球面SCARA機器人總體及控制系統(tǒng)設(shè)計

球面SCARA機器人總體及控制系統(tǒng)設(shè)計,球面,scara,機器人,總體,整體,控制系統(tǒng),設(shè)計 鹽城工學院本科生畢業(yè)設(shè)計PLC仿真報告 2011在安裝有三菱PLC編程調(diào)試軟件GX Developer的計算機內(nèi)追加安裝GX-Simulator后，就能夠在計算機上實現(xiàn)PLC離線狀態(tài)下的順控程序調(diào)試工作。GX-Simulator仿真軟件可對三菱A系列、FX系列、Q系列PLC的用戶程序進行離線仿真與調(diào)試，能夠更有效地完成順控程序調(diào)試工作，從而縮短設(shè)計開發(fā)周期，降低費用。一 仿真軟件的功能就是將程序在虛擬的PLC中啟動運行,如果沒有編好的程序,如何進行仿真?所以,在安裝仿真軟件GX-Simulator之前,必須先安裝GX-Developer,并且版本要互相兼容。二 安裝好編程軟件和仿真軟件后,在桌面或者開始菜單中并沒有仿真軟件的圖標。因為仿真軟件被集成到編程軟件GX-Developer中了，其實這個仿真軟件相當于編程軟件的一個插件。GX Simulator軟件具有如下PLC仿真功能：監(jiān)視、測試PLC內(nèi)部軟元件、內(nèi)存功能。利用GX Simulator可在PLC離線的狀態(tài)下成批量監(jiān)視軟元件的狀態(tài)，并可強制開、閉位軟元件和改變字軟元件的當前值進行軟元件測試。能夠模擬外部機器運行IO系統(tǒng)設(shè)定功能。GX Simulator可在IO系統(tǒng)設(shè)定中通過使用位軟元件的ONOFF條件和字軟元件的值的組合對話界面的設(shè)定，就能夠模擬來自外部的輸入。能夠進行軟元件緩沖存儲器的保存讀取的工具功能。模擬和外部機器通信串行通信功能。GX Simulator可以通過該功能來模擬外部機器的串行通信模塊，進行可編程控制器與外部機器的串行通信模塊之間傳輸通訊格式是否正確的驗證工作。能夠進行軟元件，緩沖存儲器的保存讀取。通過該功能可以保存PLC內(nèi)的軟元件、存儲器、特殊功能模塊的緩沖存儲器的數(shù)據(jù)，并可以將其用于以后調(diào)試工作中。三 接下來我們做一下機器人的程序仿真：1. 初始化程序的仿真（1）點擊快捷圖標進行仿真。（2）程序會自動寫入PLC中。（3）程序?qū)懭雙lc后，如果程序正確，會顯示RUN；否則ERROR。（4）程序正確，但是X1，X3,X6的常開未閉合，初始化程序沒有真正啟動。這就需要把他們強制為ON。（5）除此之外還有軟元件監(jiān)控，只要雙擊軟元件就能切換它的狀態(tài)，同時輸出效果也會相應的顯現(xiàn)出來。（6）除了以上兩種仿真方法，還可以利用時序圖，實時的監(jiān)控各個軟元件的狀態(tài)。2.回原位程序的仿真（1）點擊快捷鍵，進行仿真（2）載入程序(3)程序載入后是可運行的，打開軟元件監(jiān)控，每次雙擊一下轉(zhuǎn)換條件，進行步進動作。3.手動程序的仿真（1）點擊快捷鍵，進行仿真。（2）載入程序（3）手動設(shè)置各個按鈕的閉合斷開狀態(tài)，一步一步地執(zhí)行程序。（4）也可以用時序圖或者軟元件進行監(jiān)控4.自動程序的仿真（1）點擊快捷鍵仿真，載入程序。（2）進入步進狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。（3）打開軟元件監(jiān)控，一步步地進行步進指令的操作。17 畢 業(yè) 設(shè) 計 附 件 三PLC仿真報告專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 學生姓名 董香龍 班 級 B機制077 學 號 0710101717 指導教師 袁 健 完成日期 2011年6月6 日 畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書課題： 球面SCARA機器人總體及控制系統(tǒng)設(shè)計 專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 學 生 姓 名 董香龍 班 級 B機制077 學 號 0710101717 指 導 教 師 袁 健 專 業(yè) 系 主 任 王 福 元 發(fā) 放 日 期 2011年 2 月 20 日 一、設(shè)計內(nèi)容根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計總體要求，設(shè)計一臺三自由度教學型機器人，用于實踐教學，機器人能進行三個自由度方向的運動，本課題主要設(shè)計該機器人的總體結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)，具體內(nèi)容有：1設(shè)計總體方案，確定機器人的總體結(jié)構(gòu)，繪制機器人機械結(jié)構(gòu)裝配圖；2各電機的選擇，各零部件設(shè)計計算和選擇，進行機器人大臂、小臂結(jié)構(gòu)設(shè)計，并繪制主要零件圖；3控制系統(tǒng)的設(shè)計：1）繪制機器人的控制系統(tǒng)接線圖；2）編寫機器人的控制程序；4撰寫畢業(yè)設(shè)計說明書。二、設(shè)計依據(jù)1課題來源：實驗室課題；2產(chǎn)品名稱：球面SCARA型機器人；3第一軸、第二軸動作范圍都為,定位精度都為； 4第三軸r動作范圍100mm ，定位精度為0.015mm，最大抗力5N；5 工件最大直徑200mm；6批量：一臺。