垂直面繪畫(huà)機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告.docx

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機(jī)器人技術(shù)是當(dāng)今高技術(shù)研究的一個(gè)重要方向，普遍受到各國(guó)政府的關(guān)注。2014年中國(guó)工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)銷量達(dá)5.7萬(wàn)臺(tái)，同比增長(zhǎng)55%，約占全球市場(chǎng)總銷量的四分之一，連續(xù)兩年成為全球第一大工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)。據(jù)國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)統(tǒng)計(jì)，2005至2014年的十年間，我國(guó)工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)銷量的年均復(fù)合增長(zhǎng)率高達(dá)32.9％。預(yù)計(jì)到2017年，工業(yè)、服務(wù)和特種機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到750億美元，并帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)上千億美元的增長(zhǎng)。種種跡象表明：機(jī)器人技術(shù)和應(yīng)用已成為各國(guó)必爭(zhēng)領(lǐng)域和未來(lái)競(jìng)爭(zhēng)的制高點(diǎn)，各主要國(guó)家紛紛出臺(tái)機(jī)器人發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃。 2015年11月下旬，2015世界機(jī)器人大會(huì)在北京召開(kāi)。IEEE機(jī)器人與自動(dòng)化學(xué)會(huì)主席Raja Chatila致辭道：“今天，世界機(jī)器人大會(huì)在北京召開(kāi)，彰顯了世界各國(guó)對(duì)機(jī)器人技術(shù)的關(guān)注。如今人們普遍意識(shí)到，我們正在見(jiàn)證一場(chǎng)信息技術(shù)帶來(lái)的新革命，然而另一場(chǎng)革命也在進(jìn)行，它的征兆在幾年間一直若隱若現(xiàn)，這便是技術(shù)引發(fā)的革命，這也是行動(dòng)的科學(xué)?！? 眾所周知，勞動(dòng)力密集曾一度是中國(guó)制造業(yè)發(fā)展的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。此前，中國(guó)制造依靠人工成本優(yōu)勢(shì)贏得了“世界工廠”的稱號(hào)，近年來(lái)隨著我國(guó)人口紅利逐漸下降，不少企業(yè)開(kāi)始轉(zhuǎn)向越南、泰國(guó)、菲律賓等東南亞人口成本較低的國(guó)家開(kāi)設(shè)工廠，而伴隨機(jī)器人時(shí)代來(lái)臨，“機(jī)器代人”成為大勢(shì)所趨，并逐步倒逼中國(guó)制造業(yè)轉(zhuǎn)型，上述格局終將被打破。 機(jī)器人不只是簡(jiǎn)單意義上代替人工勞動(dòng)的工具，它還是綜合了人的特長(zhǎng)和機(jī)器特長(zhǎng)的一種擬人的機(jī)械電子裝置。其特點(diǎn)是，即有人對(duì)環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)器可長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作的、準(zhǔn)確度高、抗惡劣環(huán)境的能力。它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可或缺的自動(dòng)化設(shè)備[1]。 機(jī)器人技術(shù)國(guó)家工程研究中心主任、中國(guó)工程院院士王天然作了題為《機(jī)器人助力中國(guó)智能制造》的演講，提出中國(guó)要實(shí)現(xiàn)智能制造離不開(kāi)機(jī)器人，而下一代“人機(jī)共融”的機(jī)器人將是中國(guó)的機(jī)會(huì)，也是應(yīng)當(dāng)著力突破的方向?！皺C(jī)器人是智能制造的支撐設(shè)備，必將助力中國(guó)的智能制造發(fā)展，滿足中國(guó)的民生需求。