敏捷制造的輕型作業(yè)單元設計機械應用羅杰 D ·奎因，格雷格三考西機械系和航空航天工程弗蘭克，戴維 M ·薩金特，尼古拉答 Barendt紐曼，維爾吉利奧 Velasco 電機工程學系與應用物理系安迪 Podgurski，菊妍喬Leon S. Sterling, Yoohwan Kim計算機系工程與科學凱斯西儲大學（CWRU）美國俄亥俄州克利夫蘭，44106摘要：本文介紹了一種靈活的設計用于制造工作單元光機電從類似的產(chǎn)品的裝配部件（即作出部分零件）。我們定義了敏捷制造能夠?qū)崿F(xiàn)快速轉(zhuǎn)換，從裝配一個產(chǎn)品到另一個產(chǎn)品的裝配。快速硬件轉(zhuǎn)換成為可能，通過使用機器人，靈活的裝配部分，模塊化夾子機模塊化裝配硬件。依靠靈活的饋線上料皮帶和二進制計算機視覺構成估計。這明顯的優(yōu)勢超過 nonflexible 如碗飼養(yǎng)的飼養(yǎng)計劃需要大量的調(diào)整從一個轉(zhuǎn)換另一部分。正在快速轉(zhuǎn)換軟件促進了一個真正的一次性使用的，面向?qū)ο筌浖h(huán)境，模 塊化的軟件，圖形為離線模擬軟件的開發(fā)，以及創(chuàng)新的雙控制器結構 VME 總線。 這些靈活的功能允許將引進新產(chǎn)品最小的停機時間和系統(tǒng)重構。1．簡介1.1 什么是敏捷制造？敏捷制造是一個長期見過增加了過去幾年中，工業(yè)使用。該“敏捷“的定義，但是，目前尚不清楚，也不是一致：“敏捷：一個制造商的措施突然的反應能力，不可預測的變化客戶需求的產(chǎn)品和服務，使一利潤“1。 “今天工廠正在陸續(xù)被在裁縫敏捷貨物交給客戶的要求不停產(chǎn)2．敏捷制造同化物的柔性生產(chǎn)全系列技術，以吸取的教訓以及總質(zhì)量管理，'只是在時間的生產(chǎn)和'精益'生產(chǎn)“3。唯一的共同點之一各種定義是能夠制造出多種對什么可迅速為基礎的類似產(chǎn)品不斷變化的客戶需求。在過去，生產(chǎn)專門針對大批量單一生產(chǎn)產(chǎn)品。在今天的市場，然而，重點是對小批量移動從不斷變化的，客戶驅(qū)動的產(chǎn)品線。圖 1：敏捷作業(yè)單元一個“敏捷“制造的定義已通過適用于光機電裝配產(chǎn)品：敏捷制造是有能力完成快速轉(zhuǎn)換之間的不同制造利用基本相同的組件工作單元?？焖俎D(zhuǎn)換（以小時為單位），此外，被定義為移動能力的一個產(chǎn)品，從大會另一種產(chǎn)品裝配與最低的變化工具和軟件。快速轉(zhuǎn)換使生產(chǎn)小批量，讓'只是在時間'生產(chǎn)。我們的“敏捷“的定義的中心主題制造業(yè)是能夠迅速推出（按星期計算）為新的組件和部件系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中，快速完成轉(zhuǎn)換通過可重復使用的軟件的使用，快速變化該機械手夾持器，模塊化工作表和部分饋線其中有足夠的彈性處理，而無需機械零件的幾種類型調(diào)整。這些饋線使用視覺，在硬地夾具，以確定位置和方向部分。通用，可重復使用的例程允許新的部分視力被添加到具有最低系統(tǒng)的努力。一個實施一個靈活的測試平臺已開發(fā)生產(chǎn)工作單元（圖 1）。這包括機械機器人，靈活的部分進料器，視覺系統(tǒng)（攝像機，圖像采集，并庫中的圖像處理程序），以及有限傳感器和執(zhí)行器專用所需人數(shù)完成一個給定的程序集。這樣一個核心特征工作單元是一個控制器控制每一個有能力的上述組件。該工作單元是中央輸送系統(tǒng)，這是博世實現(xiàn)使用標準的硬件。這是負責轉(zhuǎn)移部分完成組裝機器人之間進行成品和單位一卸貨機器人的機器人安裝在基座附近輸送帶系統(tǒng)。托盤與專業(yè)部件固定裝置是用來在整個集會進行系統(tǒng)完成后，該組件將被刪除從托盤的裝卸機械。最后，安全籠包圍整個工作單元，服務保障運營商以及提供用于安裝的結構開銷相機。2.1 輸送系統(tǒng)輸送機系統(tǒng)在 CWRU 使用工作單元是一個模型 T2 的博世制造。托盤在兩個主要傳閱，輸送線。這些行是平行的，彼此相反的操作方向。托盤轉(zhuǎn)移這兩者之間部分由電梯傳熱單元（LTU 的）的手段。這些允許各地輸送托盤流通系統(tǒng)和重新排序能力的托盤。在系統(tǒng)托盤的每個都有一個獨特的識別號碼，使系統(tǒng)跟蹤和直接的進展。止損是安裝在關鍵輸送機上的點來控制托盤的流量。這方面的一個創(chuàng)新的輸送系統(tǒng)使用的是使用短“骨刺線“。一種鞭策（圖 2）是一個單純的延長輸送機，垂直為主線（類似于鐵路支線）。這允許流主輸送線，而要維持一個機器人執(zhí)行組裝在鞭策。托盤進入一個刺激注冊在機器人的世界由一個坐標系臂安裝攝像頭，允許地方或機器人消除對托盤零件，避免犧牲機械登記2.2 裝配站大會的幾個車站的布局進行了分析在選擇最終布局。在評估了幾個每一個布局功能，包括：展示位置相對于機器人輸送機，給料機的影響相對于機器人的位置工作信封，并機器人動作一個通用大會的必要，這是確定，在圖 2 最適合的布局需要的工作單元。每一個裝配機器人是由兩個包圍模塊化，可移動工作臺和兩個固定喂養(yǎng)表（圖 2）。模塊化表很容易交換，允許專門組裝硬件放置在機器人的工作信封。表中包含的模塊化和氣動執(zhí)行器可連接快速電傳感器，允許任何專門工具迅速變化需要一個給定的程序集。通過設計這些表是模塊化和易于交換，不同的裝配硬件可以快速入住。為了實現(xiàn)快速轉(zhuǎn)換，模塊化工作登記表在機器人的世界坐標在同一系統(tǒng)由于托盤的方式（即使用臂安裝攝像頭）。進料表是固定的，與水平，partsfeeding 輸送機安裝到他們。圖 2：工作站布局輸送機的一個缺點/刺激系統(tǒng)，如上所述，必須充分交流的時間托盤為一個空的。在這段時間（約 15 秒）的機器人將可以想象無效。一簡單的解決這個問題是一個迷你倉：一夾具是位于交換部分的工作表來保存一些完成組裝。在一個托盤互換，裝配機器人可以繼續(xù)運作而傳入的工作托盤到達時，放置在迷你倉完成組裝。后來電轉(zhuǎn)移到托盤的刺激，視覺系統(tǒng)寄存器的托盤。該機器人將當前的大會（在其爪仍）托盤上，然后所得款項將完成從組件迷你倉的托盤。2.3 喂料機柔性件每個支線組成（圖三傳送帶 3）。第一輸送機傾斜，從電梯部件散裝料斗。第二輸送機是水平的，具有半透明帶。它傳輸?shù)綑C器人零部件，呈現(xiàn)在附近的機器人 underlit 節(jié)。該第三輸送機返回未使用的或不利的導向到大型料斗部分。正確地運作取決于饋線部分被取消的散裝料斗中 quasisingulated 方式。許多因素影響效益傾斜輸送機：對角輸送到水平方面，皮帶特性（如摩擦系數(shù)），對帶式（防滑，磁力，真空），以及線速度帶，例如。圖 3：靈活澆注系統(tǒng)示意圖當不同的零件，應美聯(lián)儲，散裝料斗清空，并與新的部件填補。如果部分是類似的幾何形狀，進料沒有變化系統(tǒng)通常是必要的。一些地區(qū)，如圓形或圓柱的（即那些將回滾下來傾斜）可能需要不同的腰帶，如表面，防滑一個或一個不同的角度傾斜。架空相機用于定位部件對水平輸送機。一種緊湊型熒光燈陣列燈是安裝在每個輸送機的水平。用半透明的這些燈一起輸送帶提供underlit 領域，部分可向視覺系統(tǒng)。使用二進制視覺工具（目前上料機由一個熟練的視覺系統(tǒng)提供）部分皮帶進行檢查。首先，視覺系統(tǒng)會查看是否一部分是抓握（即部分承認的是，穩(wěn)定姿態(tài)（位置和方向）和足夠的間隙之間存在的一部分，它的鄰國抓住了它爪）。第二，造成了部分在機器人的世界坐標確定。這個姿勢，和動作與收購相關的部分，是檢查，以確保他們在機器人的工作信封。2.4 視覺系統(tǒng)視覺系統(tǒng)的一個基本功能是確定靈活的組件構成部分喂養(yǎng)。