三、設(shè)計要求1能滿足要求，保證定位精度；2結(jié)構(gòu)簡單，運動可靠，裝卸方便，便于維修、調(diào)整； 3盡量使用通用件，以便降低制造成本；4各動力部件便于控制；5設(shè)計圖樣總量：折合成A0幅面在2張以上；工具要求：應用計算機軟件繪圖；過程要求：裝配圖需提供手工草圖；6畢業(yè)設(shè)計說明書按照學校規(guī)定的格式規(guī)范統(tǒng)一編排、打印，字數(shù)不少于1萬字；7查閱文獻資料10篇以上，并有不少于3000漢字的外文資料翻譯；8到相關(guān)單位進行畢業(yè)實習，撰寫不少于3000字實習報告；9撰寫開題報告。 四、畢業(yè)設(shè)計物化成果的具體內(nèi)容及要求1、畢業(yè)設(shè)計說明書 1 份按教務(wù)處畢業(yè)設(shè)計說明書格式規(guī)范統(tǒng)一編排、打印，字數(shù)不少于1萬字。2、設(shè)計圖樣1）機器人的機械結(jié)構(gòu)裝配圖 1 張2）機器人的控制系統(tǒng)接線圖 1 張3）機器人零件圖 不少于7張3、控制程序1) 控制程序 1 份2）控制程序編寫說明 1 份4、外文資料翻譯（英譯中）要求1）外文翻譯材料中文字不少于3000字。2）內(nèi)容必須與畢業(yè)設(shè)計課題相關(guān)；3）所選外文資料應是近10年的文章，并標明文章出處。五、 畢業(yè)設(shè)計（論文）進度計劃起訖日期工作內(nèi)容備 注2月20日2月21日布置任務(wù)2月21日3月19日調(diào)查研究，畢業(yè)實習，方案論證，總體設(shè)計3月20日4月7日技術(shù)設(shè)計（部件設(shè)計）4月7日5月7日工作設(shè)計（零件設(shè)計）5月8日5月25日撰寫畢業(yè)設(shè)計說明書5月26日5月27日畢業(yè)設(shè)計預答辯5月28日6月6日修改資料6月7日6月8日評閱材料6月9日6月10日畢業(yè)答辯6月11日6月15日材料整理裝袋六、 主要參考文獻：1朱世強，王宣銀機器人技術(shù)及其應用M杭州：浙江大學出版社, 20012蔡自興機器人學M北京：清華大學出版社，20003殷際英，何廣平關(guān)節(jié)型機器人M北京:化學工業(yè)出版社，20034霍偉機器人動力學與控制M北京：高等教育出版社, 20045王天然機器人M北京：化學工業(yè)出版社，20026孫迪生，王炎機器人控制技術(shù)M北京：機械工業(yè)出版社，1998.7吳振彪 機電綜合設(shè)計指導M北京：中國人民大學出版社，20008楊昌焜，金廣業(yè)可編程序控制器應用技術(shù)M北京：中國電力出版社，20039葉偉昌機械工程及自動化簡明設(shè)計手冊M北京：機械工業(yè)出版社，200110袁任光可編程序控制器應用技術(shù)與實例M廣州：華南理工大學出版社，200311張建民機電一體化系統(tǒng)設(shè)計M北京：高等教育出版社，2001七、其他八、專業(yè)系審查意見系主任： 年 月 日九、機械工程學院意見院長： 年 月 日6 外文翻譯專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 學 生 姓 名 董香龍 班 級 B機制077 學 號 0710101717 指 導 教 師 袁 健 外文資料名稱：Design and analysis of a spherical mobile robot 外文資料出處： Mechanism and Machine Theory 45 (2010) 130136 附 件： 1.外文資料翻譯譯文 2.外文原文 指導教師評語： 簽名： 年 月 日球形移動機器人的設(shè)計與分析 Vrunda A.Joshi,Ravi N.Banavar,Rohit Hippalgaonkar董香龍譯摘要：最近，我們的團隊構(gòu)造了了一個球形移動機器人的平面圖并且驗證了它是否滿足角動量守恒定律。該機器人是一個典型的非完整約束系統(tǒng)，它采用路徑規(guī)劃算法來鑒別某個平面系統(tǒng)的非完整性。這種球形移動機器人模型不同于已往的機器人模型，因此以往的算法不適用于本系統(tǒng)?？尚行月窂揭?guī)劃和反饋控制算法是該類機器人研究的理論基礎(chǔ)。 關(guān)鍵詞： 球形機器人；非完整約束系統(tǒng)；歐拉參數(shù)1.前言 移動機器人是機器人技術(shù)的重要分支之一。對于機器人的移動性（比如滾動），比一般的機器人更具優(yōu)勢。這種運動的磨損少，配置容量小，系統(tǒng)具有非完整性并且摩擦小。相對于單輪式機器人，陀螺儀的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，因為外形是球形，機器人可以從碰撞中恢復到原狀1。傳感器都可以安裝在里面的球殼，這樣機器人就可以得到有效的使用。所以，可以利用控制工程的理論來建設(shè)一個自主球形移動機器人的實驗平臺。球形移動機器人的驅(qū)動單元一般裝在球殼內(nèi)。它由球形外殼和拱狀體組成的，傳動裝置是由一個單擺和控制拱組成。拱狀體和單擺可以控制俯仰角。在2,3中，滾動輪子里面的球形外殼驅(qū)動電動機轉(zhuǎn)彎。該機器人的移動會受到平衡系統(tǒng)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的擾動。在Harmo設(shè)計和研發(fā)的球形移動機器人的實驗中 （這個特別的實驗稱之為“羅洛” ）4，他把驅(qū)動單元放在邊緣，這個驅(qū)動單元可繞兩軸旋轉(zhuǎn)。而具有這個結(jié)構(gòu)的小型車已經(jīng)使用了Sphericle的驅(qū)動單元5。