與人共融是下一代機(jī)器人的本質(zhì)特征。各個(gè)學(xué)科的交叉結(jié)合將為機(jī)器人帶來(lái)新的發(fā)展機(jī)會(huì)。所以我們應(yīng)該關(guān)心它、抓住它為我們服務(wù)。” 機(jī)器人與人類的生活的聯(lián)系越發(fā)緊密，對(duì)機(jī)器人研究得越發(fā)深入，在探索各個(gè)領(lǐng)域機(jī)器人的過(guò)程中，人們漸漸的傾向于研究能夠模仿人類特定行為的類人機(jī)器人。《機(jī)器人產(chǎn)業(yè)十三五發(fā)展規(guī)劃》的草案當(dāng)中提到家庭輔助類機(jī)器人將以更高的性價(jià)比解放人類雙手。書(shū)寫(xiě)與繪畫(huà)是人類的重要特征之一，因此研制能模仿人類的書(shū)寫(xiě)和繪畫(huà)功能的機(jī)器人是人類的愿望之一。對(duì)其的深入研究也是在傳承中國(guó)文化和藝術(shù)，以高新技術(shù)為載體發(fā)揚(yáng)華夏文明。 寫(xiě)字和繪畫(huà)的機(jī)器人可運(yùn)用于教學(xué)、科普和日常生活當(dāng)中。在研究方面，可涉及到理論力學(xué)、驅(qū)動(dòng)與控制、軌跡規(guī)劃等領(lǐng)域[1]。在教學(xué)方面可為高等學(xué)府的機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、軟件等專業(yè)開(kāi)出機(jī)器人寫(xiě)字試驗(yàn)、繪圖試驗(yàn)、機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)試驗(yàn)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用試驗(yàn)、機(jī)器人數(shù)控編程試驗(yàn)等。在科普方面，可以陳列于各種城市科學(xué)館、少年館，作寫(xiě)字繪畫(huà)表演，激發(fā)新一代青少年對(duì)機(jī)器人的興趣等[2]。在日常生活方面可以進(jìn)行大面積的壁畫(huà)和圍墻的繪畫(huà)和寫(xiě)字作業(yè)等。以下將“寫(xiě)字和繪畫(huà)機(jī)器人”簡(jiǎn)稱為“繪畫(huà)機(jī)器人”。 2繪畫(huà)寫(xiě)字機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀 國(guó)內(nèi)外對(duì)于繪畫(huà)機(jī)器人的研究歷史很短、參與研究的人員也并不是很多。上世紀(jì) 90 年代，國(guó)外繪畫(huà)機(jī)器人開(kāi)始起步，而國(guó)內(nèi)研究則相對(duì)更晚，香港中文大學(xué)近年率先開(kāi)展了相關(guān)研究。在圖源獲取方面，從最初單純的軌跡規(guī)劃生成圖畫(huà)發(fā)展到基于圖像處理技術(shù)。在軌跡控制方面，一是從原先的 3 自由度發(fā)展到 6 自由度機(jī)械臂控制；二是由二維平面的圖畫(huà)繪制發(fā)展到了 2.5D 以及 3D 繪圖[3]。在機(jī)械方面，執(zhí)筆器的改變，由一開(kāi)始的機(jī)械固定到后來(lái)的控制類人手部握筆。在繪制工具方面已經(jīng)發(fā)展出噴涂式、硬筆式、軟筆式、毛筆式等。綜合以上所述的國(guó)內(nèi)外繪畫(huà)機(jī)器人的發(fā)展和現(xiàn)狀，本文按照以下的方式對(duì)繪畫(huà)機(jī)器人進(jìn)行不同的分類以說(shuō)明。 2.1按工作對(duì)象性質(zhì)分類 按繪畫(huà)機(jī)器人的工作對(duì)象可以分為水平面工作的機(jī)器人、垂直面工作的機(jī)器人、多平面工作的機(jī)器人和多維空間工作的機(jī)器人。 （1）水平面 是指工作空間在水平面的機(jī)器，模擬了人伏案寫(xiě)作時(shí)的姿態(tài)同時(shí)又能圍繞自己的底座在360°的任意空間內(nèi)進(jìn)行繪制和寫(xiě)字。各桿件的移動(dòng)空間大，相互間更易配合。 圖2.1水平面作業(yè)的機(jī)械手臂 圖2.2水平面作業(yè)的機(jī)器人 （2）垂直面 是指工作空間在垂直面的機(jī)器人，模擬人在黑板或墻壁上的姿勢(shì)。各桿件的移動(dòng)空間較狹窄，對(duì)桿件的長(zhǎng)度和各桿件間的配合要求較高。手部（即末端執(zhí)行器，以下簡(jiǎn)稱“手部”）所受合力平行于工作面。 圖2.3垂直平面作業(yè)的機(jī)械手臂 （3）多平面 工作空間不止一個(gè)平面，應(yīng)用更加廣泛，對(duì)整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)的靈活性和穩(wěn)定性要求更高。 