姿態(tài)估計是使用內(nèi)置該 AdeptVision 軟件功能，而且必須要快夠不干預裝配周期時間。一對視覺系統(tǒng)的第二功能是登記托盤和模塊化的工作表到機器人的世界坐標系統(tǒng)，避免了調(diào)整的需要硬件。還有另一種可能是使用錯誤恢復，其中，該相機可以用來檢查臨界點在系統(tǒng)中，或在進程內(nèi)組件。該視覺系統(tǒng)使用的標準數(shù)字 CCD 相機，裝配件或以上的靈活饋線或在機器人手臂。由于數(shù)字相機到 AdeptVision 系統(tǒng)的投入是有限的四個，一個低成本，自定義視頻多路復用器的開發(fā)，利用一單片式視頻切換器集成電路。這使得多達四臺攝像機被連接到每個視頻輸入法視頻硬件。在與快速轉(zhuǎn)換保持理念，視覺程序設可重復使用，這是一個給定的常規(guī)，可用于定位幾個不同但相似的部分（即類似計為不對稱性，拓撲結構等）。這種方法有很多優(yōu)勢，包括盡量減少軟件的數(shù)量例程。此外，該軟件允許重復使用模塊化和“敏捷。“例如，通過參數(shù)化特征例行搜查因為，它可以適用于部分有一個類似的個人資料但屬于不同的大小。這意味著，部分與在這些類似的幾何形狀零件庫，可添加到系統(tǒng)中，只需修改檢查程序調(diào)用這些低層次的，可重復使用的例程，2.5 引進的新零件添加一個新的一部分，該系統(tǒng)涉及數(shù)明確任務。愿景例行這就決定了構成的一部分，開發(fā)，利用圖書館可重復使用的視覺例程。如果新的部分似乎沒有別的地方特色，在零件圖書館，新的程序可能需要添加到軟件庫。此外，如果部分沒有被設計為使用通用零部件饋線（例如它沒有穩(wěn)定的姿勢像，缸），可能需要的饋線變更或腰帶改變傾斜角度。引人入勝還必須旨在操縱新的一部分。為了盡量減少避免了專門的硬件和工具的變化大會，手爪設計應進行與其他部件的設計，同時為抓手聚集在一個給定的機器人。舉例來說，如果給定操作既需要一個一個小部件和組件是一個 B 在第一個機器人組裝，設計人員應手爪考慮到這一點在一般情況下，最好是設計的部件和相關的硬件同時進行。這將使最大程度地重用的軟件，以最小的變化靈活的體制和喂養(yǎng)一個強有力的裝配設計序列，將加強無人操作。這方法稱為設計制造及 Assembly7，或者干脆 DFMA。3 計算機硬件/控制器設計目前的軟件已被完全開發(fā)在 V8 編程語言和操作系統(tǒng)，在嫻熟的 MV 控制器。對于大多數(shù)工業(yè)應用中，這將是編程環(huán)境足夠的，但它缺乏動力和靈活性需要支持快速的軟件開發(fā)和轉(zhuǎn)換。這主要是因為 V+缺乏特色這是標準的其他語言和操作系統(tǒng)系統(tǒng)，如用戶定義函數(shù)，標準數(shù)據(jù)結構和 shell 腳本的執(zhí)行。To circumvent these limitations, a more 廣泛的控制器接口的設計工作已發(fā)展。這將允許系統(tǒng)來支持 C 和的 C ++，并提供一個更友好，更靈活的用戶接口。此外，它將允許實時使用操作系統(tǒng)，從而簡化軟件開發(fā)和提高性能。圖 4：系統(tǒng)架構在這個設計中，系統(tǒng)的能力擴大了使用除第二 VME 總線 VME 總線控制器壓（圖 4）。這第二個 VME 總線房子的 I / O 板和專用 單板計算機（SBC 的），對其中一個實時操作系統(tǒng)執(zhí)行 C 和 C++程序?qū)?SBC 的運行的。負責所有高層次的控制和機器人運動（例如：輸送機控制，氣動操作，指定機器人目的地），而采用壓控制器專為低級別的機器人運動（如伺服控制和軌跡生成）和一些機視覺例程。在以后的實現(xiàn)，這是視覺處理板，也可以用在第二 VME 總線，從而充實了 AdeptVision 系統(tǒng)。兩個總線連接電纜或光纖連接。內(nèi)存所做的更改由一個反射內(nèi)存網(wǎng)絡。這包括兩個內(nèi)存卡，各有一個總線，它可以由連接的一板會自動反映，另一方面，從而允許指令和數(shù)據(jù)傳送之間兩個 buses9。巴塞爾公約秘書處的地點可以使機器人對反射內(nèi)存網(wǎng)絡的構想命令。這些都是宣讀了命令組服務器上運行 MV 的控制器。這些服務器執(zhí)行命令并在適用時，返回相同的結果通過網(wǎng)絡。4 作業(yè)單元軟件另一個軟件是一個靈活性的關鍵敏捷制造工作單元，但是，這種靈活性不來而精心設計。盡管軟件本質(zhì)上是比硬件更容易改變，結構一個軟件系統(tǒng)可以降低，經(jīng)過反復修改，導致可靠性差，并增加維修費用。在設計工作單元控制軟件方面，我們聘請軟件工程方法和工具支持的設計原則改變。特別是，我們最新的設計是面向?qū)ο螅∣O）的，也就是說，它是根據(jù)物體的識別該系統(tǒng)，這是這些實體有一個國家和一個行為。物理設備，抽象數(shù)據(jù)結構整個子系統(tǒng)建模為對象，提供，明確設定服務時，其執(zhí)行封裝和隱藏。強調(diào)面向?qū)ο筌浖O計減少了工作量需要引入進入新的工作單元產(chǎn)品通過可重用的代碼。能夠迅速引入新產(chǎn)品工作單元是至關重要的一個靈活的系統(tǒng)。對象類型或類類構造，其中服務對應 memberfunction 的定義使用 C + +電話。新的類派生自現(xiàn)有通過增加的服務或通過覆蓋實現(xiàn)現(xiàn)有服務。面向?qū)ο蟊阌诰S護，因為一個實施類是可以改變的，而不會影響客戶端代碼，使用類的服務，因為派生類可以可用于任何需要它的父類即可。除了滿足我們的要求特別是制造業(yè)中的應用，我們希望指定軟件設計的組件，可能證明有用敏捷制造各種應用。因此，我們試圖確定敏捷設計模式制造業(yè)。設計模式是一組溝通的對象或類，兩者代表一個可重復使用的設計元素，是適用的，經(jīng)過一番專業(yè)化，一 systems10 品種。到目前為止，我們已經(jīng)確定用于這種活動的設計模式整個系統(tǒng)的控制，系統(tǒng)之間的通信元器件，零部件和組件的規(guī)定，調(diào)度系統(tǒng)任務和錯誤處理。4.1 作業(yè)系統(tǒng)該工作單元控制的最初版本軟件實施了與 V+操作系統(tǒng)和編程語言提供了善于壓控制器。雖然為 V +提供了足夠的設施許多機器人應用，我們確定一個更先進的操作系統(tǒng)和編程語言將更好地支持我們的軟件設計理念和敏捷制造的目標。一般來說，工作單元控制涉及的號碼管理實時限制并發(fā)任務。因此，一實時操作系統(tǒng)（RTOS）的足夠和任務調(diào)度，通信和可靠的設施同步是可取的。4.2 軟件體系結構該工作單元控制軟件被設計成一個層次結構的服務器。在最高水平，工作單元控制器的服務請求人的經(jīng)營人包裝箱成品組件。在這樣做時，到托盤服務器沿著托盤輸送機馬刺之間。托盤服務器跟蹤運動每個托盤，但工作單元控制器負責知道托盤內(nèi)容。該工作單元控制器大會的服務器，這都與要求機器人，以填補部分或全部組件托盤。為了滿足這些要求，大會的服務器必須部分下屬與服務器進行通信以及與機器人和專用硬件。的部分反過來服務器必須與零件饋線和通信與視覺系統(tǒng)。一般來說，服務器的設計作為對整體工作單元一些假設如可能的結構，使他們不敏感該結構的變化。在適當情況下，服務器同時運行，例如，同時增加了一個機器人部分集會，該部分服務器嘗試設在機器人的未來預期另一部分錯誤的處理，也是分層的。如果一臺服務器遇到一個錯誤，它首先試圖解決這個問題在當?shù)?，例如，通過使更多的要求下屬服務器。如果失敗，服務器表明它的客戶端它無法提供所要求的服務?？蛻舳巳缓笤噲D解決這個錯誤條件。作為一個具體例如，考慮一個部分服務器無法找到一部分在其遠景窗口。它會一再提前給料機和拍照。