這款車既可以獨輪運動也可以由兩個步進電機驅(qū)動。當介紹目前機器人的工作原理時它們的工作質(zhì)心都發(fā)生了變化。 Rollmob是由Ferrire等人設(shè)計和發(fā)展上的一個項目。6是一個由裝有輪子的普遍滾筒驅(qū)動的球。軋輥輪轉(zhuǎn)動帶動周圍軸輪球的滾動，而球的滾動方向垂直于該軸。由Bhattacharya等建筑設(shè)計的機器人7，是把兩個相互正交的轉(zhuǎn)子，從球殼內(nèi)連接到外部的機器人。沿Z軸的一個單轉(zhuǎn)子和沿X軸的兩個轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，這是作為一個單一的剛性連接體。當轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，由于角動量守恒定律，球形機器人可以在其相反的方向滾動。而GroundBot球形機器人是為外星勘探開發(fā)的。這個機器人的重心同地面控制鐘擺保持這密切的聯(lián)系。當機器人被提升，球就可以滾動。當擺側(cè)移動，球就轉(zhuǎn)圈，Spherobot是一個憑借Mukherji等球形移動機器人的機器裝置。8的大多數(shù)輻條都沿徑向放置，其徑向運動制造了機器人運動?！蔼氀劬奕讼到y(tǒng)”9在其運動中有兩個自由度，它可以通過垂直軸和輥軸利用馬達的動力沿水平方向前后動作，同時需要固定內(nèi)齒輪頭。審查過的文件提供了球形移動機器人構(gòu)造細節(jié)，這些文件可以在10,11里查閱到，該系統(tǒng)對現(xiàn)有的路徑規(guī)劃算法及反饋算法作了簡明的分析，這些可以從12,13得到。在本文中，我們提出了一個球形移動機器人的概念，及其設(shè)計，制作并在實驗室里分析和研究了這個系統(tǒng)。本文的組織如下：第2節(jié)介紹了機器人的結(jié)構(gòu)和設(shè)計細節(jié)，第3節(jié)介紹了利用四階矩陣建立的數(shù)學模型，在第4節(jié)中我們討論了機器人的四元空間。第5節(jié)是實驗結(jié)果的討論，第6節(jié)結(jié)束語。 2.設(shè)計 實驗室的球形移動機器人是在滿足角動量守恒定律的基礎(chǔ)上所設(shè)計的。該機器人有兩個內(nèi)部轉(zhuǎn)子，由4毫米厚的丙烯酸度材料制造。機器人的內(nèi)徑為30厘米。設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是安放內(nèi)部組件，（例如，確定機器人的質(zhì)心位置），這樣，機器人就不會自干涉了。實現(xiàn)這一目標的最簡單方式是把所有的零件對稱放置。球體內(nèi)部有兩個相互垂直的轉(zhuǎn)子軸，這兩個轉(zhuǎn)子軸的直徑為32cm，驅(qū)動電機為80w無刷，容量800MA，其中有二十個PACK鋰電電池，供一個電動機使用，總共有四節(jié)電池。這兩個速度控制單元控制電機的速度而且受外部控制器的信號影響。如圖1所示，對稱放置組件和轉(zhuǎn)子，電機的速度控制裝置放在邊上，且要與電池自重的方向相反放置。同樣，另一電機的速度控制也要與電池自重方向相反放置。如圖2所示 ，該機器人有兩個半球，每個半球由一個電機總成和一個電池聚集而成。機器人的總重量為3.4公斤。圖3顯示了發(fā)達的機器人的原理圖。正如在第1節(jié)討論的，在不同的文獻中驅(qū)動原理是不同的，一些球形機器人的工作原理發(fā)生了變化，而且在重力作用下，還要滿足角動量守恒定律。如前所述，我們的球形機器人工程是針對角動量守恒原則設(shè)計的。其他一個類似的原則可以參見工作球形機器人報道7,14。這兩個轉(zhuǎn)動方向相反的轉(zhuǎn)子式發(fā)動機必須質(zhì)量平衡，同步運行這些移動轉(zhuǎn)子可能會造成實際執(zhí)行時間的問題。對于這一點，我們有一個在X方向的單轉(zhuǎn)子以及Z方向的轉(zhuǎn)子來解決這一問題，我們提供了權(quán)重調(diào)整。此外，透明的球殼可以使學生在機器人運動中掌握它的內(nèi)部機制。兩個半球之間沒有相對運動，這是非常重要的。要做到這一點必須擰緊一個沿球體軸的連桿，正如圖3所示。圖1放置在一個半殼的組件圖2 球形機器人的結(jié)構(gòu)圖3 球形機器人的結(jié)構(gòu)簡圖3數(shù)學建模 本節(jié)描述了滾動球形機器人的研發(fā)，它采用四元分析模型。設(shè)想一個球形機器人在一個水平面上滾動，如圖4所示。慣性坐標系xIyIzI的起點記作點O。坐標軸xbybzb聯(lián)系著球坐標，其原來的球心G為坐標原點。廣義坐標的描述領(lǐng)域由15組成： 平面上的接觸點坐標； 表示該球體的方向變量。圖4 球體在表面上滾動我們用歐拉參數(shù)的4組參數(shù)來描述球的方向。歐拉參數(shù)是一個非奇異的二對一的映射。此外，在四元歐拉參數(shù)的方程中可以使用四元代數(shù)16-19。通過歐拉參數(shù)的設(shè)置，我們得到了廣義坐標為：其中（x，y）是接觸點I的坐標， E0和E1，E2和E3是歐拉的參數(shù)描述的四元數(shù)據(jù)，使得：（其中ib,jb,kb的是在車身骨架的單位向量，w是在給定范圍的角速度）對軸的角速度矢量投影可以涉及到歐拉參數(shù)的變化率，在17,20已經(jīng)給出：我們假設(shè)滾動球無滑動，則：對于一個單位球，無滑移約束方程減少到： 方程（1）及方程（3）描述了球體的運動狀態(tài)方程， （3）其中：可以證明該矩陣Q是一個正交矩陣，因此也是可逆的。