垂直面繪畫機器人的機械系統(tǒng)設計開題報告

1、垂直面繪畫機器人的機械系統(tǒng)設計目錄1選題的目的和意義12繪畫寫字機器人的發(fā)展現(xiàn)狀22.1按工作對象性質(zhì)分類32.2按機器人平臺分類52.3按繪制工具分類63主要研究內(nèi)容83.1機械設計83.2運動分析83.3仿真84方案選擇94.1整體結構94.2執(zhí)筆器114.3電機124.4減速器124.5傳動裝置135預定要求136設計思路137進度安排148設計的預期結果149參考文獻141選題的目的和意義機器人技術是當今高技術研究的一個重要方向，普遍受到各國政府的關注。2014年中國工業(yè)機器人市場銷量達5.7萬臺，同比增長55%，約占全球市場總銷量的四分之一，連續(xù)兩年成為全球第一大工業(yè)機器人市場。據(jù)國

2、際機器人聯(lián)合會統(tǒng)計，2005至2014年的十年間，我國工業(yè)機器人市場銷量的年均復合增長率高達32.9。預計到2017年，工業(yè)、服務和特種機器人市場規(guī)模將達到750億美元，并帶動相關產(chǎn)業(yè)上千億美元的增長。種種跡象表明：機器人技術和應用已成為各國必爭領域和未來競爭的制高點，各主要國家紛紛出臺機器人發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃。2015年11月下旬，2015世界機器人大會在北京召開。IEEE機器人與自動化學會主席Raja Chatila致辭道：“今天，世界機器人大會在北京召開，彰顯了世界各國對機器人技術的關注。如今人們普遍意識到，我們正在見證一場信息技術帶來的新革命，然而另一場革命也在進行，它的征兆在幾年間一直若隱

3、若現(xiàn)，這便是技術引發(fā)的革命，這也是行動的科學?！北娝苤瑒趧恿γ芗欢仁侵袊圃鞓I(yè)發(fā)展的絕對優(yōu)勢。此前，中國制造依靠人工成本優(yōu)勢贏得了“世界工廠”的稱號，近年來隨著我國人口紅利逐漸下降，不少企業(yè)開始轉(zhuǎn)向越南、泰國、菲律賓等東南亞人口成本較低的國家開設工廠，而伴隨機器人時代來臨，“機器代人”成為大勢所趨，并逐步倒逼中國制造業(yè)轉(zhuǎn)型，上述格局終將被打破。機器人不只是簡單意義上代替人工勞動的工具，它還是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的機械電子裝置。其特點是，即有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(xù)工作的、準確度高、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)和服務性設

4、備，也是先進制造技術領域不可或缺的自動化設備1。機器人技術國家工程研究中心主任、中國工程院院士王天然作了題為機器人助力中國智能制造的演講，提出中國要實現(xiàn)智能制造離不開機器人，而下一代“人機共融”的機器人將是中國的機會，也是應當著力突破的方向?！皺C器人是智能制造的支撐設備，必將助力中國的智能制造發(fā)展，滿足中國的民生需求。與人共融是下一代機器人的本質(zhì)特征。各個學科的交叉結合將為機器人帶來新的發(fā)展機會。所以我們應該關心它、抓住它為我們服務。”機器人與人類的生活的聯(lián)系越發(fā)緊密，對機器人研究得越發(fā)深入，在探索各個領域機器人的過程中，人們漸漸的傾向于研究能夠模仿人類特定行為的類人機器人。機器人產(chǎn)業(yè)十三五發(fā)

5、展規(guī)劃的草案當中提到家庭輔助類機器人將以更高的性價比解放人類雙手。書寫與繪畫是人類的重要特征之一，因此研制能模仿人類的書寫和繪畫功能的機器人是人類的愿望之一。對其的深入研究也是在傳承中國文化和藝術，以高新技術為載體發(fā)揚華夏文明。寫字和繪畫的機器人可運用于教學、科普和日常生活當中。在研究方面，可涉及到理論力學、驅(qū)動與控制、軌跡規(guī)劃等領域1。在教學方面可為高等學府的機械、電子、計算機、軟件等專業(yè)開出機器人寫字試驗、繪圖試驗、機器人機構學試驗、計算機應用試驗、機器人數(shù)控編程試驗等。在科普方面，可以陳列于各種城市科學館、少年館，作寫字繪畫表演，激發(fā)新一代青少年對機器人的興趣等2。在日常生活方面可以進行

6、大面積的壁畫和圍墻的繪畫和寫字作業(yè)等。以下將“寫字和繪畫機器人”簡稱為“繪畫機器人”。2繪畫寫字機器人的發(fā)展現(xiàn)狀國內(nèi)外對于繪畫機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 90 年代，國外繪畫機器人開始起步，而國內(nèi)研究則相對更晚，香港中文大學近年率先開展了相關研究。在圖源獲取方面，從最初單純的軌跡規(guī)劃生成圖畫發(fā)展到基于圖像處理技術。在軌跡控制方面，一是從原先的 3 自由度發(fā)展到 6 自由度機械臂控制；二是由二維平面的圖畫繪制發(fā)展到了 2.5D 以及 3D 繪圖3。在機械方面，執(zhí)筆器的改變，由一開始的機械固定到后來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

