機(jī)械電子工程碩士論文-經(jīng)濟(jì)型噴漆機(jī)器人軌跡規(guī)劃及關(guān)節(jié)控制研究.pdfVIP

中南大學(xué) 碩士學(xué)位論文 經(jīng)濟(jì)型噴漆機(jī)器人軌跡規(guī)劃及關(guān)節(jié)控制研究 姓名：彭南華 申請學(xué)位級別：碩士 專業(yè)：機(jī)械電子工程 指導(dǎo)教師：陳欠根 20090510 中南人學(xué)碩士學(xué)位論文摘要 摘要 噴漆作業(yè)的工作環(huán)境十分惡劣，油漆對人體危害很大。因此，為 保護(hù)工人的身體健康，提高噴漆質(zhì)量，提高勞動生產(chǎn)率等，應(yīng)實(shí)現(xiàn)噴 漆自動化。而目前國外的噴漆機(jī)器人，功能非常強(qiáng)大，造價(jià)相當(dāng)昂貴， 僅在我國個別實(shí)力雄厚的大型企業(yè)，要求噴漆質(zhì)量很高且品種多的產(chǎn) 品中有用武之地。在我國眾多生產(chǎn)家具、家用電器、小型機(jī)械設(shè)備等 產(chǎn)品的中小企業(yè)中，噴漆這種單調(diào)、重復(fù)的工作仍多采用人工方式。 惡劣的環(huán)境對工人的身體造成嚴(yán)重危害，很難提高噴漆質(zhì)量。其原因 是因?yàn)槲覈鴽]有經(jīng)濟(jì)且實(shí)用的噴漆機(jī)器人。經(jīng)濟(jì)型噴漆機(jī)器人正是應(yīng) 這一需要而產(chǎn)生的?；谝陨锨闆r，本文設(shè)計(jì)了一種新型的經(jīng)濟(jì)型噴 漆機(jī)器人，并對以下幾個方面展開研究： 綜述國內(nèi)外噴漆機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r及研究方向，分析我國發(fā)展經(jīng) 濟(jì)型噴漆機(jī)器人的必要性；闡述機(jī)器人設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，從機(jī)構(gòu)學(xué)角度出 發(fā)，研究機(jī)器人機(jī)械臂和手腕的構(gòu)形，采用一種差速手腕結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì) 經(jīng)濟(jì)型噴漆機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)，并對其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析；利用d h 表示法對機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析，建立機(jī)器人連桿變換矩陣，并推導(dǎo) 和驗(yàn)證機(jī)器人運(yùn)動學(xué)正逆解；結(jié)合機(jī)器的機(jī)械結(jié)構(gòu)，分析機(jī)器人各關(guān) 節(jié)的運(yùn)動范圍，研究并給出機(jī)器人的工作空間；介紹機(jī)器人軌跡規(guī)劃 中的關(guān)節(jié)空間和直角坐標(biāo)空間軌跡規(guī)劃原理和幾種關(guān)節(jié)空間軌跡插 值方法。重點(diǎn)研究直角坐標(biāo)空間連續(xù)路徑直接軌跡規(guī)劃問題。利用弗 萊納雪列三矢量關(guān)于連續(xù)空間路徑曲線方向的表示法，探索出一種 直角坐標(biāo)空間的直接連續(xù)軌跡規(guī)劃方法，并對幾種常見機(jī)器人軌跡進(jìn) 行詳細(xì)軌跡規(guī)劃；考慮到該經(jīng)濟(jì)型噴漆機(jī)器人的功能及其經(jīng)濟(jì)性，控 制系統(tǒng)采用主從分布式控制結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)研究機(jī)器入單關(guān)節(jié)的伺服控制 系統(tǒng)。搭建一個機(jī)器人單關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺，并對伺服系統(tǒng) 的特性進(jìn)行分析。 本文設(shè)計(jì)了經(jīng)濟(jì)型噴漆機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)，分析了機(jī)器人運(yùn)動學(xué)， 對其進(jìn)行了軌跡規(guī)劃，研究了機(jī)器人的單關(guān)節(jié)伺服控制系統(tǒng)并進(jìn)行實(shí) 驗(yàn)研究。本文的研究結(jié)果對開發(fā)經(jīng)濟(jì)型噴漆機(jī)器人和發(fā)展其應(yīng)用技術(shù) 有著重要的應(yīng)用價(jià)值和指導(dǎo)意義。 