垂直多關節(jié)機器人位置控制結構設計（腰部關節(jié)）

垂直多關節(jié)機器人位置控制結構設計（腰部關節(jié)）,垂直,關節(jié),機器人,位置,控制,結構設計,腰部 南京理工大學泰州科技學院 畢業(yè)設計(論文)開題報告 學 生 姓 名： （3號楷體） 學 號： （用3號楷體） 專 業(yè)： （用3號楷體） 設計(論文)題目： 垂直多關節(jié)機器人位置控制結構設計（腰部關節(jié)） 指 導 教 師: （用3號楷體） 年 月 日 畢 業(yè) 設 計（論 文）開 題 報 告 1．結合畢業(yè)設計（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 文章闡述了機器人在機械制造噴漆中的發(fā)展，并分析了機械的組成部分及其工作原理和設計的過程。同時闡述了垂直多關節(jié)機器人在國內外的發(fā)展狀況，以及機器人的分類。最后闡述了該課題的意義，及主要研究內容及研究方法。 關鍵詞 機器人 ，垂直多關節(jié)機器人 ，自動噴涂 1 噴涂機器人概述 目前，噴涂機器人的定義，世界各國尚未統(tǒng)一，分類也不盡相同。最近聯(lián)合國國際標準化組織采納了美國機器人協(xié)會給噴涂機器人下的定義：噴涂機器人是一種可重復編程的多功能操作裝置，可以通過改變動作程序，來完成各種工作，主要用于搬運材料，傳遞工件。參考國外的定義，結合我國的習慣用語，對噴涂機器人作如下定義： 噴涂機器人是一種機體獨立，動作自由度較多，程序可靈活變更，能任意定位，自動化程度高的自動操作機械。是可進行自動噴漆或噴涂其他涂料的工業(yè)機器人。 噴涂機器人以剛性高的手臂為主體，與人相比，可以有更快的運動速度，可以搬運更重的東西，而且定位精度相當高，它可以根據(jù)外部來的信號，自動進行各種操作。 噴涂機器人是在計算機控制下可編程的自動機器。采用噴涂機器人是提高產品質量與勞動生產率，實現(xiàn)生產過程自動化，改善勞動條件，減輕勞動強度的一種有效手段。機器人的誕生和發(fā)展雖只有30多年的歷史，但它已應用到國民經(jīng)濟，民事技術等眾多的領域，具有廣闊的應用和發(fā)展前景，顯示出強大的生命力[1-2]。 1.1 噴涂機器人功能 根據(jù)所處的環(huán)境和作業(yè)需求，噴涂機器人具有可進行自動噴漆或噴涂其他涂料功能（如視覺，力覺，觸覺等）。以及語音功能及至邏輯思維，判斷決策功能等。從而使其能在要求的環(huán)境中代替人進行作業(yè)。 本次設計就是在這一思維下展開的。根據(jù)設計內容和需求確定圓柱坐標型噴涂機器人，利用錐齒輪傳動實現(xiàn)機器人的旋轉，利用機電缸實現(xiàn)其移動以及對零件自動噴漆或噴涂。在步進電機的控制下，機器達到精確的回轉運動[3-4]。 1.2 噴涂機器人的發(fā)展 噴涂機器人的發(fā)展，由簡單到復雜，由初級到高級逐步完善，它的發(fā)展過程可分為三代： 第一代噴涂機器人就是目前工業(yè)中大量使用的示教再現(xiàn)型噴涂機器人，它主要由手部、臂部、驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。它的控制方式比較簡單，應用在線編程，即通過示教存貯信息，工作時讀出這些信息，向執(zhí)行機構發(fā)出指令，執(zhí)行機構按指令再現(xiàn)示教的操作。 第二代機器人是帶感覺的機器人。它具有尋力覺、觸覺、視覺等進行反饋的能力。其控制方式較第一代噴涂機器人要復雜得多，這種機器人從1980年開始進入了實用階段，不久即將普及應用。 第三代噴涂機器人即智能機器人。這種機器人除了具有觸覺、視覺等功能外，還能夠根據(jù)人給出的指令認識自身和周圍的環(huán)境，識別對象的有無及其狀態(tài)，再根據(jù)這一識別自動選擇程序進行操作，完成規(guī)定的任務。并且能跟蹤工作對象的變化，具有適應工作環(huán)境的功能。這種機器人還處于研制階段，尚未大量投入工業(yè)應用[4]。 1.3 噴涂機器人的總體結構 噴涂機器人的組成及各部分關系概述： 它主要由機械系統(tǒng)(執(zhí)行系統(tǒng)、驅動系統(tǒng))、控制檢測系統(tǒng)及智能系統(tǒng)組成。 (1) 執(zhí)行系統(tǒng)：執(zhí)行系統(tǒng)是噴涂機器人完成抓取工件，實現(xiàn)各種運動所必需 的機械部件，它包括手部、腕部、機身等。 (a) 末端執(zhí)行器：機器人為了進行作業(yè)而配置的操作機構，直接噴漆工件。 (b) 腕部：又稱手腕，是連接手部和臂部的部件，其作用是調整或改變末端執(zhí)行器的工作方位。 (c) 臂部：聯(lián)接機座和手部的部分，是支承腕部的部件，作用是承受工件的管理管理荷重，改變手部的空間位置，滿足機器人的作業(yè)空間，將各種載荷傳遞到機座。 (d) 機身：機器人的基礎部分，起支撐作用，是支撐手臂的部件，其作用是帶動臂部自轉、升降或俯仰運動。 (2) 驅動系統(tǒng)：為執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動力，并驅動其動力的裝置。常用的有 機械傳動、機電傳動、氣壓傳動和電傳動。 (3) 控制系統(tǒng)：通過對驅動系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行系統(tǒng)按照規(guī)定的要求進行工作，當發(fā)生錯誤或故障時發(fā)出報警信號。 (4) 檢測系統(tǒng)：作用是通過各種檢測裝置、傳感裝置檢測執(zhí)行機構的運動情況，根據(jù)需 要反饋給控制系統(tǒng)，與設定進行比較，以保證運動符合要求。 實踐證明，噴涂機器人可以代替人手的繁重勞動，顯著減輕工人的勞動強度，改善勞動條件，提高勞動生產率和自動化水平。工業(yè)生產中經(jīng)常出現(xiàn)的笨重工件的搬運和長期頻繁、單調的操作，采用機器人是有效的。此外，它能在高溫、低溫、深水、宇宙、放射性和其他有毒、污染環(huán)境條件下進行操作，更顯示其優(yōu)越性，有著廣闊的發(fā)展前途[4-8]。 2 不同驅動系統(tǒng)噴涂機器人的比較 噴涂機器人的驅動方式可分為四種： (1) 氣力驅動式的機器人：氣源壓力一般只有60Mpa左右，適宜小的場合。 (2) 液力驅動式的機器人：結構緊湊，傳動平穩(wěn)且動作靈敏，但對密封的要求較高，且不宜在高溫或低溫的場合工作，要求的制造精度較高，成本較高。 (3) 電力驅動式的機器人：無環(huán)境污染，易于控制，運動精度高，成本低，驅動效率高等優(yōu)點，其運用最為廣泛。 (4) 新型驅動式的機器人：例如靜電驅動器，壓電驅動器，形狀記憶合金驅動器，人工肌肉及光驅動器等[4]。 3 噴涂機器人 3.1 機器人結構 (1) 手部：是機器人與工件接觸的部件。由于與物體接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手部。由于本課題的工件是圓柱狀棒料，所以采用夾持式。由手指和傳力機構所構成，手指與工件接觸而傳力機構則通過手指夾緊力來完成夾放工件的任務。 (2) 手腕：是聯(lián)接手部和手臂的部件，起調整或改變工件方位的作用。 (3) 手臂：支承手腕和手部的部件，用以改變工件的空間位置。 (4) 立柱：是支承手臂的部件。手臂的回轉運動和升降運動均與立柱有密切的聯(lián)系。機器人的立柱通常為固定不動的。 (5) 機座：是機器人的基礎部分。機器人執(zhí)行機構的各部件和驅動系統(tǒng)均安裝于機座上，故起支承和聯(lián)接的作用[7]。 3.2 機器人的分類 (1)根據(jù)所承擔的作業(yè)的特點，噴涂機器人可分為以下三類： (a)承擔搬運工作的機器人：這種機器人在主要工藝設備運行時，用來完成輔助作業(yè)，如裝卸毛坯、工件和工垂直多關節(jié)機器人。 (b)生產工業(yè)用機器人：可用于完成工藝過程中的主要作業(yè)，如裝配、焊接、涂漆、彎曲、切斷等。 (c) 專用噴涂機器人：其用途廣泛，可以完成各種工藝作業(yè)[9]。 (3)按驅動方式分： (a)機電傳動機器人 (b)氣壓傳動機器人 (c)機械傳動機器人 (4)按控制方式分： (a)固定程序機器人：控制系統(tǒng)是一個固定程序的控制器。程序簡單，程序數(shù)少，而且是固定的，行程可調但不能任意點定位。 (b)可編程序機器人：控制系統(tǒng)是一個可變程序控制器。其程序可按需要編排，行程能很方便改變[10-15]。 4 結束語 本課題通過應用AutoCAD 技術對噴涂機器人進行結構設計和機電傳動原理設計。它能垂直多關節(jié)機器人的研究是有必要的，也必將成為新一代替代人力，噴涂機器人的運動速度是按著滿足生產率的要求來設定。相信未來噴涂在機械工業(yè)中將發(fā)揮越來越重要的作用。 參 考 文 獻 [1] 徐灝.機械設計手冊3[M].北京：機械工業(yè)出版社,1998. [2] 徐灝.機械設計手冊4[M].北京：機械工業(yè)出版社,1998. [3] 徐灝.機械設計手冊5[M].北京：機械工業(yè)出版社,1998. [4] 張建民.工業(yè)機器人[M].北京：北京理工大學出版社，1994. [5] 《工業(yè)垂直多關節(jié)機器人》編寫組.