机器人集锦.pdf

第一章    概述


1.1 工业机器人简介
几千年前人类就渴望制造一种像人一样的机器，以便将人类从繁重的劳动中解脱出来。如古希腊诗人Homeros的长篇叙事诗 《伊利亚特》中的冶炼之神瘸腿海倍斯特司 ，就用黄金铸造出一个美丽聪颖的侍女；希腊神话《阿鲁哥探险船》中的青铜巨人泰洛斯（Taloas)；犹太传说中的泥土巨人等等，这些美丽的神话时刻激励着人们一定要把美丽的神话变为现实，早在两千年前就开始出现了自动木人和一些简单的机械偶人。
到了近代 ，机器人一词的出现和世界上第一台工业机器人问世之后，不同功能的机器人也相继出现并且活跃在不同的领域，从天上到地下，从工业拓广到 农业、林、牧、渔，甚至进入寻常百姓家。机器人的种类之多，应用之广，影响之深，是我们始料未及的。
工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。
机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。
1.2 世界机器人的发展
国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势：
1.  工业机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修），而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10．3万美元降至97年的6．5万美元。
2．机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块化装配机器人产品问市。

3．工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。
4．机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。
5．虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。
6．当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。
7．机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。
1.3 我国工业机器人的发展
有人认为，应用机器人只是为了节省劳动力，而我国劳动力资源丰富，发展机器人不一定符合我国国情。这是一种误解。在我国，社会主义制度的优越性决定了机器人能够充分发挥其长处。它不仅能为我国的经济建设带来高度的生产力和巨大的经济效益，而且将为我国的宇宙开发、海洋开发、核能利用等新兴领域的发展做出卓越的贡献。
我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人；其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如：可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距；在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模化设计，积极推进产业化进程。
我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000米水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种；在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。

1.4 要设计的机器人
一、目标
模仿月球车的基本功能和设计思路，设计可完成规定动作的月球车，完成理论方案的设计，运用CAXA等软件进行的实体造型和对所设计月球车的进行模拟装配和运动仿真,并做出相应的动画。
二、月球车机械设计要求
（1）月球车以收起机械臂计，其长度小于或等于300mm、宽度小于或等于300mm、高度小于或等于300mm。
（2）月球车的驱动可采用各种形式的原动机，不允许使用人力直接驱动，若使用电动机驱动，其电源应为安全电源。
（3）月球车前进方式不限，拾取木块的方式和每次拾取木块的数量不限。
（4）月球车的控制可采用有线或无线遥控方式
第二章  月球车原理方案构思和拟定


2.1月球车系统的原理方案构思和拟定
2.1.1 方案的构思
根据月球车的设计目标和要求，首先要完成的动作是携带红旗翻越障碍，在这一动作中主要有两部分：1. 携带红旗；2. 翻越障碍。第一部分需要一个机械手装置，第二部分需要一个行走机构。机械手要有一定的抓紧力，灵活的动作。行走机构完成的动作包括能越过障碍和准确地到达场地指定地点，这里要考虑行走的转向和定位等问题。第二个动作将红旗插在指定地点（C点）的旗桩上并站立，这里对月球车的要求与第一个动作相似。第三个动作是拾取蓝色木块并将其翻转使红色面朝上放入指定基地区（D点）。这里就比较复杂了，拾取蓝色木块，可以和携带红旗共用一个机械手，但考虑抓取的物品是不同的直径的，就需要对机械手有更高的要求，机械手就要有足够的张合度，抓紧力也要加强。因为是在一堆不同的木块中抓取指定的蓝色木块，为了提高效率，机械手要有定位装置。同时，抓取木块后还要将木块翻转使红色的一面朝上，放入指定的位置，这要求要有提升机构与翻转机构，翻转又要求刚好是180度，因此翻转机构中需要辅助的装置。
综合考虑，经过研究，设计的月球车应该实现以下功能：月球车行走，越障，夹持（松开）不同直径物品（旗帜、木块）并翻转木块，夹持物品的上升、下降等动作及辅助定位。
2.1.2 方案的设计
1. 行走机构：
首先想到的是像汽车那样的轮子式的，但那是只适合在平地行使，翻越障碍能力较差，后又想到了机械腿，但结构复杂。最后采用了履带式，因为这个结构简单，容易达到设计要求。有履带在，前后轮之间的间隙不会陷在障碍上，而且履带可以使同侧的轮子同时运动，就像坦克那样子，同时采用履带式容易实现转向，转向半径小，且控制易实现。