關(guān)鍵詞噴漆機(jī)器人，手腕，運(yùn)動學(xué)分析，軌跡規(guī)劃，關(guān)節(jié)控制 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文a b s t r a c t a b s t r a c t t h ee n v i r o n m e n to fp a i n t i n gh o m e w o r ki sv e r y p o o ra n dt h ep a i n ti s h a r m f u lt oh u m a nh e a l t h t h e r e f o r e ，i no r d e rt op r o t e c tt h eh e a l t ho f p a i n t i n gw o r k e r s ，t oi m p r o v et h es p r a yq u a l i t ya n dt oi m p r o v et h el a b o r p r o d u c t i v i t ya n ds oo n ，w es h o u l dr e a l i z ea u t o m a t i o np a i n t i n g a tp r e s e n t ， f o r e i g np a i n t i n gr o b o ti sv e r yp o w e r f u l ，b u tt h ec o s ti sv e r ye x p e n s i v e ，s o t h eu s eo ft h e s er o b e r t si no u rc o u n t r yi s o n l yi naf e wl a r g e s c a l e e n t e r p r i s e s ，o ri ns o m es p e c i a lp r o d u c t sa r e aw h i c hr e q u i r e sh i g hq u a l i t y s p r a yp a i n ta n dh a v em a n yv a r i e t i e so fp r o d u c t s i nm a n ys m a l la n d m e d i u m - s i z e dc o m p a n i e so fo u rc o u n t r yw h i c hp r o d u c el a r g ep r o d u c t i o n o f f u r n i t u r e ，h o u s e h o l da p p l i a n c e s ，s m a l lm a c h i n e r ye q u i p m e n t sa n do t h e r p r o d u c t s ，m o s to ft h em o n o t o n o u s ，r e p e t i t i v ew o r ko fs p r a y p a i n t e di s a r t i f i c i a l t h ep o o re n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n sc a u s e ds e r i o u s p h y s i c a l h a r mt ow o r k e r s ，s oi ti sd i f f i c u l tt oi m p r o v et h eq u a l i t yo ft h es p r a yp a i n t t h er e a s o ni st h a ti no u rc o u n t r yt h e r ei s n ta n yf i n a n c i a la n dp r a c t i c a l p a i n t i n gr o b o t e c o n o m i c t y p es p r a yp a i n t i n gr o b o ti sb o mb a s e do nt h i s i nt h ea r t i c l eih a v ed e s i g n e dan e wt y p eo fe c o n o m i c t y p es p r a yp a i n t i n g r o b o tw h i c hc o v e r e dt h ef o l l o w i n g a s p e c t s ： s u m m a r i z i n g t h ed e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c hd i r e c t i o no fd o m e s t i ca n d i n t e r n a t i o n a l p a i n t i n g r o b o ta n d a n a l y z i n g t h e n e c e s s i t y o ft h e d e v e l o p m e n to fe c o n o m i cp a i n t i n gr o b o t ；e x p a t i a t e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c s o fr o b o td e s i g n ，f r o mt h ea g e n c yp o i n to fv i e w , r e s e a