公式N=0.5G，综合前面驱动力的计算方法，可求出驱动力的大小。为了考虑工件在传送过程中产生的惯性力、振动以及传力机构效率的影响，其实际的驱动力P实际应按以下公式计算，即： 14 P实际=PK1K2/ 式中 手部的机械效率，一般取0.850.95；K1安全系数，一般取1.22 K2工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，K2可近似按下式估计，K2=1+a/g， 其中a为被抓取工件运动时的最大加速度，g为重力加速度。 本机械手的工件只做水平和垂直平移，当它的移动速度为500毫米/秒，移动加速度为1000毫米/秒2，工件重量G为98牛顿，V型钳口的夹角为120,=30时，拉紧油缸的驱动力P和P实际计算如下： 根据钳爪夹持工件的方位，由水平放置钳爪夹持水平放置的工件的当量夹紧力计算公式 N=0.5G 把已知条件代入得当量夹紧力为 N=49（N） 由滑槽杠杆式结构的驱动力计算公式 P=2b(cos)2 N/a得 P=P计算=2*45/27(cos30)2 *49=122.5(N)P实际=P计算K1K2/取=0.85,K1=1.5, K2=1+1000/98101.1 则P实际=122.5*1.5*1.1/0.85=238(N) 2.4两支点回转式钳爪的定位误差的分析 钳口与钳爪的连接点E为铰链联结,如图2所示几何关系,若设钳爪对称中心O到工件中心O的距离为x,则x=2 2)sin/(abRl+当工件直径变化时,x的变化量即为定位误差,设工件半径R由Rmax变化到Rmin时,其最大定位误差为 =22)sinmax/(abRl+-22)sinmin/(abRl+8 其中l=45mm,b=5mm,a=27mm,2=120,Rmin=15mm,Rmax=30mm代入公式计算得 最大定位误差=44.2-44.7=0.50.8 故符合要求.4.试述轮式移动机器人的位置控制精度远不如操作臂型机器人定位精度，为实现大范围内灵活移动和较高操作定位精度，试给出采用轮式移动机器人与操作臂型机器人联合创新设计的方案及完成作业控制策略。机器人如何知道自己所在的位置？移动机器人一边移动一边知道自己所处的位置是非常重要的而且也是必须的。移动机器人是用计算机控制来工作的。计算机对所有的信息进行数字处理，移动机器人的位置和姿态是用数字表示的。即在地面上建立二维坐标系，将移动机器人坐标位置与方向用数值表示即可以了。机器人的移动环境地图可以描述在同一坐标系中，从当前的位置姿态来看立即就能明白移动机器人在地图上位于何处。测程法：是移动机器人推定当前所处位置和姿态常用的方法，是对车体速度积分的方法。车体的速度是根据车轮单位时间转过的角度求得的。因此，由单位时间内车轮转角的积分就可以计算出移动机器人当前所的位置和姿态。这些物理量当然能够有传感器测得。上述有关移动机器人位置和姿态推算的测和法是最基本的方法。可是，当机器人车轮一旦产生滑移，如上所述方法中积分挖法就会产生误差。行走距离越远产生的误差就越大。车轮的回转角、角速度的测量方法独立二轮驱动型移动机器人的行进方向速度V和回转角速度可用公式计算出来。因此为用测程法计算行进方向速度V和回去转角速度，测量回转轴转角的传感器除上述提到的光电编码器外，还有测速电机、电位计等等。轮式移动机器人的控制方法：由与位移成比例的操纵机构操纵的直线行走；与位移、位移的时间微分成比例操纵方法的直线行走；独立二轮驱动型移动机器人的直线行走。直线行走控制方法的总结：其控制系统构成要点如下：a.测量偏离期望行走直线的和过，以及移动机器人的回转角速度；b.若为转向操纵车轮型移动机器人，用公式计算转向角的目标值。在该目标值下控制转向角。并以实现行进速度目标值ref进行速度控制。c.若为独立二轮驱动型移动机器人，用公式计算机器人的目标回转角速度ref。进一步地，由行进速度目标值vref和ref，用公式求得左右驱动轮的回转角速度，控制左右驱动轮的回转角速度。移动机器人作为机器人系统中的一个重要的分支,近年来已经成为机器人应用领域一个热点。开展机器人移动机构的开发和研制工作,根据不同工环境的要求开发了多种多样的移动机构。其中全方位移动机构因为其独特的优点,如高精度的定位性、原地自转功能以及二维平面上的全方位移动运动能力,成为了机器人移动机构研究的重点。设计一种基于Mecanum轮系的四轮全方位移动混联式操作臂机器人,深入研究了全方位移动机构的运动特性,并在此基础上对机构的控制方案进行设计与研究。 首先从Mecanum轮的结构和基本运动原理,分析由4个Mecanum轮组成的全方位移动机构系统的运动规律,建立了该系统的运动学、动力学模型。根据Mecanum轮的运动原理,对辊子的轮廓形状进行了研究,获得轮廓的参数化方程,根据实际要求确定了全方位移动机构系统的机构的主要参数,完成了相应的结构设计。 在移动平台的基础上,提出了一种新型基于差动驱动的串、并联操作机械臂,该机械臂结合了串、并联机器的优点,具有较大的抓取/自重比。建立了该机械臂的数学模型,对其进行了正、反运动学的分析,运用SolidWorks对机械臂个部件进行了3D详细设计,采用ADAMS软件对机器人系统进行运动学和动力学仿真分析。通过仿真分析验证了所提方案的正确性合理性。 最后就机器人的控制系统提出总体设计思想,讨论了驱动电机的选择、调速以及驱动电路的实现等,并且通过Matlab/SimuLink模块完成电机以及PWM信号的仿真,为研发这种新型全方位移动混联式操作臂机器人提供了必要的基础。 研究的机器人系统运动灵活、稳定、承载能力强,可以实现平面内的全方位移动,应用前景比较广阔,可用于空间较为狭小的清扫、搬运、装配等工作。5.在可适用于轮式移动机器人的地面环境内，有需要上下多级台阶的作业需要机器人完成，试分析论述给出轮式移动机器人与双足（或四足、六足）步行机器人联合使用创新设计的方案和完成作业控制策略。同轮式移动机器人相比，四足、六足步行机器人具有步行稳定、可跨越障碍、上下台阶等特点，在室内、室外以及野外不平整地面都可等到稳定步行和越障的行走效果，。它的优点：第一，足式机器人的运动轨迹是一系列离散的足印，轮式和履带式机器人的则是一条条连续的辙迹。崎岖地形中往往含有岩石、泥土、沙子甚至峭壁和陡坡等障碍物，可以稳定支撑机器人的连续路径十分有限，这意味着轮式和履带式机器人在这种地形中已经不适用。而足式机器人对环境的破坏程度也较小。第二，足式机器人的腿部具有多个自由度，例运动的灵活性大大增强。它可以通过调节腿的长度保持身体水平，也可能通过腿 的伸展程度调整重心的位置，因此，不易翻倒，稳定性更高。第三，足式机器人的身体与地面是分离的，这使机器人的身体可以平衡地运动而不必考虑地面的粗糙程度和腿的旋转位置。当机器人需要携带科学仪器和工具工作时，首先将腿部固定，然后精确控制身体在三维空间中的运动，就可以达到对对象进行操作的目的。存在缺点：1）有些多足步行机器人体积和重量都很大。2）大多数多足步行机器人研究平台的承载能力不强从而导致它们没有能力承载视觉设备。3）步行敏捷性方面。其行走效率低，而且在机器人动步态步行方面的研究比较缺乏。4）多足步行机器人的控制方法需要改进。5）能源问题