內(nèi)部轉(zhuǎn)子（這是為機器人的驅(qū)動器）位于沿車身骨架的X軸和Z軸。該機器人是對稱的，因此，我們認為系統(tǒng)方程（3）可以是： （4）其中： （5a） . （5b）. （5c）4、模型性質(zhì)4.1、可控在我們開始對球形機器人的路徑規(guī)劃時，必須檢查是否存在一個路徑是連接球的任意位置。這個問題在Chow定理21已經(jīng)給出了答案，本節(jié)中，我們使用22的算法來回答這個問題?？紤]由方程（4）描述的系統(tǒng)：其中p,x1(p),x2(p)由方程（5）給出，我們計算了以下Lie Brackets時使用了菲利普Hall會議21,22的文獻， X3=X1,X2 (6a)X4=X1,X3 (6b)X5=X2,X3 (6c)X6=X1,X4 (6d) 這樣就形成一個上述Lie Brackets使用的向量場分布：=X1,X2,X3,X4,X5,X6其中： 可以說，所有高階括號都可以用X1，X2，X3的，X4，X5表示，它們分配為5級。由于使用了歐拉參數(shù)，變量數(shù)變?yōu)?。我們使用4個參數(shù)來描述一個系統(tǒng)的方向，同時需要定義一個超曲面， （7）這是一個三自由度的球，這給5階維數(shù)是配置相等的等級。因此，使用Chow的定理的系統(tǒng)是可控的，可在任意位置使用的Lie Brackets的向量場，（6）是所述的議案。4.2、轉(zhuǎn)換成鏈式 為了確定非完整程度，我們構(gòu)建與控制系統(tǒng)（4）相關(guān)的分布為：然后，我們用分布作為相關(guān)過濾來建立方程，根據(jù)文獻23，這使反饋轉(zhuǎn)化為一個鏈式非完整系統(tǒng)的兩個輸入量，當且僅當 （8）在這種特殊情況下，可以看出，條件（8）不滿足，這時不可能轉(zhuǎn)換成鏈式模型。5、實驗裝置和討論實驗已經(jīng)嚴格地按照如圖所示5的實驗裝置進行了。系統(tǒng)中的主控制器是一款具有藍牙功能的PC機，從而產(chǎn)生控制信號，再根據(jù)算法編程?？刂菩盘杺鬏?shù)轿⒖刂破鱌IC16F877，通過藍牙調(diào)制解調(diào)器Blue Smirf Gold解調(diào)。根據(jù)電腦接收到的信號，微控制器控制的DC使用數(shù)位類比轉(zhuǎn)換器（DAC），這樣電機就轉(zhuǎn)動起來了。啟用具有反饋的霍爾傳感器，它通過電機和光學編碼器，把該轉(zhuǎn)子位置信息和速度信息提供出來。在實驗中，它是可以控制電機的速度。對機器人的路徑規(guī)劃問題及有關(guān)工作在24講述。在這次實驗中我們主要感興趣是：旋轉(zhuǎn)：當有一個轉(zhuǎn)子在垂直位置時，機器人繞垂直軸旋轉(zhuǎn)。這種特殊的機動稱為旋轉(zhuǎn)機動。處于垂直位置實驗的機器人就是為這個特殊的動作服務(wù)的。據(jù)觀察，實驗中機器人在對垂直軸的響應速度和旋轉(zhuǎn)角的改變滿足預期效果。但是，結(jié)果是，角速度幅度變化緩慢。這一結(jié)果就不太令人滿意了?；剞D(zhuǎn)：當其中一個轉(zhuǎn)子處于水平位置，機器人在平面上直線滾動而且接觸點應環(huán)繞球體表面的大圈回轉(zhuǎn)，在平面上要垂直于轉(zhuǎn)子軸。根據(jù)所做的實驗，這個動作達不到預期的效果。可能是由于與球的表面參數(shù)和一些設(shè)計參數(shù)出現(xiàn)了偏差，如轉(zhuǎn)子的偏差問題。圖5 實驗室的實驗裝置6、結(jié)束語 本文設(shè)計了球形機器人在平面上滾動的結(jié)構(gòu)特點。該系統(tǒng)的運動學模型，使用了四階矩陣來定位?？梢钥闯?，該模型是非奇異的。結(jié)果表明，該模型是完全可控和在四元的球體中構(gòu)造一個三元的組態(tài)，此外它不能轉(zhuǎn)換成鏈式。根據(jù)此次實驗，我們觀察到它的一些動作，結(jié)果不符合預期的效果，我們計劃解決這些問題。我們還要利用四維矩陣的非奇異模型來探索路徑規(guī)劃和穩(wěn)定控制器的開發(fā)。這些都是我們今后工作的主要途徑。鳴謝：感謝電監(jiān)會贊助的科學和技術(shù)系（印度）為這個項目提供了部分援助。參考文獻： 1 A. Koshiyama, K. Yamafuji, Design and control of all-direction steering type mobile robot, International Journal of Robotics Research 12 (5) (1993) 411419.2 A. Halme, T. Schberg, Y. Wang, Motion control of a spherical mobile robot, Proceedings of Advanced Motion Control 1 (1996) 259264.3 A. Halme, J. Suromela, T. Schberg, Y. Wang, A spherical mobile microrobot for scientific applications, ASTRA96, ESTEC, Noordwijk, The Netherlands,1996.4 P. Harmo, A. Halme, H. Pitken, J. Virekoski, M. Halinen, J. Suomela, Moving eye-interactive telepresence over internet with a ball shaped mobilerobot, in: International Workshop on Tele Education in