r c h i n gt h ea r ma n d w r i s to ft h er o b o tc o n f i g u r a t i o n ，u s i n gab a dw r i s tv e l o c i t ys t r u c t u r et o e s t a b l i s ht h e d e s i g n o fe c o n o m i c t y p e s p r a yp a i n t r o b o to n t o l o g y s t r u c t u r ea n dc h a r a c t e r i s t i c so fi t ss t r u c t u r ea n a l y s i s ，u s i n gt h ed h e x p r e s s i o nt oa n a l y s i sk i n e m a t i c so f r o b o ta n dt os e tu pr o b o t l i n k t r a n s f o r m a t i o n m a t r i x ，t o d e r i v a t i o na n dv a l i d a t i o nr o b o ti n v e r s e k i n e m a t i c ss o l u t i o n a l s o ；c o m b i n i n gm a c h i n e m e c h a n i c a l s t r u c t u r e ， a n a l y z i n gt h er o b o tjo i n tr a n g eo fm o t i o nt os t u d ya n dg i v et h er o b o t w o r ks p a c e ；i n t r o d u c i n gt h ejo i n ts p a c eo fr o b o tt r a je c t o r yp l a n n i n ga n d c a r t e s i a nc o o r d i n a t es p a c et r a je c t o r yp l a n n i n gp r i n c i p l e sa n ds e v e r a ljo i n t s p a c et r a j e c t o r yi n t e r p o l a t i o nm e t h o d s f o c u s e so nt h ep r o b l e mo fc a r t e s i a nc o o r d i n a t es p a c ef o rt h ep a t h 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t o ft h ed i r e c tt r a je c t o r yp l a n n i n g u s i n ge x p r e s sd i r e c t i o no ft h ep a t hc u r v e m e t h o dw h i c hf r o mf r e n e t s e r r e tf o ra b o u tt h r e ev e c t o rs p a c e s ，a n dt o e x p l o r eac a r t e s i a nc o o r d i n a t es p a c eo fd i r e c t l yc o n t i n u o u st r a je c t o r y p l a n n i n gm e t h o d s ，a n d s e v e r a lc o m m o n t r a je c t o r y d e t a i l e dr o b o t t r a j e c t o r yp l a n n i n g ；t a k i n gi n t oc o n s i d e r a t i o nt h ef u n c t i o no fp a i n t i n g r o b o ta n di t se c o n o m y ，t h ec o n t r o ls y s t e mu s e sam a s t e r s l a v ed i s t r i b u t e d c o n t r o ls t r u c t u r e ，a n df o c u so nas i n g l er o b o tjo i n ts e r v oc o n t r o ls y s t e m ， t ob u i l das i n g l er o b o tjo i n ts e r v od r i v es y s t e me x p e r i m e n tp l a t f o r m ，a n d t oa n a l y s i st h ec h a r a c t e r i s t i c so fs e r v os y s t e m i nt h i st h e s i s ，id e s i g n e dt h eb o d ys t r u c t u r eo ft h ee