圖2.4多平面作業(yè)的機(jī)械手臂 （4）2.5D，3D 可以不僅只在以XY為坐標(biāo)的二維平面內(nèi)作業(yè)，可以延伸到2.5維或3維，例如3D打印機(jī)。 2.2按機(jī)器人平臺(tái)分類 繪畫(huà)機(jī)器人按工作平臺(tái)的不同可分為懸掛式、單臂式和懸掛單臂式。 （1）懸掛式 其工作原理類似于激光打印機(jī)，由X軸導(dǎo)軌、Y軸導(dǎo)軌和Z軸的執(zhí)筆器組成。圖2.5為早期的繪畫(huà)機(jī)器人Aaron正在繪制抽象風(fēng)格的水彩畫(huà)，它由英國(guó)抽象派畫(huà)家Harold Cohen教授設(shè)計(jì)制造[4]。 圖2.5懸掛式繪畫(huà)機(jī)器人Aaron在作業(yè) （2）單臂式 單臂式的繪畫(huà)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)采用的是機(jī)械手的方式，它的靈活性更大，也可以安裝在服務(wù)型機(jī)器人身上[5]。圖2.6是由來(lái)自臺(tái)灣科技大學(xué)的Chyi-Yeu Lin設(shè)計(jì)制作的七自由度繪畫(huà)機(jī)器人。圖2.7是一個(gè)完整的單臂式三自由度繪畫(huà)機(jī)器人。 圖2.6臺(tái)灣科技大學(xué)的機(jī)器人在作業(yè) 圖2.7 三自由度的機(jī)械手臂CP robot （3）懸掛單臂式 往后發(fā)展，制作出了懸掛于單臂相結(jié)合的懸掛單臂式繪畫(huà)機(jī)器人。在保證手部可以大面積覆蓋的同時(shí)又增加了靈活性，使這種繪畫(huà)機(jī)器人所做出的圖形和字體更為精確和逼真。 圖2.8香港中文大學(xué)在高交會(huì)上展示的繪畫(huà)機(jī)器人 2.3按繪制工具分類 （1） 硬筆型繪畫(huà)機(jī)器人 （2）軟筆型繪畫(huà)機(jī)器人 3主要研究?jī)?nèi)容 3.1機(jī)械設(shè)計(jì) （1）各桿件長(zhǎng)度 （2）電機(jī)與減速器 （3）執(zhí)筆器 3.2運(yùn)動(dòng)分析 （1）運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題研究機(jī)械手末端執(zhí)行器（即手部）相對(duì)參考坐標(biāo)系的位置、姿態(tài)和速度與各關(guān)節(jié)變量間的關(guān)系，包括運(yùn)動(dòng)學(xué)正問(wèn)題和運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問(wèn)題。運(yùn)動(dòng)學(xué)正問(wèn)題是已知關(guān)節(jié)的位置和速度，求得末端執(zhí)行器的位置、姿態(tài)和速度；反之，已知末端執(zhí)行器的位置、姿態(tài)和速度，需求關(guān)節(jié)的位置和速度，以驅(qū)動(dòng)各關(guān)節(jié)的電機(jī)旋轉(zhuǎn)，使手部的位姿要求得到滿足，這一工程稱為運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問(wèn)題。本課題是已知末端執(zhí)行器在垂直面的運(yùn)動(dòng)軌跡，涉及的是求解運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問(wèn)題。 （2）動(dòng)力學(xué)分析 機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題分為逆向問(wèn)題和前向問(wèn)題。逆向動(dòng)力學(xué)問(wèn)題屬于純代數(shù)問(wèn)題，其本質(zhì)上是對(duì)機(jī)器人末端執(zhí)行器的計(jì)算扭矩控制。前向動(dòng)力學(xué)問(wèn)題應(yīng)用于機(jī)器人末端執(zhí)行器計(jì)算機(jī)仿真和設(shè)計(jì)。本課題是可知某時(shí)刻機(jī)器人末端執(zhí)行器的位置、速度和加速度求解各關(guān)節(jié)所需的驅(qū)動(dòng)力或力矩，涉及的是動(dòng)力學(xué)逆向問(wèn)題。 3.3仿真 （1）工作空間仿真。 根據(jù)已知的工作空間確定各桿件的初始長(zhǎng)度，利用MATLAB進(jìn)行工作空間仿真，確定目前的方案是否有空洞或空腔的存在。如果存在，則需要微調(diào)桿件長(zhǎng)度以提高工作空間的覆蓋率。 （2）運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真 利用ADAMS進(jìn)行仿真分析，求得各關(guān)節(jié)的位移、速度、加速度。 （3）軌跡仿真 用多項(xiàng)式插值法進(jìn)行軌跡規(guī)劃的計(jì)算，用MATLAB進(jìn)行仿真，得到的角速度數(shù)據(jù)導(dǎo)入ADAMS進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。 （4）動(dòng)力學(xué)仿真 在考慮質(zhì)量和外力的作用下，進(jìn)行更符合實(shí)際情況的仿真分析，同樣利用ADAMS進(jìn)行仿真分析。 4方案選擇 4.1整體結(jié)構(gòu) 編號(hào) 種類 優(yōu)點(diǎn) 不足 方案一 懸掛式 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制簡(jiǎn)單，易于做出實(shí)物 結(jié)構(gòu)太大， 實(shí)用性不強(qiáng) 方案二 車載懸掛式 體積小， 便于移動(dòng)和運(yùn)輸 吸附難實(shí)現(xiàn)， 控制與定位較復(fù)雜， 調(diào)試耗時(shí)久 方案三 機(jī)械手臂 靈活性高， 系統(tǒng)的擴(kuò)展空間大 自由度越多控制越難 方案一：由導(dǎo)軌滑臺(tái)為主要構(gòu)件，以步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動(dòng)元件，直觀簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)整個(gè)黑板的全面覆蓋。 1. X軸電機(jī) 2. 固定座 3. X軸絲杠 4. 執(zhí)筆器（滑臺(tái)） 5. Y軸絲杠 6. Y軸電機(jī) 方案二：在方案一的基礎(chǔ)上發(fā)展，將導(dǎo)軌滑臺(tái)裝置安裝在四個(gè)車輪上，并縮小其體積，使得本方案體積小，輕巧便攜的優(yōu)點(diǎn)得到突出。將作業(yè)區(qū)域模塊化，在控制方面，導(dǎo)軌和小車各自擁有一套算法。 1. X軸電機(jī) 2. 車輪 3. 固定座 4. X軸絲杠 5. Y軸電機(jī) 6. Y軸絲杠 7.執(zhí)筆器（滑臺(tái)） 方案三：采用機(jī)械手臂的形式，模仿人類的動(dòng)作完成作業(yè)。 1.底座 2. 電機(jī)I 3. 連桿I 4.連桿II 5連桿III 6. 執(zhí)筆器 7.連桿IV 8.電機(jī)IV 9.電機(jī)III 10.電機(jī)II 結(jié)合自身興趣綜合考慮后，選擇方案三。 4.2執(zhí)筆器 （1）純機(jī)械固定 ① 卡箍螺栓固定 ② 過(guò)盈固定 （2）機(jī)電固定[6] （3）機(jī)械手自主抓握固定 結(jié)合自身能力綜合考慮選擇機(jī)電固定。 4.3電機(jī) 種類 特點(diǎn) 適用場(chǎng)合 直流有刷電機(jī)+減速箱+編碼器 啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，成本低，速度和轉(zhuǎn)矩比較適中 一般控制場(chǎng)合 直流無(wú)刷電機(jī)+減速箱+編碼器 壽命長(zhǎng)，控制簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，速度上限高 對(duì)精度、速度、穩(wěn)定性等綜合要求高的場(chǎng)合 步進(jìn)電機(jī)+減速箱 雖然是開(kāi)環(huán)的但控制精度可以做到很高，控制成本較低；容易丟步使得轉(zhuǎn)矩和速度特性都很一般 一般控制場(chǎng)合 伺服電機(jī)+減速箱 相對(duì)于步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩更大，精度更高，成本高 要求較高的控制場(chǎng)合 直接驅(qū)動(dòng)電機(jī) 具有較高的剛性， 幾乎無(wú)摩攘 機(jī)械手臂 4.4減速器 機(jī)器人常用的減速器有以下幾種： 編號(hào) 種類 優(yōu)點(diǎn) 不足 適用場(chǎng)合 方案一 諧波減速器 承載能力高，傳動(dòng)比大，體積小，重量輕，傳動(dòng)效率高，壽命長(zhǎng) 柔輪的剛度偏低 載荷要求不大的關(guān)節(jié) 方案二 RV減速器 剛度高，抗沖擊能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)緊湊，減速比大，傳動(dòng)精度高 價(jià)格較貴 載荷要求較大 精度要求較高 方案三 行星減速器 高剛性、高精度、重量輕、體積小、傳動(dòng)比范圍大、效率高、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、噪聲低適應(yīng)性強(qiáng)。 