如果沒有部分是內(nèi)發(fā)現(xiàn)一一定數(shù)量的重復，將報告的部分支線大會未能服務器。如果沒有多余饋線部分，它可以調(diào)用，服務器將在大會信號發(fā)生故障的工作單元控制器。在缺乏冗余服務器的組裝問題，釷控制器將問題通知，要求經(jīng)營者人為干預。魯棒，容錯軟件必要的無人值守，操作的工作單元。4.3 作業(yè)單元模擬隨著軟件開發(fā)進展同時隨著硬件建設系統(tǒng)，可以明顯看出一個仿真硬件系統(tǒng)預計將是極為有益的。該決定是為了開始發(fā)展全面的仿真，將允許工作單元控制代碼被開發(fā)和測試，而不使用實際硬件。這允許控制軟件來編寫和調(diào)試沒有制止生產(chǎn)功能工作單元。它也非常有用，以顯示圖形硬件的響應（圖 5）特別是研究各種工作單元布局。，圖 5：TELEGRIP 模擬輸送系統(tǒng)已完全模擬。詳細的仿真機器人和遠見系統(tǒng)正在開發(fā)中。仿真代碼模仿的工作單元的輸入和輸出，使為模擬透明地使用。換句話說，在代碼是用來模擬控制的工作單元是相同的代碼運行在同一處理器板用于控制物理設備。這是一個功能強大的工具軟件設計中不存在任何矛盾控制與仿真代碼和實際控制代碼。這消除了移動可能移植問題從模擬到實際控制平臺5．結論本研究成功驗證的關鍵問題對于一個敏捷制造工作單元的設計。柔性件饋線，機器視覺，模塊化硬件，廣泛的控制器接口，在線糾錯，圖形模擬和模塊化的軟件都一個廣泛實施的重要因素。在繼續(xù)工作，該系統(tǒng)正在擴大模塊化的程序，包括視覺，一個實時的使用操作系統(tǒng)，面向?qū)ο缶幊?，廣泛的錯誤檢測和恢復。產(chǎn)品設計制造和裝配也將發(fā)揮關鍵作用在促進攝食，裝配，并造成估計。參考文獻[1].P.M.Noaker。敏捷制造的搜索。制造工程，30:28-42，1993。[2].河科默福德。靈活的工廠：個案研究。電機及電子學工程師聯(lián)合會頻譜，30:28-42，1993[3].史蒂芬屬高盛和羅杰全納格爾。管理，技術和敏捷性：一個新時代的出現(xiàn)制造業(yè)。國際科技雜志管理，8（1/ 2），1993[4].河斯特羅貝爾和 A.約翰遜。靈活的工廠：案例研究。電機及電子學工程師聯(lián)合會頻譜，30:28-42，1993。[5].T.E.貝爾。靈活的工廠：個案研究。電機及電子學工程師聯(lián)合會頻譜，30:28-42，1993。[6].大衛(wèi)邁克爾薩金特。一個計算機框架視力敏捷制造。碩士論文，案例西儲大學，1996。[7]. 布思羅伊德杜赫斯特公司產(chǎn)品裝配設計，1991 年 3 月[8].擅長技術公司，五+語言參考指南，11.0 版，1993 年 6 月 787-9。五月。[9].使用反射內(nèi)存來構建高度交互式實時多處理器系統(tǒng)。 VME 總線系統(tǒng)，9（3），1992。[10].五伽馬，河頭盔，河約翰遜和 J. Vlissides。設計模式，可復用面向?qū)ο筌浖０仙f斯利，讀，碩士，1994。致謝這項工作得到了克利夫蘭先進制造項目（營地）通過中心自動化和智能系統(tǒng)研究（CAISR）和學校的工程案例畢業(yè)設計（論文）外文翻譯題目 4-DOF SCARA 機器人結構設計與運動模擬專 業(yè) 名 稱 機械設計制造及其自動化班 級 學 號 078105226學 生 姓 名 饒新龍指 導 教 師 許 瑛填 表 日 期 2011 年 6 月 1 日1畢 業(yè) 設 計 （ 論 文 ） 開 題 報 告設計（論文）題目學生姓名 學 號 專業(yè)、班級學 院 指導教師姓名選題的目的和意義：機器人是一個自動執(zhí)行某種動作的機械裝置，它既可以接受人類指揮，又可以運行預先編制的程序，也可以根據(jù)以人工智能技術制定的原則綱領行動。它的任務是協(xié)助或取代人類工作的工作。它是高級整合控制論、機械電子、計算機、材料和仿生學的產(chǎn)物?，F(xiàn)在，機器人在各行各業(yè)中，都有著廣泛的應用，例如制造業(yè)、建筑業(yè)，或是其它危險性的工作[1]。 要想設計出一個機器人，就必須要具備以下這些方面的能力。第一，電子學基礎。這部分內(nèi)容包括模擬電路和數(shù)字電路理論，要學習電阻、電容器、晶體管以及其他普通電子元器件等基礎知識。第二，編程基礎。先進的機器人都使用計算機或微處理器（例如單片機）來控制自己運動的，這就需要靠編程來實現(xiàn)。第三，機械基礎。機器人也是一臺機器，要靠運動來完成任務。要想設計一個機器人這就需要設計一些相應運動的機械機構。 隨著計算機技術和人工智能技術的高速發(fā)展，機器人在功能和技術上都取得了很大的提高?，F(xiàn)在，即使在嚴峻的經(jīng)濟形勢下，仍有很多面向各個新應用領域的機器人不斷涌現(xiàn)出來。目前，我國也正掀起一股機器人的熱潮。我國機器人的技術也取得了很大的進步。我國的機器人技術大致有如下發(fā)展趨勢：（1）智能化。智能化不僅是對機器人系統(tǒng)的要求，也是對工作環(huán)境的要求。智能化的發(fā)展趨勢，有效地提高機器人工作的效率和使用性能。 （2）標準化和模塊化。我國還沒有統(tǒng)一的機器人標準。統(tǒng)一的標準和平臺能夠大大減少應用軟件廠商的成本，并能優(yōu)化服務機器人領域的體系結構，規(guī)范中間件，實現(xiàn)模塊化[3]。2一、 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀簡述：隨著工業(yè)機器人研究制造和應用領域不斷擴大，國際性學術交流活動十分活躍，歐美各國和其他國家學術交流活動開展很多。國際工業(yè)機器人會議 ISIR 決定每年召開一次會議，討論和研究機器人的發(fā)展及應用問題。隨著工業(yè)機器人研究制造和應用領域不斷擴大，國際性學術交流活動十分活躍，歐美各國和其他國家學術交流活動開展很多。國際工業(yè)機器人會議 ISIR 決定每年召開一次會議，討論和研究機器人的發(fā)展及應用問題。目前，網(wǎng)球機器人應用還不廣泛,技術上也還不夠成熟,從結構上和智能上都不夠成熟, 現(xiàn)在，即使在嚴峻的經(jīng)濟形勢下，仍有很多面向各個新應用領域的機器人不斷涌現(xiàn)出來。目前，機器人應用率的快速增長并非僅僅是一時的狂熱，而是社會發(fā)展的必然趨勢。許多枯燥、骯臟和危險的工作最終將由機器人代替人工來完成。隨著機器人技術的高速發(fā)展，機器人競技運動在世界各地蓬勃興起。社會在不斷地發(fā)展，對機器人的要求也越來越高,所以網(wǎng)球機器人在市場的需求也越來越高了.隨著現(xiàn)代化科學技術的飛速發(fā)展和社會的進步，針對于上述各個領域的機器人系統(tǒng)的應用和研究對系統(tǒng)本身也提出越來越多的要求。制造業(yè)要求機器人系統(tǒng)具有更大的柔性和更強大的編程環(huán)境，適應不同的應用場合和多品種、小批量的生產(chǎn)過程。計算機集成制造要求機器人系統(tǒng)能和車間中的其它自動化設備集成在一起。研究人員為了提高機器人系統(tǒng)的性能和智能水平，要求機器人系統(tǒng)具有開放結構和集成各種外部傳感器的能力。然而，目前商品化的機器人系統(tǒng)多采用封閉結構的專用控制器，一般采用專用計算機作為上層主控計算機，使用專用機器人語言作為離線編程工具，采用專用微處理器，并將控制算法固化在 EPROM 中，這種專用系統(tǒng)很難（或不可能）集成外部硬件和軟件。修改封閉系統(tǒng)的代價是非常昂貴的，如果不進行重新設計，多數(shù)情況下技術上是不可能的。解決這些問題的根本辦法是研究和使用具有開放結構的機器人系統(tǒng)。我國雖然開始研制工業(yè)機器人僅比日本晚 5-6 年，但是由于種種原因，工業(yè)機器人技術的發(fā)展比較慢。目前我國已開始有計劃地從國外引進工業(yè)機器人技術，通過引進、仿制、改造、創(chuàng)新，工業(yè)機器人將會獲得快速的發(fā)展。