c o n o m i cp a i n t i n g r o b o t ，a n a l y z e dt h er o b o tk i n e m a t i c s ，c a r r i e do u tt r a je c t o r yp l a n n i n ga n d h a ds t u d i e dt h es i n g l e - jo i n tr o b o ts e r v oc o n t r o ls y s t e ma n de x p e r i m e n t a l r e s e a r c h t h eo u t c o m eo ft h i st h e s i sh a ss i g n i f i c a n c ea p p l i c a t i o na n d r e f e r r i n gv a l u et ot h er e s e a r c ho fe c o n o m i c t y p ep a i n t i n gr o b o ta n dt ot h e d e v e l o p m e n ta n du s eo ft h e r o b o t k e yw o r d s s p r a yp a i n t i n g r o b o t ， r o b o tw r i s t ，k i n e m a t i c a n a l y s i s ，t r a je c t o r yp l a n n i n g ，j o i n tc o n t r o l 原創(chuàng)性聲明 本人聲明，所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究 工作及取得的研究成果。盡我所知，除了論文中特別加以標(biāo)注和致謝 的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不 包含為獲得中南大學(xué)或其他單位的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我 共同工作的同志對本研究所作的貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明。 作者簽名：日期：竺翌年j ! 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本人了解中南大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校 有權(quán)保留學(xué)位論文并根據(jù)國家或湖南省有關(guān)部門規(guī)定送交學(xué)位論文， 允許學(xué)位論文被查閱和借閱；學(xué)?？梢怨紝W(xué)位論文的全部或部分內(nèi) 容，可以采用復(fù)印、縮印或其它手段保存學(xué)位論文。同時(shí)授權(quán)中國科 學(xué)技術(shù)信息研究所將本學(xué)位論文收錄到中國學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫， 并通過網(wǎng)絡(luò)向社會公眾提供信息服務(wù)。 嗍手年自衛(wèi)日 中南大學(xué)硬學(xué)位論文第一章緒論 1 1 引言 第一章緒論 機(jī)器人由操作機(jī)( 機(jī)械本體) 、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置等構(gòu) 成，是一種仿人操作、自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī) 電一體化和自動化生產(chǎn)設(shè)備，如圖1 - 1 所示。它特* 惜合于多品種、變批量的 柔性生產(chǎn)，對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率、改善勞動條件和產(chǎn)品快速更 新?lián)Q代起著十分重要的作用。機(jī)器人技術(shù)綜合了計(jì)算機(jī)、自動控制、機(jī)構(gòu)學(xué)、人 工智能、微電子學(xué)、光學(xué)、通訊技術(shù)、傳感技術(shù)和仿生學(xué)等多種學(xué)科和技術(shù)，兩 院院士宋健曾說過：“機(jī)器人學(xué)的進(jìn)步和應(yīng)用是本世紀(jì)自動控制最有說服力的成 就，是當(dāng)代最高意義上的自動化”。機(jī)器人學(xué)代表了高技術(shù)的進(jìn)展前沿，而科學(xué) 的進(jìn)步與技術(shù)的創(chuàng)新同時(shí)又為機(jī)器人的研究與應(yīng)用開辟了廣闊的思路空間口枷。 圖1 - 1意失利c o m a u 機(jī)器人系統(tǒng)1 4 1 自1 9 6 1 年第一臺商用工業(yè)機(jī)器人u n i m a t e ( 意為“萬能自動”) 問世以來， 經(jīng)過4 0 多年的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人已廣泛應(yīng)用于各個工業(yè)領(lǐng)域，成為制造業(yè)生產(chǎn) 閂動化中重要的機(jī)電一體化設(shè)備。