7、筆式等。綜合以上所述的國內(nèi)外繪畫機器人的發(fā)展和現(xiàn)狀，本文按照以下的方式對繪畫機器人進行不同的分類以說明。 2.1按工作對象性質(zhì)分類按繪畫機器人的工作對象可以分為水平面工作的機器人、垂直面工作的機器人、多平面工作的機器人和多維空間工作的機器人。（1）水平面是指工作空間在水平面的機器，模擬了人伏案寫作時的姿態(tài)同時又能圍繞自己的底座在360的任意空間內(nèi)進行繪制和寫字。各桿件的移動空間大，相互間更易配合。圖2.1水平面作業(yè)的機械手臂圖2.2水平面作業(yè)的機器人（2）垂直面是指工作空間在垂直面的機器人，模擬人在黑板或墻壁上的姿勢。各桿件的移動空間較狹窄，對桿件的長度和各桿件間的配合要求較高。手部（即末端執(zhí)

8、行器，以下簡稱“手部”）所受合力平行于工作面。圖2.3垂直平面作業(yè)的機械手臂（3）多平面工作空間不止一個平面，應用更加廣泛，對整個機械結構的靈活性和穩(wěn)定性要求更高。圖2.4多平面作業(yè)的機械手臂（4）2.5D，3D可以不僅只在以XY為坐標的二維平面內(nèi)作業(yè)，可以延伸到2.5維或3維，例如3D打印機。2.2按機器人平臺分類繪畫機器人按工作平臺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，由X軸導軌、Y軸導軌和Z軸的執(zhí)筆器組成。圖2.5為早期的繪畫機器人Aaron正在繪制抽象風格的水彩畫，它由英國抽象派畫家Harold Cohen教授設計制造4。圖2.5懸掛式繪畫機器

9、人Aaron在作業(yè)（2）單臂式單臂式的繪畫機器人機械系統(tǒng)采用的是機械手的方式，它的靈活性更大，也可以安裝在服務型機器人身上5。圖2.6是由來自臺灣科技大學的Chyi-Yeu Lin設計制作的七自由度繪畫機器人。圖2.7是一個完整的單臂式三自由度繪畫機器人。圖2.6臺灣科技大學的機器人在作業(yè)圖2.7 三自由度的機械手臂CP robot（3）懸掛單臂式往后發(fā)展，制作出了懸掛于單臂相結合的懸掛單臂式繪畫機器人。在保證手部可以大面積覆蓋的同時又增加了靈活性，使這種繪畫機器人所做出的圖形和字體更為精確和逼真。圖2.8香港中文大學在高交會上展示的繪畫機器人2.3按繪制工具分類（1） 硬筆型繪畫機器人（2）

10、軟筆型繪畫機器人3主要研究內(nèi)容3.1機械設計（1）各桿件長度（2）電機與減速器（3）執(zhí)筆器3.2運動分析（1）運動學分析機器人機械系統(tǒng)運動學問題研究機械手末端執(zhí)行器（即手部）相對參考坐標系的位置、姿態(tài)和速度與各關節(jié)變量間的關系，包括運動學正問題和運動學逆問題。運動學正問題是已知關節(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，需求關節(jié)的位置和速度，以驅(qū)動各關節(jié)的電機旋轉(zhuǎn)，使手部的位姿要求得到滿足，這一工程稱為運動學逆問題。本課題是已知末端執(zhí)行器在垂直面的運動軌跡，涉及的是求解運動學逆問題。（2）動力學分析機器人機械系統(tǒng)動力學問題分為逆向問題和前向問題。

11、逆向動力學問題屬于純代數(shù)問題，其本質(zhì)上是對機器人末端執(zhí)行器的計算扭矩控制。前向動力學問題應用于機器人末端執(zhí)行器計算機仿真和設計。本課題是可知某時刻機器人末端執(zhí)行器的位置、速度和加速度求解各關節(jié)所需的驅(qū)動力或力矩，涉及的是動力學逆向問題。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度，利用MATLAB進行工作空間仿真，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)桿件長度以提高工作空間的覆蓋率。（2）運動學仿真利用ADAMS進行仿真分析，求得各關節(jié)的位移、速度、加速度。（3）軌跡仿真用多項式插值法進行軌跡規(guī)劃的計算，用MATLAB進行仿真，得到的角速度數(shù)據(jù)導入A

12、DAMS進行動力學仿真。（4）動力學仿真在考慮質(zhì)量和外力的作用下，進行更符合實際情況的仿真分析，同樣利用ADAMS進行仿真分析。4方案選擇4.1整體結構編號種類優(yōu)點不足方案一懸掛式結構簡單，控制簡單，易于做出實物結構太大，實用性不強方案二車載懸掛式體積小，便于移動和運輸吸附難實現(xiàn)，控制與定位較復雜，調(diào)試耗時久方案三機械手臂靈活性高，系統(tǒng)的擴展空間大自由度越多控制越難方案一：由導軌滑臺為主要構件，以步進電機為驅(qū)動元件，直觀簡單地實現(xiàn)整個黑板的全面覆蓋。1. X軸電機 2. 固定座 3. X軸絲杠 4. 執(zhí)筆器（滑臺） 5. Y軸絲杠 6. Y軸電機方案二：在方案一的基礎上發(fā)展，將導軌滑臺裝置安裝

