2014继续教育专业课作业

12014年黑龙江省专业技术人员继续教育知识更新培训机械工程专业作业2论述题1.本课程分别着重讲述了移动机器人中具有代表性的轮式移动机器人创新设计基础理论与技术。试分别论述轮式移动机器人、操作臂型机器人、足式步行机器人的实用化优缺点，并进一步思考论述可以互相拟补它们各自不足的创新设计新思路。答：轮式移动机器人具有加速快，以一定速度跑起来一般只需较小的驱动力，省能。操作臂型机器人机构是由类似人的手臂，由关节和杠杆构成的机构的机器人，其所在的载体行走移动才能扩大其操作范围，因此一般用于操作场所相对固定的工厂，本身基座不能进行移动。步行机器人是仿生人类双足行走、动物四足或多足行走的形态的步行移动机器人，可进行短距离移动和复杂的运动轨迹。轮式移动机械人相对操作臂型和足式步行机器人比较具有运动速度快，移动灵活，多为直线运动和简单的曲线运动；操作臂型机器人具有运动精度高，根据计算机程序控制可实现各类复杂的运动轨迹；同轮式机器人相比步行机器人具有步行稳定、可跨越障碍、上下台阶等特点，在室内、室外以及野外不平整地面都可得到稳定步行和越障的行走效果，可用于搭载操作臂型机器人移动到作业位置由操作臂完成操作作业，也可运载物品或野外作业。根据以上三种机器人的特点，结合现实生活的实例我们可以设计一种用于家庭室内的多功能清扫整理机，基座采用轮式移动机器人结构设计，可在室内自由灵活移动，当遇到障碍物时，中间部位按照足式步行机器人的特点设计可进行小范围的移动以绕过障碍物或区域，上层部位按照操作臂型机器人结构完成室内卫生的清扫和物品的整理。2.操作臂型机器人是最早用于工业生产中的实用化机器人类型并以取得广泛应用，试就自己所从事的行业论述操作臂型机器人可以实用化的设计方案（可选型现有工业机器人商品也可自行创新设计操作臂机器人方案）及应用操作臂机器人作业方案设计。答：随着我国机械工业的不断发展，机械人的应用也越来越广泛，机床行业也不例外，目前我公司开发的小型汽车轮毂加工生产线就融入了机械人的设计方案，最简易的组成为两台数控立式加工中心加一台转臂式机械人，当经过粗加工的轮毂放入到生产线上后，先由机械人放入数控立式加工中心1，完成某一工序的加工后，再由机械人取出工件放入到数控立式加工中心2上完成另外工序的加工，而稍微复杂一点的生产线对机械人的数量要求也相对较多，一般以一台机床旁边放置一台机械人设备为宜，生产线则按机床的排列方向进行布置，通过数控程序，检测单元，传输设备完成工件的粗精加工及传送，此类设计主要目的就是通过机械人的应用，减少因人员技术水平良莠不齐所造成的零件精度的偏差。德国机械装备质量享誉世界，尤其是机床行业更是品质的代名词，德国人之所以取得了这样辉煌的成就，除了人员素质因素外，跟机械人的大量应用是分不开的，我国机床行业要取得突破性的进展，就必须适应当前流行的生产线设计模式，通过大量引入机械人因素，降低人为因素的干扰，才能提升产品的品质，目前我公司就有机械人生产线的具体应用，立式车床的横向进给箱，就是在这套生产线上完成加工及检测的，因加工时间的限制，5套加工中心只应用了一台机械人和一个操作编程人员，而他们所完成的工作量却是以前十几到二十几人的工作量的总和，而且质量更有保障，谁掌握了创新理论，谁就掌握了未来，谁掌握了机械人的应用技术，谁就控制了机械工业的发展方向，因此机床行业未来的发展方向，就是与机械人的融合过程。人类也将因此进入到一个更加现代，更加智能的新型工业时代。33.结构设计方案题：试从机械结构、回转精度、关节位置全闭环控制等角度论述机器人关节结构方案设计与构成问题，可辅以结构图并结合文字叙述加以说明。答：机器人的结构设计对整个控制系统的性能有很大的影响，因此其结构的合理与精心设计是整个控制系统实现的关键之一。在结构的具体设计中，还要考虑各部分的弹性变形、摩擦、间隙和传动误差等问题。机器人各关节一般采用步进减速电机做驱动器件，它可以采用开环和闭环的方式。