它延伸和擴(kuò)大了人的手足和大腦功能，可替代 人從事危險(xiǎn)、有害、有毒、低溫和高熱等惡劣環(huán)境中的工作，代替人完成繁重、 單調(diào)重復(fù)的勞動，提高勞動生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量口】。 噴漆正是有害、有毒、單調(diào)、重復(fù)的一種勞動。利用人工噴漆其噴漆質(zhì) 量只能取決于工人的經(jīng)驗(yàn)，由于噴涂效果( 如漆膜厚度的均勻性、噴涂時(shí)間等) 與物體表面形狀及噴槍參數(shù)等諸多因素有關(guān)，因此單憑經(jīng)驗(yàn)無法獲得極佳的噴涂 效果。而且噴漆過程費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、費(fèi)料，油漆的大量消耗亦加重了環(huán)境污染這 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論 在噴涂大面積工件( 如汽車車身) 時(shí)，表現(xiàn)得尤其突出。噴漆過程中，工人始終 處于有害的環(huán)境中。計(jì)算機(jī)控制的噴漆機(jī)器人早在1 9 7 5 年就投入運(yùn)用，它能避 免危害工人健康，提高經(jīng)濟(jì)效益( 如節(jié)省油漆) 和噴涂質(zhì)量【6 ，7 1 。 1 2 噴漆機(jī)器人國內(nèi)外發(fā)展概況 噴漆機(jī)器人【8 】( s p r a yp a i n t i n gr o b o t ) 是一種可進(jìn)行自動噴漆或噴涂其他涂 料的工業(yè)機(jī)器人。中國研制出了幾種型號的噴漆機(jī)器人并投入使用，取得了較好 的經(jīng)濟(jì)效果。噴漆機(jī)器人主要由機(jī)器人本體、計(jì)算機(jī)和相應(yīng)的控制系統(tǒng)以及油漆 供應(yīng)系統(tǒng)等組成，液壓驅(qū)動的噴漆機(jī)器人還包括液壓油源，如液壓泵、油箱、控 制閥和電機(jī)等。噴漆機(jī)器人大多采用5 6 自由度關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，手臂有較大的運(yùn) 動空間，并可做復(fù)雜的軌跡運(yùn)動，其腕部一般有2 3 個自由度，可靈活運(yùn)動。 較先進(jìn)的噴漆機(jī)器人腕部采用柔性手腕，既可向各個方向彎曲，又可轉(zhuǎn)動，其動 作類似人的手腕，能方便地通過較小的孔伸入工件內(nèi)部，噴涂其內(nèi)表面。噴漆機(jī) 器人一般采用電動驅(qū)動，具有動作速度快、防爆性能好等特點(diǎn)，可通過手把手示 教或點(diǎn)位示教來實(shí)現(xiàn)示教。噴漆機(jī)器人廣泛用于汽車、儀表、電器、搪瓷、小型 機(jī)械設(shè)備等產(chǎn)品的噴涂工藝上。 1 2 1 國外噴漆機(jī)器人發(fā)展概況 噴漆機(jī)器人技術(shù)在過去幾十年里在國外得到了很大發(fā)展，包括機(jī)器入、編程 技術(shù)、噴涂設(shè)備及油漆材料、涉及運(yùn)動學(xué)和加速度性能得到改進(jìn)的防爆機(jī)器人及 其配套輔助設(shè)備( 如轉(zhuǎn)臺、滑臺等) 、高速靜電旋杯、油漆雙組分系統(tǒng)以及溶劑 性和水性油漆材料等。國外促使噴漆機(jī)器人在汽車及其零部件、各類塑料件及消 費(fèi)類電子產(chǎn)品等噴涂方面的應(yīng)用不斷增加的原因包括：可重復(fù)且穩(wěn)定的噴涂質(zhì) 量、隨產(chǎn)品型號改變的高靈活性和適應(yīng)性、有效組織多品種產(chǎn)品混線生產(chǎn)以及可 減少對人的安全和健康的危害等因素。另外，企業(yè)的耗材和能源使用可以更有效 穩(wěn)定的得到控制，還可以進(jìn)行長期的、多班制的生產(chǎn)計(jì)劃安排，從而提高企業(yè)生 產(chǎn)率和固定資產(chǎn)利用率【9 。1 。 噴漆機(jī)器人在國外的使用可以追溯到2 0 世紀(jì)中葉1 1 2 , 1 3 。1 9 5 1 年，美國a u s t i n m o t o r sl o n g b r i d g e 公司開始嘗試?yán)煤唵蔚? 軸機(jī)器人定點(diǎn)自動涂裝汽車外身。 1 9 5 8 年，美國m o r r i sm o t o r sc o w l e y 公司成功安裝了一條高產(chǎn)出的涂裝生產(chǎn)線， 把所有的汽車外身的涂裝工作交給3 臺3 軸機(jī)器人( 其中，2 臺安裝在流水線的 兩側(cè)，l 臺安裝在流水線上方) 完成。那時(shí)由于受機(jī)器人的自由度和汽車內(nèi)身形 狀復(fù)雜等因素的限制，3 軸機(jī)器人還不能對汽車內(nèi)身進(jìn)行涂裝作業(yè)。