13、在四個車輪上，并縮小其體積，使得本方案體積小，輕巧便攜的優(yōu)點得到突出。將作業(yè)區(qū)域模塊化，在控制方面，導軌和小車各自擁有一套算法。1. X軸電機 2. 車輪 3. 固定座 4. X軸絲杠 5. Y軸電機 6. Y軸絲杠 7.執(zhí)筆器（滑臺） 方案三：采用機械手臂的形式，模仿人類的動作完成作業(yè)。1.底座 2. 電機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IV 9.電機III 10.電機II結合自身興趣綜合考慮后，選擇方案三。4.2執(zhí)筆器（1）純機械固定 卡箍螺栓固定 過盈固定（2）機電固定6（3）機械手自主抓握固定結合自身能力綜合考慮選擇機電固定。4.3電機

14、種類特點適用場合直流有刷電機+減速箱+編碼器啟動轉(zhuǎn)矩大，成本低，速度和轉(zhuǎn)矩比較適中一般控制場合直流無刷電機+減速箱+編碼器壽命長，控制簡單，穩(wěn)定性好，速度上限高對精度、速度、穩(wěn)定性等綜合要求高的場合步進電機+減速箱雖然是開環(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合伺服電機+減速箱相對于步進電機轉(zhuǎn)矩更大，精度更高，成本高要求較高的控制場合直接驅(qū)動電機具有較高的剛性，幾乎無摩攘機械手臂4.4減速器機器人常用的減速器有以下幾種：編號種類優(yōu)點不足適用場合方案一諧波減速器承載能力高，傳動比大，體積小，重量輕，傳動效率高，壽命長柔輪的剛度偏低載荷要求不大的關節(jié)

15、方案二RV減速器剛度高，抗沖擊能力強，結構緊湊，減速比大，傳動精度高價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、傳動比范圍大、效率高、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、噪聲低適應性強。對同心度要求十分高適用于起重運輸、工程機械、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節(jié)可采用諧波減速器，靠近底座的關節(jié)應采用RV或行星減速器。但因為本課題涉及的繪畫機器人屬于輕型機器人，在滿足條件的情況下可采用成本低、結構簡單的方案三諧波減速器【7】。該減速機構也可完成旋轉(zhuǎn)傳動。4.5傳動裝置查閱手冊，結合輕型

16、機械手的實際情況，機械手的直線運動由同步帶來實現(xiàn)。同步帶用于傳遞平行軸間的運動或?qū)⒒剞D(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線運動。機械手的旋轉(zhuǎn)運動可由自帶減速器、編碼器的電機直接驅(qū)動，可有諧波齒輪帶動。5預定要求（1）各關節(jié)的電機安裝（2）電機驅(qū)動力矩（3）機械結構的方案設計（4）機械結構設計及受力（6）運動分析6設計思路7進度安排1通過廣泛調(diào)研有關書籍、（國內(nèi)、國外）文獻，熟悉黑板繪畫機器人的工作原理及相關動作，確定擬定的分析和解決問題步驟、內(nèi)容，寫出分析和解決問題的方案和開題報告，參加開題答辯1月11號3月10號2對機械結構方案進行詳細設計3月11號3月16號3根據(jù)所設計的詳細方案進行機械設計計算3月17號3月2

17、2號4建立機械結構模型，出工程圖，進行機構運動仿真運行3月23號5月13號5對原有參數(shù)進行校準和驗算，完善工程圖5月14號5月20號6完成畢業(yè)論文, 英語翻譯分散到以上的時間里5月21號5月29日7完成論文正稿編寫、外文文獻翻譯，提交畢業(yè)論文全部資料5月30日6月05日8設計的預期結果（1）含有分析計算過程、詳細步驟的符合任務書要求的畢業(yè)論文一份。（2）模擬機械手臂工作時的運動仿真動畫。（3）合計工作量為1.5張A0圖紙的工程圖。9參考文獻1 馬曉花. 四自由度串聯(lián)機械手軌跡規(guī)劃研究D.內(nèi)蒙古工業(yè)大學,2010.2 王光建,廖志勇,陳雪華. 機器人寫字技術及其運動參數(shù)J. 重慶大學學報(自科學

18、版),2003,12:6-9.3 邱桂林. 繪畫機器人執(zhí)筆器設計與控制方法D.沈陽工業(yè)大學,2012.4 Harold Cohen.The Robot as an Artist. /aaron.html.5 Chyi-Yeu Lin, Li-Wen Chuang, and Thi Thoa Mac.Human Portrait Generation System for Robot Arm Drawing Insertion of Pause in Drawing from Babbling for Robots Developmental Imitation Learning.2009 IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mec