机器人控制技术毕业设计.docVIP

1.绪 论 1.1课题背景和研究意义 在西方国家，由于劳动力成本的提高为企业带来了不小的压力，而机器人价格指数的降低又恰巧为其进一步推广应用带来了契机。减少员工与增加机器人的设备投资，在两者费用达到某一平衡点的时候，采用机器人的利显然要比采用人工所带来的利大，它一方面可大大提高生产设备的自动化水平，从而提高劳动生产率，同时又可提升企业的产品质量，提高企业的整体竞争力。虽然机器人一次性投资比较大，但它的日常维护和消耗相对于它的产出远比完成同样任务所消耗的人工费用小。因此，从长远看，产品的生产成本还会大大降低。而机器人价格的降低使一些中小企业投资购买机器人变得轻而易举。因此，工业机器人的应用在各行各业得到飞速发展。根据UNECE的统计，2001年全世界有75万台工业机器人用于工业制造领域，其中38.9万在日本、19.8万在欧盟、9万在北美，7.3万在其余国家。至2004年底全世界在役的工业机器人至少有约100万。随着机器人技术的出现和发展以及人们自我保护意识的增强，人们迫切希望能用机器人代替人进行这些高空极危险的作业，从而把人从恶劣的环境和繁重的劳动中解脱出来。清洗爬壁机器人的使用将大大降低高层建筑的清洗成本，改善工人的劳动环境，提高劳动生产率，势必会带来清洗业的一次革命，具有一定的社会效益、经济意义和广阔的应用前景。为此，国内外多家研究机构竞相开展此项研究工作。 本课题是为了让机器人根好地为人类服务而研制的。它将代替人类从事危险性高，重复性高的体力劳动。它的研制成功必将对人们的生活提供更大的安全和方便。 1.2 机器人的发展现状与趋势 一 工业机器人操作机结构的优化设计技术：探索新的高强度轻质材料，进一步提高负载自重比，同时机构向着模块化、可重构方向发展。 图1-1 苏州大学研制的爬墙机器人 PC机网络式控制器已成为研究热点。编程技术除进一步提高在线编程的可操作性之外，离线编程的实用化将成为研究重点。 图1-2机器人乐队 图1-3仿人机器人 multi-agent）调控制技术：这是目前机器人研究的一个崭新领域。主要对多智能体的群体体系结构、相互间的通信与磋商机理，感知与学习方法，建模和规划、群体行为控制等方面进行研究。智能机器人是具有感知、思维和行动功能的机器，是机构学、自动控制、计算机、人工智能、光电技术、传感技术、通讯技术、仿真技术等多种学科和技术的综合成果。 图1-4清洗巨人 智能机器人做为新一代生产和服务工具，在制造领域和非制造领域占有更广泛、更重要的位置，这对人类开辟新的产业，提高生产与生活水平具有十分现实的意义。 图1-5擦窗机器人 图1-6墙面清洗机器人1.3 本课题的主要目的和关键技术 机械系统设计部分包括完成机器人运动方案，设计机器人机构。完成机器人本体的零件设计、加工和装配工作，并完成机器人自身运动的相关控制。电气部分需要完成气动元件（吸盘、气缸）的控制，和电机的控制。本系统的主要技术指标为： （1）可搬运重量：最大20Kg； （2）整体爬行最大运动速度2m/s； （3）驱动电机为步进电机，选择步进角为0.9°； （4）运动重复精度±10mm。 1.4.2 工作目标 2 机械结构设计 2.1 整体结构 1.吸盘 2.电机 3.气缸 4.谐波减速器 5.转向电机 图2-1爬墙机器人结构简图 图22 气动爬壁机器人实体造型 2.2吸盘的受力分析 图2-3 吸盘受力情况 图2-4吸盘受力分析 如图2-4所示为真空吸盘用于两种不同位置工作时的安装方位。在图1a吸盘水平安装时，除了要吸持住工件负载外，还应该考虑吸盘移动时因工件的惯性力对吸力的影响。而图1b吸盘垂直安装时，吸盘的吸力与吸盘与工件间的摩擦力有密切关系。真空吸盘良种工作情况下的力学模型如图2所示，图中个参数说明如下：ΔPu为真空度；Fv为垂直负载；Aw为有效面积；Fh为水平负载；Pd为密封面的表面压力；Fr为摩擦力；Ad为密封面积；Ad为密封面积的受力；F为负载力；μ为真空吸盘与工件间的摩擦系数；Fs为吸力；Fa为加速度力；x、y为真空吸盘受力分析坐标。?? 由真空吸盘工作原理及上述受力图可知，要满足正常的吸持物体的要求，即能够正常作业的条件为：Fd=Pd·Ad＞0，且水平安装时Fr= Fd?μ＞Fh，垂直安装时Fr= Fd?μ＞Fv。????设，已知被吸持物体重mkg，真空度为ΔPu，则Fs=ΔPu?Aw。再设旋转角度φ ，旋转半径r，重力加速度g，夹持时间t，Fs1为静态吸力，Fs2为动态吸力。a． 静态负载计算： 为静态吸力：Fs1=fv=mg；当取安全系数为n时，Fs1=nmgb． 动态负载计算： 当真空吸盘处于水平位置时，受力处于平衡状态，即：∑Fx=0 Fh-Fr=0 即 Fh=Fr ∑Fy=0 Fv+Fd-Fs2=0