闭环控制可以使机械臂的运动和输入的指令期望的运动参数尽可能的吻合，回转定位精度很高，但是控制部分和机械部分的结构相对复杂。开环控制方式就比较简单，而且在满足电机不失步的情况下，满足精度要求即可。机器人的控制系统也是结构设计中的关键系统，控制系统一般由控制计算机和伺服控制器组成。前者发出指令协调各关节驱动器之间的运动，同时还要完成编程、示教、再现以及和其他环境状况（传感器信息）、工艺要求、外部相关设备之间的信息传递和协调工作。后者控制各关节驱动器，使各杆按一定的速度、加速度和位置要求进行运动。机器人的控制技术与传统的自动机械控制相比，没有根本的不同之处。然而机器人控制系统一般是以机器人的单轴或多轴运动协调为目的的控制系统。其控制结构要比一般自动机械的控制复杂得多，与一般的伺服系统或过程控制系统相比，机器人控制系统有如下特点:1、传统的自动机械是以自身的动作为重点，而机器人的控制系统更着重本体与操作对象的相互关系。无论以多么高的精度控制手臂，若不能夹持操作物体到达目的位置，作为机器人来说，那就失去了意义，这种相互关系是首要的。2、机器人的控制与机构运动学及动力学密切相关。根据给定的任务，经常要求解运动学正问题和逆问题，因此往往要根据需要，选择不同的基准坐标系，并作适当的坐标变换。而且还因机器人各关节之间惯性力、哥氏力的耦合作用以及重力负载的影响使问题复杂化，所以使机器人控制问题也变得复杂。3、即使一个简单的机器人也至少有3-5个自由度。每个自由度一般包含一个伺服机构，多个独立的伺服系统必须有机地协调起来，组成一个多变量的控制系统。所以，机器人的控制，一般是一个计算机控制系统，计算机软件担负着艰巨的任务。44、描述工业机器人状态和运动的数学模型是一个非线性模型，随着状态的变化，其参数也在变化，各变量之间还存在耦合。因此，仅仅是位置闭环是不够的，还要利用速度，甚至加速度闭环。系统中还经常采用一些控制策略，比如重力补偿、前馈、解耦基于传感信息的控制和最优PID控制等。5、机器人还有一种特有的控制方式：示教再现控制方式。当要机器人完成某作业时，可预先移动机器人的手臂，来示教该作业顺序、位置以及其它信息，在执行时，依靠机器人的动作再现功能，可重复进行该作业。总而言之，机器人控制系统是一个与运动学和动力学原理密切相关的、有耦合的、非线性的多变量控制系统。随着实际工作情况的不同，可以采用各种不同的控制方式，从简单的编程自动化，微处理机控制到小型计算机控制等。机器人控制的分类1、点位控制(PTP)就是由点到点的控制方式，这种控制方式只能在目标点处准确控制机器人末端执行器的位置和姿态，完成预定的操作要求。目前应用的工业机器人中，很多是属于点位控制方式的，如上下料搬运机器人、点焊机器人等。2、连续轨迹控制(CP)机器人的各关节同时作受控运动，准确控制机器人末端执行器按预定的轨迹和速度运动，并能控制末端执行器沿曲线轨迹上各点的姿态。弧焊、喷漆和检测机器人等均属连续轨迹控制方式。4.试述轮式移动机器人的位置控制精度远不如操作臂型机器人定位精度，为实现大范围内灵活移动和较高操作定位精度，试给出采用轮式移动机器人与操作臂型机器人联合创新设计的方案及完成作业控制策略。答：轮式移动机器人操纵车轮平行转向的机构是很容易设计与实现的，但是，使车体转向时操纵轮必然会产生滑移，进而会导到处转向操纵产生若干不稳定因素。移动机器检小车基本动作是直行或转弯。当机器人车轮一旦产生滑移，如上所述方法中积分近似法就会产生差。行走距离越远产生的误美就超大。在机器人领域，把类似人类手臂的、由关节和杆件（臂杆）构成的机构的机器人称为操作臂。每个关节一般由伺服电机和减速驱动关节回转或直线移动，操作臂的末端一般根据其用途不同安装不同的操作手（用来把持、夹取作业对象物）或作业工具（如焊接用途下的焊枪、喷漆作业的喷枪等国），通过关节的转动或移动由臂带动末端运动完成作业。操作臂是目前被使用的机器人中应用最为广泛的、最为普遍的中形态。其中在工厂内用于装配作业、焊接作业等等用途的产品化操作臂被称为工业机器人。