3設計思路自動識別并接收到運動員發(fā)出的撿網(wǎng)球命令后，采用圖像識別技術自動識別網(wǎng)球落下的方位。然后，對網(wǎng)球的位置分布作一個最優(yōu)的行程判斷，再走到每個球落下的地方。最后，將網(wǎng)球撿起來，放進存放腔中。當機器人接收到由運動員發(fā)出送球指令后，再自動地把網(wǎng)球送到指定點，完成自動撿網(wǎng)球的一個工作流程。 用到的部件馬達 傳感器 電池 萬向輪 畢業(yè)設計（論文）所用的主要技術與方法：1. 圖書館查閱相關資料。2. 在工廠的實踐畢業(yè)實習。3. 老師和工程師的指導。4. 查閱網(wǎng)上的相關資料。二、 主要參考文獻與資料獲得情況：[1] Craig, John J. Introduction to robotics. 北京 機械工業(yè)出版社，2006 [2] Basilio Bona and Aldo Curatella. Identification of Industrial Robot Parameters for Advanced Model-Based Controllers Design Proceedings of the 2005 IEEEInternational Conference on Robotics and Automation. Barcelona, Spain, April 2005[3] 索羅門采夫 . 工業(yè)機器人圖冊. 北京 機械工業(yè)出版社，1993 [4] 周伯英. 工業(yè)機器人設計. 北京 機械工業(yè)出版社，1995[5] 郭洪紅 賀繼林 田宏宇 席巍. 工業(yè)機器人技術. 西安電子科技大學出版社，2006[6] 三浦宏文 . 機電一體化實用手冊. 科學出版社 OHM 社，2001[7] 陳國聯(lián) 王建華 夏建生. 電子技術. 西安交通大學出版社，2002[8] 沈?？?嚴武升 楊庚辰. 電機與電器. 北京理工大學出版社，2002[9] 羅建軍 朱丹軍 顧剛 劉路放. 大學 C++程序設計教程. 北京：高等教育出版社，2004[10] 羅建軍 崔舒寧 楊琦. 大學 Visual C++程序設計案例教程 . 北京：高等教育出版社，2004 4三、 畢業(yè)設計（論文）進度安排（按周說明）：1、第 1 周布置和明確設計任務，收集相關設計資料。2、第 2~3 周熟悉工作流程，完成方案設計。3、第 4~5 周完成開題報告。4、第 6~11 周對設計任務進行設計實現(xiàn)。5、第 12~14 周撰寫和修改學位論文。6、第 15~16 周熟悉答辯流程，進行論文答辯。四、 主要參考文獻與資料獲得情況：[1] Craig, John J. Introduction to robotics. 北京 機械工業(yè)出版社，2006 [2] Basilio Bona and Aldo Curatella. Identification of Industrial Robot Parameters for Advanced Model-Based Controllers Design Proceedings of the 2005 IEEEInternational Conference on Robotics and Automation. Barcelona, Spain, April 2005[3] 索羅門采夫 . 工業(yè)機器人圖冊. 北京 機械工業(yè)出版社，1993 [4] 周伯英. 工業(yè)機器人設計. 北京 機械工業(yè)出版社，1995[5] 郭洪紅 賀繼林 田宏宇 席巍. 工業(yè)機器人技術. 西安電子科技大學出版社，2006[6] 三浦宏文 . 機電一體化實用手冊. 科學出版社 OHM 社，2001[7] 陳國聯(lián) 王建華 夏建生. 電子技術. 西安交通大學出版社，2002[8] 沈裕康 嚴武升 楊庚辰. 電機與電器. 北京理工大學出版社，2002[9] 羅建軍 朱丹軍 顧剛 劉路放. 大學 C++程序設計教程. 北京：高等教育出版社，2004[10] 羅建軍 崔舒寧 楊琦. 大學 Visual C++程序設計案例教程. 北京：高等教育出版社，2004 5五、 畢業(yè)設計（論文）進度安排（按周說明）：1、第 1 周布置和明確設計任務，收集相關設計資料。2、第 2~3 周熟悉工作流程，完成方案設計。3、第 4~5 周完成開題報告。4、第 6~11 周對設計任務進行設計實現(xiàn)。5、第 12~14 周撰寫和修改學位論文。6、第 15~16 周熟悉答辯流程，進行論文答辯。六、 指導教師審批意見（對選題的可行性、研究方法、進度安排作出評價，對是否開題作出決定）：指導教師： （簽名）年 月 日 畢業(yè)設計（論文）任務書（2014 屆）題目（中文）： 自動撿球機器人機械結構設計 （英文）： Picking Robot Automatic mechanical structure design 學 院 工學院 專業(yè)班級 學生姓名 學 號 指導教師 系負責人 (簽章) 日 期： 2013 年 12 月 15 日一、畢業(yè)設計（論文）的主要內(nèi)容與具體要求（任務及背景、工作環(huán)境、成果形式、著重培養(yǎng)的能力、有實驗環(huán)節(jié)的要提出主要技術指標、要求）1.設計目的：網(wǎng)球作為一種時尚的運動已經(jīng)走入大家的生活當中，目前我們身邊有了越來越多的網(wǎng)球場，也有了越來越多的人愛好上了網(wǎng)球這項運動。在打球的過程中，撿球會消耗我們大量的體力和精力。因此設計這樣一臺智能撿網(wǎng)球機器人具有非常重要的意義。2.設計要求：自動撿網(wǎng)球機器人能夠自動撿取、輸送網(wǎng)球，機械結構設計合理，運動平穩(wěn)，撿球效率高。3.工作量：（1）CAD 總裝配圖 1 號 1 張（2）CAD 主要零部件圖（2 號 1 張，3 號、4 號 4 張）（3）完成設計計算書（4）對整套系統(tǒng)進行總體評價（5）撰寫畢業(yè)論文開題報告你好了就先發(fā)給我，首先我先給你一個連接，是優(yōu)酷視頻，http://v.youku.com/v_show/id_XNDQ3OTMwNDc2.html?qq-pf-to=pcqq.c2c就是照這個做，尺寸要比這個大，他上面是一個一個撿的，做大點之后，可以同時撿2個，滾進去之后可以設計一個稍微傾斜一點的梯形口（這個你看著辦吧就是最后控制球一個一個的進到輪盤里） 。輪盤是分成6個的，通過皮帶輪控制，你會發(fā)現(xiàn)它整個運動過程都是在動的，轉(zhuǎn)一下停一下?？傊?個運動，要對運動機構進行分析說明的。針對機械結構部分，要求用三維建模軟件構建出自動撿球機器人的立體模型，對各運動機構進行分析說明，并繪制出相應零部件的工程圖和機器人的裝配圖。任務書也會發(fā)給你的雷同率什么的都說過了30%以下還有一個 catia,三維的.二、畢業(yè)設計（論文）進度安排起 訖 日 期 工 作 內(nèi) 容 備 注2013.12.16----2013.12.202013.12.23----2013.12.302014.12.30----2014.1.52014.2.3----2014.2.242014.2.24----2014.2.28擬定提綱及摘要收集資料撰寫開題報告撰寫初稿并設計中期檢查1 周1 周1 周3 周1 周2014.3.1----2014.3.152014.3.16----2014.3.312014.4.1修改論文和設計整理文檔答辯2 周1 周1 周三、所需的資料和主要參考文獻[1] 機械設計手冊編委會，機械設計手冊， 機械工業(yè)出版社， 2004-9[2] 機械結構設計準則與實例，吳宗澤，機械工業(yè)出版社[3] 機械創(chuàng)新設計，張美麟，化學工業(yè)出版社[4] 孫成通，液壓傳動，化學工業(yè)出版社，2005-8-1[5] CATIA V5 基礎培訓標準教程，張安鵬，北京航空航天大學出版社，2012-3-1[6] CATIA V5 R21 三維數(shù)字化建模與動態(tài)仿真基礎教程，齊從謙，清華大學出版社注：1. 