工業(yè)垂直多關節(jié)機器人-機械結構上[M].上海：上?？茖W技術出版社,2005. [6] 《機床設計手冊》編寫組.機床設計手冊3[M].北京：機械工業(yè)出版，1999. [7] 丁樹模.液壓傳動[M].北京：機械工業(yè)出版社，1998. [8] 顏永年.機械制圖[M].大連：大連理工大學工程畫教教研室，1998. [9] 李恒權，朱明臣，王德云.畢業(yè)設計指導書[M].山東：青島海洋出版社，1990. [10] 王棟梁.機械基礎[M].北京：機械基礎，1995. [14] 李允文.《工業(yè)垂直多關節(jié)機器人設計》[M].機械工業(yè)出版社,北京，1996. [12] 黃鶴汀.機械制造技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，1998. [13] 吳宗澤,羅圣國.機械設計課程設計手冊[M].北京：高等教育出版社，2006 [14] 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 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）： 1 要研究的問題 了解垂直多關節(jié)機器人的特點： 根據(jù)垂直多關節(jié)機器人的特點，執(zhí)行系統(tǒng)一般包括手部、腕部、臂部、機身機座等，其中最主要是運動系統(tǒng)。 垂直多關節(jié)機器人主要由執(zhí)行系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)及控制系統(tǒng)三部分組成。 腕部、臂部、機身是將手部抓取的工件或工具進行搬運或操作的部件。 驅動系統(tǒng)是驅動臂部、腕部、手部和垂直多關節(jié)機器人整體運動機構動作的動力裝置，常用的驅動方式有液壓、氣動、機械、電氣或其他的組合。 控制系統(tǒng)是支配垂直多關節(jié)機器人按規(guī)定程序和要求進行運動的裝置，他們主要用來控制： 位置（點位控制或連續(xù)軌跡控制） 時間、速度 和加速度等參數(shù) 垂直多關節(jié)機器人與主機及其它有關裝置之間的聯(lián)系。 噴涂機器人系統(tǒng)總體方案的內容包括：系統(tǒng)運動方式的確定，伺服系統(tǒng)的選擇，執(zhí)行機構的結構及傳動方式的確定，計算機系統(tǒng)的選擇等內容。應根椐設計任務和要求提出系統(tǒng)的總體方案，對方案進行總體分析和論證，最后確定總體方案。 伺服系統(tǒng)的選擇： 旋轉、擺動機構采用開環(huán)控制系統(tǒng)，選用快速步進電機。開環(huán)控制系統(tǒng)無檢測元件，系統(tǒng)結構簡單，造價低，調整和維修都容易。 執(zhí)行機構傳動方式的確定： 為保證系統(tǒng)的傳動精度和工作平穩(wěn)性，在設計機械傳動裝配時，應考慮以下幾點： （1）盡量采用低摩擦的傳動和導向元件。 （2）盡量消除傳動間隙。 （3）縮短傳動鏈?？s短傳動鏈可以提高系統(tǒng)的傳動剛度，減小傳動誤差?？梢圆捎妙A緊以提高系統(tǒng)的傳動剛度。例如，在絲杠的兩支承端軸向固定，并加預緊拉伸的結構等來提高傳動剛度。 2 要采用的手段 1) 在學校圖書館查閱相關資料。 通過書籍和網(wǎng)絡查找最新的垂直多關節(jié)機器人設計的發(fā)展動向，盡量在保證原來參數(shù)的基礎上，采用最新的一些結構，這樣才能使設計具有實用性和時代性。 2) 通過老師的指導。 通過老師的指導，可以便捷地設計步驟。 3) 通過瀏覽因特網(wǎng)上的相關資料。 網(wǎng)上有很多關于垂直多關節(jié)機器人設計指導。 4) 用相關的繪圖軟件畫出零件圖和裝配圖。 學習AutoCAD等軟件，繪出零件圖和裝配圖。同時對照課題任務的內容和要求，對具體參數(shù)進行設計和計算，選擇合適的結構和部件，畫出重要部件或者結構的視圖，同時通過指導老師的指導對每一個可執(zhí)行的方案進行最后的分析和確認。 5) 撰寫設計說明書。 畢 業(yè) 設 計（論 文）開 題 報 告 指導教師意見： 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計（論文）結果的預測： ××××××××（小4號宋體，1.5倍行距）××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××…………。 指導教師： 年 月 日 所在專業(yè)審查意見： 負責人： 年 月 日