Mechatronics Based on the Virtual Laboratories, Wengarten, Germany, 2001.5 A. Bicchi, D. Prattichizzo, S.S. Sastry, Planning motions of rolling surfaces, IEEE Conference on Decision and Control 3 (December) (1995) 28122817.6 L. Ferrire, G. Campion, B. Raucent, Rollmobs: A new drive system for omnimobile robots, IEEE International Conference on Robotics and Automation 3(1998) 18771882.7 S. Bhattacharya, S.K. Agrawal, Spherical rolling robot: A design and motion planning studies, IEEE Transactions on Robotics and Automation 16(December) (2000) 835839.8 R. Mukherjee, M.A. Minor, J.T. Pukrushpan, Motion planning for a spherical mobile robot: Revisiting the classical ball-plate problem, ASME Journal ofDynamic Systems, Measurement and Control 124 (December) (2002) 502511.9 B. Chemel, E. Mutschler, H. Schempf, Cyclops: Miniature robotic reconnaissance system, IEEE International Conference on Robotics and Automation 3(May) (1999) 22982302.10 T. Ylikorpi, J. Suomela, Ball shaped robots: An historical overview and recent development at TKK, Field and Service Robotics 25 (6) (2006) 343354.11 R.H. Armour, J.F.V. Vincent, Rolling in nature and robotics: A review, Journal of Bionic Engineering 3 (December) (2006) 195208.12 T. Das, R. Mukherjee, Exponential stabilization of the rolling sphere, Automatica 40 (June) (2004) 18771889.13 T. Das, R. Mukherjee, Reconfiguration of a rolling sphere: A problem in evoluteinvolute geometry, ASME Journal of Applied Mechanics 73 (July) (2006)590597.14 T. Li, Y. Zhang, Y. Zhang, Approaches to motion planning for a spherical robot based on differential geometric control theory, in: World Congress onIntelligent Control and Automation, June 2006, pp. 89188922.15 R. Roberson, R. Schwertassek, Dynamics of Multibody Systems, Springer-Verlag, New York, 1988.16 K.W. Spring, Euler parameters and the use of finite rotations: A review, Mechanism and Machine Theory 21 (May) (1986) 365373.17 P.E. Nikravesh, Spatial kinematic and dynamic analysis with Euler parameters, in: E. Haug (Ed.), Computer Aided Analysis and Optimization ofMechanical System Dynamics, Springer-Verlag, Berlin, 1984, pp. 261281.18 S. Altmann, Rotations Quaternions and Double Groups, Dover Publications, England, 2005.19 R.A. Wehage, Quaternions and Euler parameters-a brief exposition, in: E.J. Haug (Ed.), Computer Aided Analysis and Optimization of MechanicalSystem Dynamics, Springer-Verlag, Berlin, 1984, pp. 147180.20 P.E. Nikravesh, Computer Aided Analysis of Mechanical