對(duì)同心度要求十分高 適用于起重運(yùn)輸、工程機(jī)械、石油化工、輕工紡織、醫(yī)療器械、儀器儀表等工業(yè)部門 機(jī)器人用減速器必須要滿足體積小、精度高、重量輕、減速比大、剛度高等要求?？拷┒说年P(guān)節(jié)可采用諧波減速器，靠近底座的關(guān)節(jié)應(yīng)采用RV或行星減速器。但因?yàn)楸菊n題涉及的繪畫(huà)機(jī)器人屬于輕型機(jī)器人，在滿足條件的情況下可采用成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的方案三——諧波減速器【7】。該減速機(jī)構(gòu)也可完成旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)。 4.5傳動(dòng)裝置 查閱手冊(cè)，結(jié)合輕型機(jī)械手的實(shí)際情況，機(jī)械手的直線運(yùn)動(dòng)由同步帶來(lái)實(shí)現(xiàn)。同步帶用于傳遞平行軸間的運(yùn)動(dòng)或?qū)⒒剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)。 機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可由自帶減速器、編碼器的電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，可有諧波齒輪帶動(dòng)。 5預(yù)定要求 （1）各關(guān)節(jié)的電機(jī)安裝 （2）電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩 （3）機(jī)械結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計(jì) （4）機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及受力 （6）運(yùn)動(dòng)分析 6設(shè)計(jì)思路 7進(jìn)度安排 1 通過(guò)廣泛調(diào)研有關(guān)書(shū)籍、（國(guó)內(nèi)、國(guó)外）文獻(xiàn)，熟悉黑板繪畫(huà)機(jī)器人的工作原理及相關(guān)動(dòng)作，確定擬定的分析和解決問(wèn)題步驟、內(nèi)容，寫(xiě)出分析和解決問(wèn)題的方案和開(kāi)題報(bào)告，參加開(kāi)題答辯 1月11號(hào)～3月10號(hào) 2 對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì) 3月11號(hào)～3月16號(hào) 3 根據(jù)所設(shè)計(jì)的詳細(xì)方案進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)計(jì)算 3月17號(hào)～3月22號(hào) 4 建立機(jī)械結(jié)構(gòu)模型，出工程圖，進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真運(yùn)行 3月23號(hào)～5月13號(hào) 5 對(duì)原有參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)和驗(yàn)算，完善工程圖 5月14號(hào)～5月20號(hào) 6 完成畢業(yè)論文, 英語(yǔ)翻譯分散到以上的時(shí)間里 5月21號(hào)～5月29日 7 完成論文正稿編寫(xiě)、外文文獻(xiàn)翻譯，提交畢業(yè)論文全部資料 5月30日～6月05日 8設(shè)計(jì)的預(yù)期結(jié)果 （1）含有分析計(jì)算過(guò)程、詳細(xì)步驟的符合任務(wù)書(shū)要求的畢業(yè)論文一份。 （2）模擬機(jī)械手臂工作時(shí)的運(yùn)動(dòng)仿真動(dòng)畫(huà)。 （3）合計(jì)工作量為1.5張A0圖紙的工程圖。 9參考文獻(xiàn) [1] 馬曉花. 四自由度串聯(lián)機(jī)械手軌跡規(guī)劃研究[D].內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué),2010. 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