本任務書一式兩份，須雙面打印。由指導教師填寫并經(jīng)所在學院審核確認后交學院；2. 本任務書一份須與學生的畢業(yè)設計（論文）一并存檔，另一份學院存檔；3. 指導教師、學生可各執(zhí)一份復印件，供檢查論文進度時使用。目 錄 1 緒論.11.1 背景21.2 本課題研究的內(nèi)容21.3 論文的構成2 總體設計方案.22.1 行走方式22.1.1 路線規(guī)劃…………………………………………………………22.2 撿球方式42.3 驅(qū)動和轉(zhuǎn)向的方式.42.4 主體材料的選擇.53 結構的設計53.1 驅(qū)動機構53.1.1 電源的選擇.53.1.2 電機的選擇.63.1.3 車輪的確定73.1.4 驅(qū)動裝置.83.2 撿球機構83.2.1 撿球的總裝置.94 機器人的傳感器.94.1 顏色傳感器…………………………………………………………104.2 紅外傳感器（光分子探測器）…………………………………… 104.3 紅外傳感器（距離傳感器）……………………………………….104.4 光電計數(shù)器…………………………………………………………………….105 設計的總效果與工作過程.115.1 設計的總效果115.2 工作過程126.經(jīng)濟分析報告………………………………………………………………131 緒論1.1 背景 機器人是一個自動執(zhí)行某種動作的機械裝置，它既可以接受人類指揮，又可以運行預先編制的程序，也可以根據(jù)以人工智能技術制定的原則綱領行動。它的任務是協(xié)助或取代人類工作的工作。它是高級整合控制論、機械電子、計算機、材料和仿生學的產(chǎn)物?，F(xiàn)在，機器人在各行各業(yè)中，都有著廣泛的應用，例如制造業(yè)、建筑業(yè)，或是其它危險性的工作[1]。 要想設計出一個機器人，就必須要具備以下這些方面的能力。第一，電子學基礎。這部分內(nèi)容包括模擬電路和數(shù)字電路理論，要學習電阻、電容器、晶體管以及其他普通電子元器件等基礎知識。第二，編程基礎。先進的機器人都使用計算機或微處理器（例如單片機）來控制自己運動的，這就需要靠編程來實現(xiàn)。第三，機械基礎。機器人也是一臺機器，要靠運動來完成任務。要想設計一個機器人這就需要設計一些相應運動的機械機構。 隨著計算機技術和人工智能技術的高速發(fā)展，機器人在功能和技術上都取得了很大的提高?，F(xiàn)在，即使在嚴峻的經(jīng)濟形勢下，仍有很多面向各個新應用領域的機器人不斷涌現(xiàn)出來。目前，機器人應用率的快速增長并非僅僅是一時的狂熱，而是社會發(fā)展的必然趨勢。許多枯燥、骯臟和危險的工作最終將由機器人代替人工來完成。隨著機器人技術的高速發(fā)展，機器人競技運動在世界各地蓬勃興起。社會在不斷地發(fā)展，對機器人的要求也越來越高[2]。 目前，我國也正掀起一股機器人的熱潮。我國機器人的技術也取得了很大的進步。我國的機器人技術大致有如下發(fā)展趨勢：（1）智能化。智能化不僅是對機器人系統(tǒng)的要求，也是對工作環(huán)境的要求。智能化的發(fā)展趨勢，有效地提高機器人工作的效率和使用性能。 （2）標準化和模塊化。我國還沒有統(tǒng)一的機器人標準。統(tǒng)一的標準和平臺能夠大大減少應用軟件廠商的成本，并能優(yōu)化服務機器人領域的體系結構，規(guī)范中間件，實現(xiàn)模塊化[3]。1. 2 本課題研究的內(nèi)容自動識別并接收到運動員發(fā)出的撿網(wǎng)球命令后，采用圖像識別技術自動識別網(wǎng)球落下的方位。然后，對網(wǎng)球的位置分布作一個最優(yōu)的行程判斷，再走到每個球落下的地方。最后，將網(wǎng)球撿起來，放進存放腔中。當機器人接收到由運動員發(fā)出送球指令后，再自動地把網(wǎng)球送到指定點，完成自動撿網(wǎng)球的一個工作流程。 本論文，主要涉及到的是機械結構部分的設計，采用 3D 軟件構建出機器人的模型，并且對各個設計出的運動機構進行分析說明。 1.3 論文的構成 本論文主要分為以下幾部分。第一部分，總體方案的設計。主要介紹設計的自動撿球機器人的基本構造、撿球的方法、驅(qū)動方式和主體制造材料的選擇。第二部分，各運動機構的詳細設計和各部分機構的工作原理，并對各個設計的機構進行簡單的分析。第三部分，主要簡單地介紹安裝在自動撿球機器人的傳感器和導航系統(tǒng)。第四部分，主要是對這幾個月以來，做畢業(yè)設計的一些總結和心得體會。2 總體設計方案2.1 行走方式 機器人行走機構的分類和各類的特點 行走方式 特點 輪式 最適合平地行走，安裝簡單，方便 履帶式 可以在有些凸凹的地面上行走，可以跨越障礙物，能爬梯度不太高的臺階。 行走式 機器人的重心落在腳掌上，它一方面要取得準靜態(tài)平衡，另一方面要穩(wěn)定步行。因此，它的控制比較復雜。 由于網(wǎng)球賽場一般都比較寬敞，且地面比較平整，所以選擇輪式會比較合理。并且，輪式的機器人設計和制作的過程相對其它類型的機器人較為簡單，在控制系統(tǒng)的設計方面的處理也比較容易。2.1.1 路徑規(guī)劃研究現(xiàn)狀 路徑規(guī)劃方法有：可視圖法、柵格法、人工勢場法以及模糊邏輯控制方法等。隨著研究的發(fā)展，路徑規(guī)劃系統(tǒng)的控制目標和控制方法都產(chǎn)生了很大變化。研究初期，路徑規(guī)劃系統(tǒng)的控制目標為系統(tǒng)的最優(yōu)性。例如行駛路程最短，耗時最少等。路徑規(guī)劃一般采用經(jīng)典控制方法。經(jīng)典控制方法基于系統(tǒng)狀態(tài)方程，其算法表現(xiàn)出高度的精確性。這種路徑規(guī)劃方式有許多局限性。由于小車在行駛過程中，環(huán)境往往存在許多未知因素，因此很難用精確的數(shù)學模型來描述這一過程。即使擁有精確的環(huán)境地圖能夠規(guī)劃出最優(yōu)行駛軌跡，由于 AGV運動系統(tǒng)和路面狀況的復雜性等原因，也很難控制車輛按理想軌跡行駛。此外，基于狀態(tài)方程的精確控制方法在面對復雜系統(tǒng)時計算量巨大，這會導致消耗大量系統(tǒng)軟硬件資源，影響系統(tǒng)實時性。隨著研究的深入，人們逐漸認識到機器人對環(huán)境的“適應性”相對“最優(yōu)性”而言是更為基礎， 規(guī)劃目標： 控制方法：經(jīng)典控制方法 最優(yōu)性 人工智能 實時性，智能性，自適應性 更為重要的指標。因此系統(tǒng)的設計目標開始朝著實時性、智能性、自適應性方向發(fā)展。系統(tǒng)的控制方法則朝著人工智能方向發(fā)展。人工智能技術涵蓋面很廣，它的研究目標是使機器能擁有類人的智能。目前，AGV 路徑規(guī)劃問題上涉及最多人工智能技術是遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡和模糊控制技術。 遺傳算法以自然遺傳機制和自然選擇等生物進化理論為基礎,構造一類隨機化搜索算法。它利用選擇、交叉和變異來培養(yǎng)控制機構的計算程序,在某種程度上對生物進化過程做數(shù)學方式的模擬。它不要求適應度函數(shù)是可導或連續(xù)的,而只要求適應度函數(shù)為正,同時作為并行算法,它的隱并行性適用于全局搜索。多數(shù)優(yōu)化算法都是單點搜索算法,很容易陷入局部最優(yōu)。而遺傳算法卻是一種多點搜索算法,因而更有可能搜索到全局最優(yōu)解。由于遺傳算法的整體搜索策略和優(yōu)化計算不依賴于梯度信息,所以解決了一些其它優(yōu)化算法無法解決的問題。