Systems, Prentice Hall, New Jersey, Englewood Cliffs, 1988.21 R.M. Murray, S.S. Sastry, Nonholonomic motion planning: Steering using sinusoids, IEEE Transactions on Automatic Control 38 (5) (1993) 700713.22 Z. Li, J. Canny, Motion of two rigid bodies with rolling constraint, IEEE Transactions on Robotics and Automation 6 (February) (1990) 6272.23 R.M. Murray, Nilpotent bases for a class of nonintegrable distributions with applications to trajectory generation for nonholonomic systems,Mathematics of Control Signals and Systems 1 (7) (1994) 5875.24 V. Joshi, R. Banavar, Motion analysis of a spherical mobile robot, Robotica 27 (May) (2009) 34335314 畢業(yè)實習報告專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 學 生 姓 名 董 香 龍 班 級 B 機 制 077 學 號 0710101717 指 導 教 師 袁 健 日 期 2011年3月19日 實習報告一、概述畢業(yè)實習是我們機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)知識結(jié)構(gòu)中不可缺少的組成部分，也是畢業(yè)設(shè)計不可或缺的重要環(huán)節(jié)，其目的在于通過實習使我們獲得基本生產(chǎn)的感性知識，理論聯(lián)系實際，擴大知識面，提高動手操作能力，同時畢業(yè)實習又是鍛煉我們業(yè)務(wù)能力和素質(zhì)提高的重要渠道，培養(yǎng)當代大學生吃苦耐勞的精神。通過畢業(yè)實習，我們可以更好更直接的了解產(chǎn)業(yè)狀況，了解本專業(yè)的發(fā)展前景，了解國內(nèi)外的發(fā)展趨勢，以及對公司的運作、管理、產(chǎn)品的設(shè)計、生產(chǎn)、銷售等各個方面都有了深刻的認識，有效地快速地提高了我們將來工作的能力。通過這次畢業(yè)實習，進一步鞏固和深化所學的理論知識，彌補以前單一理論學習的不足并為畢業(yè)設(shè)計打好基礎(chǔ)。二、實習過程我們共去了三個廠，分別是長虹涂裝公司，江動集團和東風悅達起亞汽車有限公司。江蘇長虹涂裝機械有限公司是專業(yè)從事汽車及配件涂裝、總裝、焊裝成套設(shè)備的一個企業(yè)，我們?nèi)ブ饕私饬苏麄€生產(chǎn)過程以及各個生產(chǎn)線。之后又去了江動集團參加實習，江動集團全稱是江淮動力集團，它主要生產(chǎn)單缸機、多缸機、汽油機、拖拉機以及發(fā)電機組，在實習中我們主要了解了組合機床的生產(chǎn)加工模式，以及江動集團高質(zhì)量、高效率的生產(chǎn)方法。最后一個實習的是悅達起亞二廠，此行的目的是了解整個汽車的生產(chǎn)線，焊接，涂裝，裝配等。由于我的畢業(yè)設(shè)計課題是球面機器人的總體及控制系統(tǒng)設(shè)計，他們廠的焊接機器人大大減輕了人工的工作量并且可靠，安全，高效。三、實習內(nèi)容我的課題是球面機器人的總體及控制系統(tǒng)設(shè)計，所以我就具體介紹我們在悅達的實習過程。剛開始進廠前，老師再三強調(diào)安全，對每個機械廠而言，安全重于泰山。接著我們就在他們廠技術(shù)人員的帶領(lǐng)下參觀了整個流水線。首先是利用沖床將鋼板壓成車的外殼，這是汽車制造中非常重要的步驟，它涉及汽車的線型設(shè)計及模具的沖壓設(shè)計；如果母廠不能獨立完成這個步驟，那就表示該廠的生產(chǎn)技術(shù)還沒有達到應有的標準，充其量只不過是個裝配廠罷了。等到完成車殼后，為了便於進行以后步驟中的焊接工作，通常都預將車體倒轉(zhuǎn)。完成初步焊接后，再將車體扶正，加裝車門及車蓋。而后設(shè)法除去車殼上各塊鋼板的毛邊與暗號，并將底盤預作防銹處理，以便進行車體的噴漆。以上是車體部分的制造概略過程，接著要裝配大梁、防震、傳動以及引擎等系統(tǒng)，這些部分可以說是汽車的內(nèi)臟，非常重要；尤其是引擎，更可說是汽車的心臟。如果一個國家的汽車工業(yè)無法完全獨立自主地完成引擎的設(shè)計與制造，那就表示這個國家的汽車工業(yè)還沒有生根。上述大梁、防震、傳動以及引擎等裝置完成后，就可將車體由上而下吊裝于其上，構(gòu)成汽車的雛型。剩下的工作就是汽車內(nèi)部的裝潢，包括玻璃、雨刷、車座等，另外再加裝散熱器（水箱）、油壓系統(tǒng)、燃料系統(tǒng)以及車輪等，整部車就可以算是大功告成了。不過，為了保證車廠的信用與消費者的基本安全，還必須進行一系列的試驗，汽車才可以出廠。這些試驗包括了滾桶模擬試驗、防漏試驗以及路試等項目，試驗的主旨在於測試引擎、傳動系統(tǒng)、操縱桿、剎車、燈光及車體測漏等性能，通過這些試驗以后，汽車就可以出廠銷售了。我印象最深的就是他們廠的焊接機器人，幾乎全是機器人在工作，速度快，準確，可靠，不僅大大降低了人的工作量，而且還可以避免人在工作時因疲勞等外部原因引起的操作錯誤?？