到了七、八 十年代，隨著第二代多軸機(jī)器人的研制工作取得很大進(jìn)展，美、日、歐等國的汽 2 中南大學(xué)碗士學(xué)位論文第一章緒論 車涂裝線，己使用多軸機(jī)器人對車身內(nèi)部難以到達(dá)的地方進(jìn)行涂裝作業(yè)，朝著噴 漆車間無人化的目標(biāo)邁進(jìn)了一大步。例如，t r a l l f a 公司8 0 年代推出的柔性機(jī)器 人噴漆系統(tǒng)t r a c s 。 在過去的幾年里，a b b 在為噴涂機(jī)器人提高性能方面作出了重要貢獻(xiàn)，特別 是為高端汽車噴涂開發(fā)出高性能的i r b 5 5 0 0 噴涂機(jī)器人以及為低成本的消費(fèi)類 電子產(chǎn)品噴涂開發(fā)了小型的i r b 5 2 噴涂機(jī)器人【1 4 , 1 5 。在汽車噴涂方面，最新的 噴涂工藝可保持油漆霧化裝置( 即旋杯) 在其最佳路徑而盡可能減少非噴涂時(shí)間。 對機(jī)器人而言，該新工藝則要求其具備高速度和高加速度能力。i r b 5 5 0 0 噴涂機(jī) 器人具有獨(dú)特的運(yùn)動和加速特性( 2 6 m s 2 ) ，允許噴漆室更窄更短使得整個車 身的噴涂可以在一個更加緊湊的噴涂室內(nèi)進(jìn)行，從而有效改善油漆流量和傳遞效 率并能省去噴漆室內(nèi)的軌道軸。i r b 5 5 0 0 機(jī)器人一般安裝在噴漆室墻壁中間的 高度上，這樣能夠讓機(jī)器人手臂在車身表面平行移動，如圖1 - 2 所示。安裝在中 間高度也使得維修人員更容易到達(dá)機(jī)器人維修部位。常規(guī)的七軸噴漆機(jī)器人需要 噴漆室寬度大約為5 5 m ，而該機(jī)器人能夠在寬度為46 m 的噴漆室內(nèi)工作。這樣， 它可以取代現(xiàn)有噴漆室內(nèi)已安裝的側(cè)噴機(jī)和頂噴機(jī)。減少噴漆室寬度，意味著減 少固定設(shè)備投資和能源消耗，得到更低的運(yùn)行成本。該噴漆機(jī)器人還允許省去一 般機(jī)器人所需要的軌道( 第七軸) ，簡化了安裝和維護(hù)，并減少了油漆和壓縮空 氣管的復(fù)雜性。在中小零件的噴涂方面，a b b 的i r b 5 2 機(jī)器人提供另外一套完 整的解決方案。它更輕的質(zhì)量( 僅2 5 0 k g ) 、更靈活的安裝方式( 倒掛、壁裝、 傾斜安裝和地面安裝) 、更大的手腕荷重( 7 k g ) 及相對較大的工作范圍，使得該 機(jī)器人能夠用于絕大多數(shù)中小型零部件的高效噴涂，如手機(jī)外殼、便攜電腦外殼、 汽車外殼、數(shù)碼相機(jī)外殼等消費(fèi)類電子產(chǎn)品和車燈等汽車零部件。 圖1 - 2a b b 公司i r b 5 5 0 0 噴漆機(jī)器人 中南火學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論 1 2 2 國內(nèi)噴漆機(jī)器人發(fā)展概況 隨著我國機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展和市場的形成，我國在機(jī)器人科學(xué)研究、技術(shù)開 發(fā)和應(yīng)用工程等方面取得了可喜的進(jìn)步。中國工業(yè)機(jī)器人研究開始于上世紀(jì)7 0 年代，但由于當(dāng)時(shí)基礎(chǔ)條件薄弱、關(guān)鍵技術(shù)與部件不配套、市場應(yīng)用不足等種種 原因，未能形成真正的產(chǎn)品。8 0 年代中期，在國家科技攻關(guān)項(xiàng)目的支持下，中 國工業(yè)機(jī)器人研究開發(fā)進(jìn)入了一個新階段，形成了中國工業(yè)機(jī)器人發(fā)展的一次高 潮。以焊接、噴漆、裝配、搬運(yùn)等為主的工業(yè)機(jī)器人，以伺服驅(qū)動器、諧波減速 器、薄壁軸承為代表的元部件，以及機(jī)器人本體設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制技術(shù)、系統(tǒng) 集成技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)都取得顯著成果。從8 0 年代末到9 0 年代，國家8 6 3 計(jì)劃 把機(jī)器人列為自動化領(lǐng)域的重要研究課題，系統(tǒng)地開展了機(jī)器人基礎(chǔ)科學(xué)、關(guān)鍵 技術(shù)與機(jī)器人元部件、目標(biāo)產(chǎn)品、先進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)集成技術(shù)的研究及機(jī)器人在自 動化工程上的應(yīng)用【1 6 珈】。 隨著我國改革開放的不斷深化，技術(shù)和經(jīng)濟(jì)水平也越來越高。作為特種機(jī)器 人之一的噴漆機(jī)器人，機(jī)器人噴涂作業(yè)在我國汽車、家電、機(jī)械制造等行業(yè)中已 發(fā)揮了重要作用【2 1 2 3 1 ，如汽車整車自動噴漆，汽車發(fā)動機(jī)、保險(xiǎn)杠、彈簧、板簧、 駕駛室等自動噴漆，衛(wèi)生陶瓷等自動噴漆，玻璃纖維加強(qiáng)水泥預(yù)制板的噴涂，電 視機(jī)、電冰箱、洗衣機(jī)、電腦、手機(jī)等外殼自動噴漆，減速器等自動噴漆，汽車 燈、車門防水簾、車身底板、塑料件等自動涂膠等。