遺傳算法的缺點是運算速度不快,進化眾多的規(guī)劃要占據(jù)較大的存儲空間和運算時間。 神經(jīng)網(wǎng)絡和模糊技術都是模擬人類智能的技術。但是它們分屬兩個截然不同的研究領域。模糊技術從人的思維外特性，即語言和對世界認識的概念上去模仿人類智能，而神經(jīng)網(wǎng)絡則是從人腦的物理結構上去研究人類智慧的產(chǎn)生和形成。兩者機理不同，特點不同，但殊途同歸都從不同程度上構造了具有一定人類智能特性的控制系統(tǒng)。 神經(jīng)網(wǎng)絡模擬了人腦神經(jīng)元活動的過程，它具有并行化、自組織、自學習等特點。利用神經(jīng)網(wǎng)絡可對小車的行駛行為和環(huán)境進行學習，從而使得小車具有自主行駛能力。模糊技術具有人類智能的模糊性和推理能力。 它可將人的經(jīng)驗融入控制中，從而提高系統(tǒng)的魯棒性和自適應性。在路徑規(guī)劃中，模糊推理的應用主要體現(xiàn)在基于行為的導航方式上。所謂基于行為的導航，就是將機器人的運動過程分解為避障、邊界跟蹤、調(diào)速、目標制導等基本行為,各基本行為的激活由不同的機構分別控制，機器人的最終操作由高層控制機構對基本行為進行平衡后作出綜合反應。傳感器數(shù)據(jù)用模糊邏輯進行融合后，可以確定是否激發(fā)低層行為，然后再利用模糊推理對存在沖突的低層行為進行優(yōu)先權判別，從而決定實際操作。模糊控制方法將信息獲取和模糊推理過程有機結合，從控制目標上看，它以自適應性取代最優(yōu)性，從控制手法上看它以模糊性取代精確性。這種控制方法的優(yōu)點在于不依賴機器人的動力學、運動學模型，系統(tǒng)控制融入了人類經(jīng)驗，同時計算量小，構成方法較為簡單，節(jié)省系統(tǒng)資源，實時性好。 2.2 撿球方式 對于撿球方式有兩種方案。第一種方法就是設計一個機械手，直接將乒乓球抓取，并且將乒乓球放到存放腔中，比較復雜而且效力太低了。另一種方法就是掃入機器人身上，特點簡單快捷高效。因此，撿球的方式選用這個方式。 2.3 驅(qū)動和轉(zhuǎn)向的方式 機器人采用 24V/380 轉(zhuǎn) 60 瓦 RE30 瑞士大功率空心杯電機/伺服電機/馬達，并且用前輪驅(qū)動、后輪導向方式。導向采用的是萬向輪，萬向輪可以由廠家直接生產(chǎn)制造出來，不必另外設計，而且比較容易獲得，使用起來也比較方便。導向輪安裝在腳輪輪子的支架能在動載或者靜載中水平360 度旋轉(zhuǎn)，起到導向的作用用以實現(xiàn)機器人轉(zhuǎn)向的方法有很多。常用到的有以下幾種：（1）差動型轉(zhuǎn)向。對于輪式和履帶式機器人的轉(zhuǎn)向來說，差動法是最為常用的方法。當轉(zhuǎn)向時，機器人一側(cè)的輪子或履帶停止前進或反向運動，另一側(cè)的則繼續(xù)向前運動，從而使機器人向輪子或履帶停止或反向運動的一側(cè)轉(zhuǎn)向。（2）汽車型轉(zhuǎn)向。汽車型轉(zhuǎn)向雖然沒有差動型轉(zhuǎn)向的機動性好，但它適用于室外路況，特別是不平坦的路面。采用此種轉(zhuǎn)向方式的機器人轉(zhuǎn)向圓圓心是在輪子的外側(cè)，而不是在兩輪之間，因此可以獲得更大一些的牽引力。（3）三輪車型轉(zhuǎn)向。差動型轉(zhuǎn)向的最大缺點就是當驅(qū)動機器人兩側(cè)車輪的電機中一個速度略微慢一點，機器人所行進的路徑就會變成曲線。使用三輪車型轉(zhuǎn)向的機器人，必須合格證其用于轉(zhuǎn)向的電機定位，否則無法保證機器人能進行直線運動。（4）全方位型轉(zhuǎn)向。這種方式要求機器人具備三個具備轉(zhuǎn)向功能的驅(qū)動輪，而這些車輪需要兩個電機，一個用于轉(zhuǎn)向，另一個用于驅(qū)動車輪運轉(zhuǎn)。全方位機器人有很強的靈活性，并且轉(zhuǎn)向準確，但技術實現(xiàn)比較困難[2]。 本設計主要采用差動方式進行轉(zhuǎn)向。在機器人的兩側(cè)在相對應位置各安裝一個相同的電機，分別驅(qū)動兩個車輪，并且實現(xiàn)差動驅(qū)動。機器人的兩個輪子以相等的速度和相同的方向轉(zhuǎn)動時，可以實現(xiàn)機器人的向前和向后的運動；當左輪停轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)時，可以實現(xiàn)機器人的左轉(zhuǎn)向；當右輪停轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)時，可實現(xiàn)機器人的右轉(zhuǎn)向；當兩輪以相同速率地正轉(zhuǎn)或者反向轉(zhuǎn)動時，機器人將會原地轉(zhuǎn)向，從而實現(xiàn)機器人的原地左轉(zhuǎn)或者原地右轉(zhuǎn)。綜上可知，設計的整個機器人總共需要三個輪子。裝在前面的兩個車輪是驅(qū)動輪，起到驅(qū)動的作用，并且兩輪獨立驅(qū)動。裝在后面一個輪是萬向輪，起到導向的作用。 2.4 主體材料的選擇 制作機器人常用的材料主要有以下幾種。（1）木材。選用木材的最大優(yōu)點是它的價格低廉，加工方便，可直接用手工鋸進行加工。但是，它在零件接頭的地方比較容易損壞，而且比較容易磨損。（2）塑料。塑料的種類較多，可以根據(jù)機器人不同的功能，選擇出不同的塑料。這主要有以下三種塑料可以選擇。第一，熱固性塑料。這種塑料較堅硬。它只能通過切削來定型，它一般用于硬塑料玩具、電器產(chǎn)品和其他對結構強度有一定要求的產(chǎn)品中。第二，彈性塑料。它具有很高的彈性，它和熱固性塑料一樣，不能通過加熱的方法來定型。第三，熱塑性塑料。它可以作不同用途、不同厚度的材料使用。常用的塑料材料有 ABS（丙烯腈-丁二烯） 、丙烯酸塑料、纖維素塑料、環(huán)氧樹脂、尼龍、酚醛塑料、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚亞氨酯、PVC（聚氯乙烯） 、硅樹脂。（3）金屬材料。這種材料的強度較大，而且來源廣泛，通常選用碳鋼和鋁合金。選用這種材料一個是加工簡單，便宜，本設計中只要用到了鈑金加工，CNC 加工。（4）有機玻璃。這種材料比較難獲得，而且價格相對其它材料也比較昂貴[1]。由于制作的自動撿球機器人體積較小，要求的重量也較輕。因此，主體的制造材料選為環(huán)氧樹脂塑料。該材料是一種非常耐用而且干凈的塑料，通常用作玻璃纖維的黏合劑。它在大多數(shù)情況下成液態(tài)，被用于灌注到別的零件或者玻璃纖維基體上。干燥后，環(huán)氧樹脂可以切割、鉆孔和拋光。因此，選該塑料和鈑金作為機器人的主體材料比較合適。3 結構的設計3.1 驅(qū)動機構 3.1.1 電源的選擇 機器人常用的電池有以下幾種類型。（1）干電池。由于干電池屬于一次性使用的，成本也相對較高，并且干電池的內(nèi)阻一般都比較大。因此，當負載比較大的時候，電壓會下降得很厲害，無法實現(xiàn)大電流的連續(xù)工作。因此，干電池并不是機器人系統(tǒng)的理想電源。（2）鉛酸蓄電池。它的最大的特點是價格較低、過充電的承受能力受強，大電流放電能力和可靠性高。但是，它的質(zhì)量比較大，維護起來相對比較困難。（3）鎳鎘/鎳氫電池。它具有良好的大電流放電特性、耐過充和放電的能力強、維護簡單等優(yōu)勢。但是，其最致命的缺點是：在充放電過程中，如果處理不當，會出現(xiàn)嚴重的“記憶效應” ，使得電池容量和使用壽命大大地縮短。此外，鎘是一種有毒金屬，因而鎳鎘電池不利于環(huán)境的保護，廢棄后必須嚴格地進行回收。由于眾多的缺點，使得鎳鎘電池在機器人的應用中越來越少。（4）鋰離子/鋰聚合物動力電池。鋰離子電池具有重量輕、容量大、無記憶效應等優(yōu)點。