操作臂型机器人如同人手臂一样，需要其所在的载体行走移动才能扩大其操作范围，因此，操作臂型机器人一般用于操作场所相对固定的工厂内，操作臂的基座往往固定或安装在生产线的移动导轨上作小范围移动；因此，为扩大操作臂的作业范围，如工厂车载车间范围内灵活移动的搬运操作自动化，可以将轮式或履带式移动小车机器人本体上搭载操作臂型机器人将物品搬运动非固定线上的任何作业位置。轮式移动机器人、步行机器人、操作臂型机器人作为机器人中具有代表性的机器人，各自具有不同的特点与用途，但它们的不足可认通过联合创新设计出新型的移动-操作型机器人来互相弥补各自的不足。防爆机器人就是采用轮式移动机器人与操作臂型机器人联合创新设计。由于轮式移动机器人移动速度快、效率高的特点作为防爆机器人的移动部分，操作臂5型机器人则用来作为进行操作的部分，通过这样的联合创新设计出互相弥补不足的新型综合型机器人，用来完成更难、环境条件更复杂危险的任务。轮的配置与方向操纵方向操纵机构与轮配置的关系：车轮又分为主动轮和被动轮。驱动轮—又称主动轮指由原动机驱动的轮，主动轮动作后从动轮被动转动。从动轮—是指没有原动机驱动的轮；主动轮动作后从动轮被动转动。操纵轮—指受转向（方向）操纵机构操纵的轮，即可以是驱动轮，也可以是从动轮。车轮的安装与动力传动传动制作小型移动机器人常用原动机为直流电机较多。通常电机轴直接与驱动轮相连不现实。因此，通常在电机与驱动轮之间加减速器传动装置。直接购入电机轴上半月齿轮头的电机的情况下，可再加一对齿轮传动。电机轴上加同步带轮、经同步齿形带将运动和动力传递给大压岁步齿形带轮，可再通过第二级同步齿形带传动传递给驱动轮。移动机器人应能根据所承担的任务在对环境信息感知与理解的基础上实现路径规划和自定位，并能完成相应的运动，即移动机器人是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多功能于一体的综合系统。以应用于FMS的轮式移动机器人(AGV)为研究对象，对自动导航系统的设计、环境信息建模与理解技术、路径规划技术、定位和导航及控制技术等关键技术进行了深入的研究。(1)以运动功能最具代表性的3-TTR型AGV为对象，进行了运动状态量和控制量解析，提出了一种可进行AGV横滑特性识别的运动状态量求解方法；同时，对其各运动功能进行了分析。(2)通过对移动机器人常用导航方式的分析，为自主开发的XAUT·AGV100设计了一种组合导航系统：采用编码器和陀螺仪为AGV提供实时导航信息以实现轨迹跟踪，采用编码器和超声波传感器在作业站点及部分特征点处对环境信息的感知实现作业定位。该组合导航系统具有在行驶路径段适应能力强、在作业站点定位精度高、成本低廉等优点。(3)在分析移动机器人常见路径规划方法和环境建模方法的基础上，研究开发一种新的环境建模方法和全局路径规划方法。基于机床位姿阵和机床相对位姿阵的环境模型具有数据结构简单、可读性好、数据易维护，可扩充等优点。基于概率选择的AGV全局路径规划算法具有计算简单、规划用时短，实时性好的特点(4)通过对现有移动机器人定位方法的分析，为XAUT·AGV100研究开发了一种利用超声波传感器进行约束定位的定位方法。理论分析证明了该定位方法是可行的，实验结果验证了该定位方法是可靠的，该定位系统使用方便、定位精度高。5.在可适用于轮式移动机器人的地面环境内，有需要上下多级台阶的作业需要机器人完成，试分析论述给出轮式移动机器人与双足（或四足、六足）步行机器人联合使用创新设计的方案和完成作业控制策略。答：一、机器人的爬梯能力是移动机器人的重要越障性能指标。爬楼机器人的机构,下面构思设计的轮组式爬楼梯机器人的整体结构由两部份组成，包括位于机器人中间部位由四个轮组驱动的主车架，以及轮组机构。图1给出了机器人三维虚拟样机的示意6图1爬楼机器人结构示意图机器人车轮的传动部份位于中央车体的底部，车体中间上边的空白部分则用于配置所需控制电路、各种负载以及导航所需的传感器等。车体两侧的轮组皆具有两个旋转自