傊?，在我看來機器人技術(shù)在以后一定會有很好地前景的。四、分析據(jù)不完全統(tǒng)計，全世界在役的工業(yè)機器人中大約有將近一半的工業(yè)機器人用于各種形式的焊接加工領(lǐng)域，焊接機器人應用中最普遍的主要有兩種方式，即點焊和電弧焊。圖4所示是這兩種焊接機器人在工業(yè)機器人中所占的大致比例。我們所說的焊接機器人其實就是在焊接生產(chǎn)領(lǐng)域代替焊工從事焊接任務(wù)的工業(yè)機器人。這些焊接機器人中有的是為某種焊接方式專門設(shè)計的，而大多數(shù)的焊接機器人其實就是通用的工業(yè)機器人裝上某種焊接工具而構(gòu)成的。在多任務(wù)環(huán)境中，一臺機器人甚至可以完成包括焊接在內(nèi)的抓物、搬運、安裝、焊接、卸料等多種任務(wù)，機器人可以根據(jù)程序要求和任務(wù)性質(zhì)，自動更換機器人手腕上的工具，完成相應的任務(wù)。因此，從某種意義上來說，工業(yè)機器人的發(fā)展歷史就是焊接機器人的發(fā)展歷史。機器人是具有一些類似人的功能的機械電子裝置，或者叫自動化裝置，它仍然是個機器，它有三個特點，一個是有類人的功能，比如說作業(yè)功能，感知功能，行走功能，還能完成各種動作，它還有一個特點是根據(jù)人的編程能自動的工作，這里一個顯著的特點，就是它可以編程，改變它的工作、動作、工作的對象，和工作的一些要求，它是人造的機器或機械電子裝置。但從完整的更為深遠的機器人定義來看，應該更強調(diào)機器人智能，所以人們又提出來機器人的定義是能夠感知環(huán)境，能夠有學習、情感和對外界一種邏輯判斷思維的這種機器。那么這給機器人提出來更高層次的要求，展望21世紀，機器人將是一個與20世紀計算機的普及一樣，會深入地應用到各個領(lǐng)域，在21世紀的前20年是機器人從制造業(yè)走向非制造業(yè)的發(fā)展一個重要時期，也是智能機器人發(fā)展的一個關(guān)鍵時期。從機器人誕生到本世紀80年代初，機器人技術(shù)經(jīng)歷了一個長期緩慢的發(fā)展過程。到了90年代，隨著計算機技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展，機器人技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。工業(yè)機器人的制造水平、控制速度和控制精度、可靠性等不斷提高，而機器人的制造成本和價格卻不斷下降。在西方社會，和機器人價格相反的是，人的勞動力成本有不斷增長的趨勢。五、實習感想大學畢業(yè)實習是學生完成大學四年全部課程后的最重要的實踐環(huán)節(jié)。為了這次畢業(yè)實習，做準備、搜集素材，了解有關(guān)的設(shè)計技術(shù)和注意事項。在短暫的實習過程中，實習中，我采用了許多方式,對在工作中人與人的關(guān)系做了進一步的了解,分析了人與人之間特點。我深深地感覺到自己所學知識的膚淺和在實際運用中的專業(yè)知識的匱乏.一旦接觸到實際，才發(fā)現(xiàn)自己知道的是多么少，這時才真正領(lǐng)悟到“學無止境”的含義。通過這次實習過程我知道了，理論與實踐的差距，實際操作會使得主觀理論想法不完美，因為實踐中有很多外在因素的干擾，由此我得到了一個新的想法，就是理論知識有時是用來給我們把握大方向的，而實際做的時候，會讓我們注重一些小的細節(jié)，很多時候只有動手才會知道怎么去做，理論與實踐要相結(jié)合，這對我畢業(yè)后的工作是個不小的幫助。3 畢業(yè)設(shè)計開題論證報告專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 學生姓名 董香龍 班 級 B機制077 學 號 0710101717 指導教師 袁 健 完成日期 2011年3月19日 課題名稱：球面SCARA機器人總體及控制系統(tǒng)設(shè)計一、課題來源、課題研究的主要內(nèi)容及國內(nèi)外現(xiàn)狀綜述1.課題來源：實驗室課題2.研究的主要內(nèi)容：根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求，設(shè)計一臺三自由度教學行機器人，用于實踐教學，機器人能進行三個自由度方向的運動，本課題主要設(shè)計該機器人的機械結(jié)構(gòu)，具體內(nèi)容有如下：（1）設(shè)計總體方案，確定機器人的總體結(jié)構(gòu)，繪制機器人機械結(jié)構(gòu)裝配圖（2）各電機的選擇，各零部件設(shè)計計算和選擇，進行機器人大臂、小臂結(jié)構(gòu)設(shè)計，并繪制主要零件圖（3）控制系統(tǒng)的設(shè)計：1）繪制機器人的控制系統(tǒng)接線圖；2）編寫機器人的控制程序（4）撰寫畢業(yè)設(shè)計說明書3國內(nèi)外機器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢：從機器人誕生到本世紀80年代初，機器人技術(shù)經(jīng)歷了一個長期緩慢的發(fā)展過程。到了90年代，隨著計算機技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展，機器人技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。工業(yè)機器人的制造水平、控制速度和控制精度、可靠性等不斷提高，而機器人的制造成本和價格卻不斷下降。在西方社會，和機器人價格相反的是，人的勞動力成本有不斷增長的趨勢。