但是，鋰離子電池的充電和放電必須嚴格小心，通常在使用鋰離子電池組的時候必須配備專門的過充電、過放電保護電路。鋰離子電池價格也相對比較高，并且需要另外配備保護電路。因此，相同能量的鋰離子電池的價格是免維護鉛酸蓄電池的十倍以上[5]。 綜合實用性和經(jīng)濟性原則的考慮，在本機器人的設計中，選用了鉛酸蓄電池。在本設計，可以采用山東金科力電源科技有限公司生產(chǎn)的鉛酸蓄電池，各個性能比較適合本設計中。3.1.2 電機的選擇 微型機器人使用的電機一般有步進電機、直流電機和直流伺服電機這三種類型。這三種電機的控制都相對簡單，性能也比較出眾，而且直流電源也比較容易獲得。（1）步進電機。它是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點，使在機器人控制變得簡單。（2）直流電機。它有極寬的功率調(diào)節(jié)范圍，調(diào)整特性平滑，適應性好，過載能力較強，而且具有很好的性價比，是一種通用的驅(qū)動電機。（3）伺服電機。它是自動裝置中的執(zhí)行元件，它的最大特點是可控。一般來講，它主要同以下幾個部分組成：舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計、直流電機、控制電路板等[6]。 在本機器人設計中，采用了伺服電機比較精確自帶減速組使結構更簡單。整機驅(qū)動輪馬達: maxon 馬達 （需要 2 個）24V/380 轉(zhuǎn) 60 瓦 RE30 瑞士大功率空心杯電機/ 伺服電機 /馬達工作電壓：24V功率：60 瓦連續(xù)扭矩：2Nm（20kg·cm）堵轉(zhuǎn)扭矩：24Nm（240kg·cm）轉(zhuǎn) 速：380 轉(zhuǎn)每分鐘(配 24 減速比)電機直徑：30mm 長度 150mm編碼器：光電式輸出路數(shù)：ＡＢ雙路輸出每圈脈沖：500 CPR （脈沖每圈）撿球馬達： 飛思卡爾比賽專用 3010 伺服馬達 (需要一個)尺寸:41*20.5*37.5mm速度:0.16 秒/60 度扭力:5.8 千克/cm (4.8V)速度:0.14 秒/60 度扭力:7.0 千克/cm(6.0V)重量:38 克3.13 車輪選擇 關于車輪的 2 個動力輪可在網(wǎng)上尋找合適的直徑為 75MM 的輪子，關于萬向輪網(wǎng)上有現(xiàn)貨參考網(wǎng)站：http://detail.tmall.com/item.htm?spm=a230r.1.14.1.x1xciv&id=16384956635&ad_id=&am_id=&cm_id=140105335569ed55e27b&pm_id= 奧百隆 重型 1.5 寸 無剎萬向輪 輪子 轉(zhuǎn)椅輪 轉(zhuǎn)向輪 家具腳輪 靜音3.1.4 驅(qū)動裝置 1、傳動方式的決定 一般來講，機器人的傳動裝置主要有齒輪傳動、鏈傳動、帶傳動和蝸桿傳動。在本設計中，采用皮帶傳動，這樣不僅可以使設計變得更加簡單，而且齒輪傳動也較為平穩(wěn)因為本設計中的掃求和上升機構中要求不高所以用皮帶傳動比較合理。 2、皮帶輪與電機軸的連接 為了將皮帶輪安裝到電機軸上，通常要使用緊定螺釘進行連接，所示。大多數(shù)的齒輪都有自帶的緊定螺釘或用以旋入螺釘?shù)目住Ｈ绻麤]有，可以自己鉆孔，并對其攻絲[，使用緊定螺釘將電機軸與齒輪連接起來 3、前軸的軸系結構 前軸安裝驅(qū)動輪，它的主要功用是支承零件及傳遞動力。在前軸軸系的零件主要有： 因為選用的馬達自帶了減速組，所以使得本設計中不需要另外設計減速機構，使設計更加簡單合理。4、關于方向控制 本設計中采用 2 個驅(qū)動輪一個萬向輪，通過控制 2 個驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速或者一個轉(zhuǎn)一個不轉(zhuǎn)，一個高速一個低速來達到改變方向的作用。5、驅(qū)動裝置的總體結構 將驅(qū)動裝置的各個零部件組裝起來，組成一個完整的驅(qū)動系統(tǒng)， 3.2 撿球機構3.2.1 撿球的總裝置 由于網(wǎng)球重量較輕、體積較小，而且比較容易被掃走。因此，撿球的機構采用掃入的裝置如下圖所示。首先，機器人通過判別網(wǎng)球的位置。然后，走到網(wǎng)球的位置前。最后，由單片機控制啟動伺服電機，使網(wǎng)球球被掃進機器人體內(nèi)，并且通過上升機構使網(wǎng)球進入網(wǎng)球存放腔中。3.2.2 網(wǎng)球上升結構： 當網(wǎng)球被掃入機器體內(nèi)后通過上升裝置把小球集中到一個盒子里如圖所示用到的軸承有 6902ZZ 軸承 內(nèi)徑為 15 外徑為 28 厚度為 73.2.3 球滿放球裝置 通過計數(shù)器算出網(wǎng)球進入到一個值時，機器人通過橫豎 2 個紅外傳感器自動尋找到指定放網(wǎng)球點把網(wǎng)球倒入其中，實現(xiàn)最后一步。4.傳感器4.1 .顏色傳感器：用于識別網(wǎng)球簡介：顏色傳感器是通過將物體顏色同前面已經(jīng)示教過的參考顏色進行比較來檢測顏色，當兩個顏色在一定的誤差范圍內(nèi)相吻合時，輸出檢測結果編輯本段工作原理一個新型傳感器能敏銳的察覺到顏色變化有助于線工人正確的分辨出會所，銀色等問題。顏色傳感器一直用裝配線來檢測特定的組件。顏色傳感器的挑戰(zhàn)是檢測微妙差異相似或高度反光的顏色。例如,金屬涂料在汽車工業(yè)中使用很難區(qū)分灰度的顏色或黃金。匹配組件這是重要的,如鏡子的身體或保險杠都離不開傳感器協(xié)助。此外, 顏色傳感器通過數(shù)量有限的顏色可以檢測，并通過他們有限的能力迅速改變設置或處理多個顏色。電子技術的發(fā)展,光學,軟件促進顏色傳感器發(fā)展。這項技術使得更敏感的傳感器 ,可以忽略光澤和區(qū)別出微妙的色調(diào)?？梢哉{(diào)整方便靈活的制造和精確的色彩校正。一個典型的顏色傳感器具有高強度白光 LED,光在目標項目調(diào)制。反射從目標是分析的成分紅,綠,藍(RGB)值和強度。此信息用于驗證正確的部分和組裝,準確控制制成品的顏色。在一個典型的應用程序中,機器操作員持有一個顏色樣本在前面的傳感器, 編程它對這個特定顏色相匹配。這個過程期間及之后,運營商可能會注意到匹配失敗涉及色彩略暗或略輕,但仍在可接受的質(zhì)量標準。操作員然后重組傳感器與更廣泛的高/低設置點和通過試錯過程建立理想的范圍。如果傳感器有多個通道, 它可以被編程來識別多種顏色一個顏色在每個頻道, 每個頻道信號是一個離散報警輸出。這一技術使簡單的顏色識別或匹配,比如排序或部分識別功能,通過/ 失敗標準是足夠的。下一代顏色傳感器提供三個額外的輸出表示 RGB 顏色值。好處包括更多的智能控制的制造。在實踐中,傳感器輸出原始 RGB 讀數(shù)為模擬信號。模擬信號更適合通信 ,因為數(shù)字讀數(shù)為三個渠道將超過每 150μs 吞吐量限制典型的串行協(xié)議。一個傳感器可以將原始 RGB信號模擬與 10 位分辨率將輸出 5mV 的每個 1023 步。如果顏色變化的原因是無法輕易地發(fā)覺或者如果沒有顯示可用,模擬 RGB 信號可以數(shù)字化和美聯(lián)儲到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。這允許全面的變化趨勢,分析傳感器讀數(shù)。一些傳感器提供一個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲模式原始數(shù)字讀數(shù)。4.2 .紅外傳感器（光子探測器）：在橫豎方向放 2 個紅外發(fā)射器，當機器人檢測到橫豎發(fā)射信號的焦點時就能找到指定放網(wǎng)球的一點，然后把球上的網(wǎng)球倒入其中。4.3 紅外測距傳感器：遇到障礙物自動躲避（注顏色傳感器優(yōu)先于它）簡介：紅外線技術在測速系統(tǒng)中已經(jīng)得到了廣泛應用，許多產(chǎn)品已運用紅外線技術能夠?qū)崿F(xiàn)車輛測速、探測等研究。