月球车的行走机构，由于用的是减速电机，所以不再装减速齿轮箱了，进而减轻了车子的重量，改善了车子内部机构。两个减速电机安装在车架的两侧板上，通过后轮轴直接与两个后轮连接，由电机直接驱动后轮，后轮是带有轮齿的通过履带带动前轮转动。两个电机同时通电使其正转，可以使车子笔直前进，当只有一侧电机通电时，车子可以实现转向，也可以使一个电机正转另一个反转来实现转向功能。由于两侧的电机是同一规格的，所以前进时比较平稳，转向较为容易。
后轮的固定是个问题，较简单的办法是直接将轮子装在减速电机的输出轴上，但这样不容易实现轮子的轴向定位，虽然可以用个螺钉固定，但安装不方便。最后，采用轴轮分离的办法，后轮轴安装在减速电机的输出轴上，再将后车轮安装到后轮轴上，这样很好解决了所有问题，
轴与电机的连接采用的是用双紧定螺钉，驱动电机的输出轴有一缺口与之能很好地配合，双紧定螺钉是为了更好地保证后轮轴的轴向与径向的固定，平稳传递扭矩，使行走系统工作可靠。
前轮是一个圆轮，安装在前轮轴上，前轮轴采用螺钉固定在车架，前轮中间安装有滑动轴承，提高精度，使运转平稳。
在一般的履带传动的机械中如坦克在前后轮之间会有辅助轮，而在这里却没有，这是为什么呢？因为经过实际的多次实验得出，在此设计中，前后轮之间的距离很短，不会产生履带松弛现象，辅助轮在这没有实际的意思，若加上辅助轮只会增加机构的复杂和总体的重量，减弱了月球车的灵活性。由于设计中前后轮的安装精度都较高，履带在行走中受平衡力的作用不会跑掉。
整个行走机构结构紧凑、安装精度高、运行可靠。能达到设计要求，行走平稳，转向灵活，顺利完成行走、越障等动作。
2.夹持及翻转机构：
原有二个方案。①用杠杆原理，类似于老虎钳那样。②螺杆夹紧，靠螺杆的旋转将物体夹紧。比较两者，最后采用了第二种方案

爪子用于夹取物品的部位有两处：第一处在前端部分，可夹取直径大的物品——木块；第二处在后端部分，夹取小的物品——旗帜。爪子的几何根据所要夹取的物品而定，具体在第四章的实体设计中介绍。爪子最前端是尖的，两面都有斜度，可在从多的物品中方便的推开别的物品，夹取想要的物品。爪子的夹紧采用螺旋传动。螺旋传动是利用螺杆和螺母组成的螺旋副来实现传动要求的，主要用于将回转运动转变为直线运动，同时传递动力。螺旋传动常用的运动形式有三种：1、螺杆转动，螺母移动。2、螺母固定螺杆旋转和移动。3、螺母旋转，螺杆移动。从上图中可知，螺杆是转动的，螺母是固定在爪子上的，采用的是螺旋传动的第一种运动形式。在这部分中，中间的夹紧轴是个重要零件，原先的设计是两边的螺杆是单独的，中间的六棱轴也是一部分，再通过轴套连接，这样有较多的缺点。后来想到了为什么不做成整体的呢，于是有了上图的设计，整跟轴由六棱轴加工而成，左右都是M3.0×0.5的螺纹，但两边的螺纹旋向是刚好相反的，左边为右旋螺纹，右边为左旋螺纹。这是关键所在，只有这样，在轴转动时才能实现两边的爪同时夹紧或松开。轴的中间铣有两道环，用来卡卡环，起到对轴进行轴向固定的作用。夹紧的动力来自底板上后面的小电机，电机的动力通过一段具有柔性的连接管连接到中间传动轴，中间传动轴的另一端装有一个小齿轮，小齿轮带动从动齿轮转动，而从动齿轮与夹紧轴有六棱轴连接，从而夹紧轴就可以转动，也就可使爪子运动了。爪子的中部装有滑动轴套，与滑动轴配合。轴套与滑动轴的配合精度很高，这样能使夹紧与松开的过程很顺利，滑动轴装与箱体上，有一颗紧定螺钉固定。滑动轴的另一端有台阶，可以控制爪子的最大张开程度。电机可以正反转，这样反应到爪子上就是夹紧和松开了。