（1） 工業(yè)機器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操做和維修)，而單機價格不斷下降。（2） 機械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。 例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機、減速機檢測系統(tǒng)三位一體化，由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機器人整機，國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問世。（3）工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日漸小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。（4） 機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應用。（5） 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機器人中的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。（6）當代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控、遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進入使用化階段。（7） 機器人化機械開始興起，紛紛探索開拓其實際應用的領(lǐng)域。 二、本課題擬解決的問題1球面機器人總體設(shè)計問題，例如結(jié)構(gòu)選型、總體布局；2.機器人大臂、小臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并繪制主要零件圖；3.各電機的選擇，各零部件設(shè)計計算和選擇；4.控制系統(tǒng)的設(shè)計：1）繪制機器人的控制系統(tǒng)接線圖；2）編寫機器人的控制程序；三、解決方案及預期效果解決方案：1.控制系統(tǒng)設(shè)計要求2.控制系統(tǒng)硬件組成3.控制系統(tǒng)I/O資源分配4.控制系統(tǒng)程序編寫預期效果：1能滿足要求，保證定位精度；2結(jié)構(gòu)簡單，運動可靠，裝卸方便，便于維修、調(diào)整；3盡量使用通用件，以便降低制造成本；4各動力部件便于控制。四、課題進度安排2月21日3月19日畢業(yè)設(shè)計前期階段。畢業(yè)實習，查閱資料，市場調(diào)查，到多個公司實踐，撰寫實習報告。論文總體構(gòu)思方案，填寫開題報告。3月20日5月7日 設(shè)計初稿階段。完成總體設(shè)計圖、部件圖、零件圖。5月8日5月25日 中期工作階段。完善設(shè)計圖紙，編寫畢業(yè)設(shè)計說明書，中期檢查。5月26日5月27日畢業(yè)設(shè)計預答辯。5月28日6月6日畢業(yè)設(shè)計整改。圖紙修改、設(shè)計說明書修改、定稿，材料復查。6月7日6月8日畢業(yè)設(shè)計材料評閱。6月9日6月10日畢業(yè)答辯。6月11日6月15日材料整理裝袋。五、指導教師意見 簽名 年 月日六、專業(yè)系意見 簽名 年 月日七、學院意見 簽名 年 月日4 文 獻 資 料專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 學 生 姓 名 董香龍 班 級 B機制077 學 號 0710101717 指 導 教 師 袁 健 文 獻 資 料1 袁健.球面SCARA機器人控制系統(tǒng)的設(shè)計J. 機械制造與自動化，2009 ，（1）：160-1612 梅紅軍.基于PLC人機界面控制系統(tǒng)的研究J .太原城市職業(yè)技術(shù)學院學報, 2009，(1):130-131.3 劉文華, 陶學恒, 馬麗敏. 三維CAD技術(shù)在SCARA機器人設(shè)計中的應用J, 組合機床與自動化加工技術(shù)，2007，（7）：90-92.4 梅志千，劉德有，李向國.SCARA機器人關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)中的干擾補償控制J. 機床與液壓，2007，(7):149-152.5 許果一種基于SCARA機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計J.機械工程師，2005，（4）：65-66.6 萬仁明,景興碧,張以都. 基于PMAC 下SCARA 機器人控制J. 機械與電子，2001 (1)：19-21.7 曾憲菁，黃田，曾子平，李亞. 基于三自由度球面并聯(lián)機構(gòu)數(shù)控回轉(zhuǎn)臺的機械設(shè)計J. 機器人技術(shù)與應用，2000，（4）:23-26.8 董生權(quán),丁亮,尤波,劉罡.基于PMAC的SCARA機器人運動控制研究J. 重慶工學院學報，2005，（19）：51-54.9 張立杰,李永泉,黃真球面二自由度5R并聯(lián)機器人的運動學分析J中國機械工程，2006，（4）：343-345.10 鄭時雄,伍尤文.球面SCARA機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計研究J.中國機械工程，1996(4):84-86.