紅外線應用速度測量領域時，最難克服的是受強太陽光等多種含有紅外線的光源干擾。外界光源的干擾成為紅外線應用于野外的瓶頸。針對此問題，這里提出一種紅外線測速傳感器設計方案，該設計方案能夠為多點測量即時速度和階段加速度提供技術支持，可應用于公路測速和生產(chǎn)線下料的速度稱量等工業(yè)生產(chǎn)中需要測量速度的環(huán)節(jié)[1]。紅外線對射管的驅(qū)動分為電平型和脈沖型兩種驅(qū)動方式。由紅外線對射管陣列組成分離型光電傳感器。該傳感器的創(chuàng)新點在于能夠抵抗外界的強光干擾。太陽光中含有對紅外線接收管產(chǎn)生干擾的紅外線，該光線能夠?qū)⒓t外線接收二極管導通，使系統(tǒng)產(chǎn)生誤判，甚至導致整個系統(tǒng)癱瘓。本傳感器的優(yōu)點在于能夠設置多點采集，對射管陣列的間距和陣列數(shù)量可根據(jù)需求選取。紅外技術已經(jīng)眾所周知，這項技術在現(xiàn)代科技、國防科技和工農(nóng)業(yè)科技等領域得到了廣泛的應用。紅外傳感系統(tǒng)是用紅外線為介質(zhì)的測量系統(tǒng)，按照功能能夠分成五類：（1）輻射計，用于輻射和光譜測量；（2）搜索和跟蹤系統(tǒng)，用于搜索和跟蹤紅外目標，確定其空間位置并對它的運動進行跟蹤；（3）熱成像系統(tǒng)，可產(chǎn)生整個目標紅外輻射的分布圖像；（4）紅外測距和通信系統(tǒng)；（5）混合系統(tǒng)，是指以上各類系統(tǒng)中的兩個或者多個的組合。紅外傳感器根據(jù)探測機理可分成為：光子探測器（基于光電效應）和熱探測器（基于熱效應） 。4.4 機器人的計數(shù)功能 由于設計的自動撿球機器人一次最多只能存放 15 個乒乓球。因此，機器人每次撿起一個網(wǎng)球時，都要自動地進行計數(shù)。在自動撿球機器人的設計中，我們采用光電式計數(shù)器進行計數(shù)。 光電計數(shù)器的應用非常廣泛，具有的可靠性高，并且可以實現(xiàn)自動控制的功能，使用起來較為方便[17]。將光電計數(shù)器安裝在機器人網(wǎng)球的入口處，每當機器人撿起一個網(wǎng)球的時候，系統(tǒng)會發(fā)送一個脈沖，光電計數(shù)器計數(shù)為 1。這樣就可以簡單地實現(xiàn)了自動計數(shù)的功能。5.設計的效果與工作過程5.1 機器人到達的效果：開啟機器人時進入工作狀態(tài)，自動掃描整個場景通過顏色傳感器檢測網(wǎng)球，當檢測到網(wǎng)球后，控制器計算出路徑后給驅(qū)動輪馬達一個信號機器人自動靠近網(wǎng)球，當遇到人或者障礙物時，機器人自動躲避，然后繼續(xù)靠近網(wǎng)球，到了時控制器給掃球馬達一個信號，掃球馬達工作，把網(wǎng)球掃進機器體內(nèi)，然后通過上升機構把網(wǎng)球集中到一個收集箱，并計數(shù)，計數(shù)器與設定值對比，未到到數(shù)值時機器人繼續(xù)掃描周圍：當計數(shù)器數(shù)值達到設定值時，就通過橫豎 2 個紅外傳感器檢測到網(wǎng)球指定存放點把收集箱中的網(wǎng)球倒入存放點，計算器清零并重新掃描周圍回到起始狀態(tài)。5.2 機器人的工程流程如圖所示：6. 經(jīng)濟分析報告各部件價格： 馬達大概 1500 元，車輪 500 元，鈑金 2000 元，機加工 1000 元，傳感器 2000 元，開模費 5W。控制器電子件 1000 元總共估計在：6W 到 10W之間的費用。結論這一次的畢業(yè)設計是大學本科的終結，也是我人生一個新的開始。這幾個月以來，為了更好地完成畢業(yè)設計，我經(jīng)過了認真的思考，并且與組內(nèi)的成員進行了詳細分工、合作，在每一個階段都取得了一定的成就?，F(xiàn)在，終于完成了這次的畢業(yè)設計。在這個過程中感覺是有點辛苦，但是我卻學到了很多關于機器人方面的知識，提高了自己思維的創(chuàng)新能力。為了更好地完成畢業(yè)設計，我對大學期間所學習的知識進行了一次詳細的復習，并且將從課本上所學到的知識應用到日常生活中去，這對我的知識提高與積累起到了很大的幫助作用。這一次做畢業(yè)設計的時候，發(fā)現(xiàn)自己在課堂上所學的知識是有限的，以后還要不斷地學習相關的專業(yè)知識，提高自己的專業(yè)知識技能。本次的畢業(yè)設計，讓我掌握了工程設計的一般程序和方法，鍛煉了我綜合運用知識的能力和創(chuàng)新的思維。 在設計的過程中，對于一項設計，我們要綜合考慮到各個方面的因素。例如，在這次自動撿球機器人結構的設計中，我們要考慮以下幾個方面的問題。第一，可行性的問題。機器人要實現(xiàn)自動撿球的功能，就必須要設計出相應的運動機構。在理論上，實現(xiàn)這個功能的方案往往會比較多，但不是所有的方案都行得通。第二，工藝性的問題。在現(xiàn)有的條件下，設計出來的機器人要便于加工制作。第三，經(jīng)濟性的原則。在滿足各個使用功能的前提下，要用最低的成本將機器人制造出來。這對以后在市場上的推廣也是非常必要的，也符合經(jīng)濟性的原則。 對于自動撿機器人的結構設計，在一定的程度上，體現(xiàn)出了創(chuàng)新的能力。第一，采用簡單的原理撿取網(wǎng)球。現(xiàn)有應用在網(wǎng)球場上的機器人，大多數(shù)都是設計一個機械手直接抓取存放，這不但會使設計的過程變得更加繁瑣，而且控制系統(tǒng)的設計也較為復雜，制造的成本也會相應地增加。這明顯不利于在市場上的推廣與應用。第二，采用了更多的傳感器使機器人更加智能，靠性比較高、實用性也比較強，而且制作起來也比較容易。 但是，由于本人的知識有限，在設計的過程中難免會有很多的錯漏和一些設計得不夠合理的地方，有很多的地方還需要完善。再加上由于時間的限制，我們只是在理論上將自動撿球機器人設計出來，未能將具體的實物模型加工出來，無法進行具體調(diào)試，這是一個遺憾。然而，理論與實際總是有點差距的。希望下一屆的同學可以將這個自動撿球機器人的課題繼續(xù)做下去，不斷完善自動撿球機器人的各項設計，并且還可以增加其它的一些功能（例如可以自動識別已經(jīng)損壞的網(wǎng)球）致 謝 在做這個課題之前，我機器人的了解幾乎是零。經(jīng)過 XXX 老師的悉心指導，最后把該課題做好了。在這，我對 XXX 老師表示衷心的感謝。 畢業(yè)設計是大四下學期的主要任務，因此畢業(yè)設計相對來說是個漫長且是個艱辛的工作，在這段時間可以上自己是遇上了太多太多的不懂和麻煩。正所謂在絕境中“柳岸花明又一村” ，在期間我需要感謝太多太多的人，特別是我的老師 XXX。XXX 平易近人，和藹可親。在此期間，XXX 老師不僅在畢業(yè)設計幫助我，而且還關心我的畢業(yè)后的打算，可以說是難見的好教師。畢業(yè)設計中自己對公差，總體設計方案等都是存在比較懵懂的狀態(tài)，而且好多細節(jié)都是比較模糊，不知道自己怎么動手好，若不是付老師指導我真的不知道怎么才能完成畢業(yè)設計。 大學里雖說學的是比較純的理論性，實際運用能力比較少這也是大學學習缺陷，但是沒有這些理論學習，可以說很多工作我都無從下手。畢業(yè)設計是對學習機械設計專業(yè)學生四年的一個學習成果歸納，也是一次全面的總結。可以說畢業(yè)設計是這大學四年來一點一滴積累起來的。在大學四年里，我要感謝教過我的老師，幫助過我的同學，是他們讓我從無到有，從空白到現(xiàn)在開始有些擁有。同時，我要感謝我的同學，是他們幫助我的成長，幫助我學的更多，讓我百明白更多。參考文獻 [1]熊有倫.機器人技術基礎[M]. 武漢：華中科技大學出版社， 1997. 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