而且有向其他行業(yè)擴(kuò)展的趨 勢，如陶瓷制品、建筑工業(yè)、船舶等。噴漆機(jī)器人作業(yè)既可單機(jī)噴涂，也可多機(jī) 噴涂，還可組成生產(chǎn)線自動噴涂，自動化程度越來越高。如第二汽車制造廠東風(fēng) 系列多種混流機(jī)器人系統(tǒng)噴涂線，可實(shí)現(xiàn)面噴涂作業(yè)全面自動化，已獲得明顯的 經(jīng)濟(jì)效益。近年來國內(nèi)已經(jīng)擁有相當(dāng)數(shù)量的噴漆機(jī)器人，如南航研制的p r 1 型 噴漆機(jī)器人，在大規(guī)模的涂裝生產(chǎn)線上，用于噴涂工件表面的噴槍通常被置于機(jī) 器人的手臂上，即由噴漆機(jī)器人去完成對工件的噴涂作業(yè)。p r 1 型噴漆機(jī)器人 是為適應(yīng)生產(chǎn)自動化發(fā)展的需要，改善勞動條件，提高產(chǎn)品質(zhì)量和勞動生產(chǎn)率， 降低生產(chǎn)成本而研制的自動化噴涂裝置，也是機(jī)電一體化的高技術(shù)產(chǎn)品。p r - 1 型機(jī)器人為計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制，電液伺服驅(qū)動，示教再現(xiàn)式，多關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人。 具有設(shè)計(jì)方案合理，機(jī)、電、液匹配協(xié)調(diào)，控制系統(tǒng)先進(jìn)，元件國產(chǎn)化程度高等 特點(diǎn)。達(dá)到國內(nèi)自行設(shè)計(jì)同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平，其關(guān)鍵性能指標(biāo)( 重復(fù)位置精度) 處于國內(nèi)領(lǐng)先地位。機(jī)器人主要由操作機(jī)械手、液壓站和微機(jī)控制柜三部分組成。 在我國，噴漆機(jī)器人最早應(yīng)用于汽車工業(yè)。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，技術(shù)的進(jìn)步， 機(jī)器人的應(yīng)用逐漸推廣開來，進(jìn)入家電行業(yè)。上世紀(jì)8 0 年代中期，一些家電企 業(yè)的塑膠廠認(rèn)識到噴漆生產(chǎn)要走現(xiàn)代化、機(jī)械化和自動化的道路，引入了國外的 機(jī)器人生產(chǎn)線。據(jù)某彩電廠一位領(lǐng)導(dǎo)介紹，他們當(dāng)時(shí)引入了一條日本的機(jī)器人噴 4 中南大學(xué)碩上學(xué)位論文 第一章緒論 漆生產(chǎn)線。使用前，必須將電視機(jī)殼的樣件郵寄到日本，由設(shè)備商制作夾具和示 教作業(yè)程序，十分不便。后來，噴漆機(jī)器人出現(xiàn)故障，維修費(fèi)用高昂。綜合考慮 之后，停用了這條生產(chǎn)線。類似情形在許多企業(yè)出現(xiàn)過。 隨著國內(nèi)機(jī)器人開發(fā)能力的增強(qiáng)，機(jī)器人價(jià)格的降低，越來越多的噴漆機(jī)器 人出現(xiàn)在手機(jī)外殼、筆記本電腦外殼等中小件的自動化噴漆生產(chǎn)線上。但是在大 中型號彩電機(jī)殼、等離子彩電機(jī)殼、大型號電子琴機(jī)殼等較大型工件噴涂生產(chǎn)中， 盡管廠家日益感覺到對機(jī)器人的迫切需要，卻面臨著投資成本高、成功風(fēng)險(xiǎn)大等 問題，多數(shù)企業(yè)處于觀望狀態(tài)。 目前，國內(nèi)的噴漆機(jī)器人工程項(xiàng)目大多采購如f u n a c ，s t a u b l i ，a b b 等國外 品牌的機(jī)器人，然后根據(jù)需要設(shè)計(jì)機(jī)器人的末端執(zhí)行器，配置機(jī)器人的軟硬件及 周邊設(shè)備。這種工程方法周期短、見效快。但是成本高。 我國機(jī)器人使用廠家，最關(guān)心的是機(jī)器人的價(jià)錢和可靠性，至于噴漆機(jī)器人 的性能指標(biāo)和技術(shù)水平，只要能滿足工廠實(shí)際生產(chǎn)需要即可。國外一臺標(biāo)準(zhǔn)的噴 漆機(jī)器人售價(jià)為8 “ - - 1 0 萬美元( 不含關(guān)稅) ，這種費(fèi)用對于一般用戶廠家來講是 接受不了的，一般用戶廠家比較能接受的國產(chǎn)噴漆機(jī)器人的價(jià)格在2 0 “ - 2 5 萬元 人民幣，如果每臺價(jià)格低于2 0 萬元人民幣，能接受的用戶將是很多的 1 9 , 2 0 】。 2 0 0 3 年9 月，北京中拓機(jī)械有限責(zé)任公司看準(zhǔn)了這個市場，于同年1 1 月開 始開發(fā)直角坐標(biāo)型噴漆機(jī)器人p r b t ( p a i n t i n gr o b o t ) 。2 0 0 4 年3 4 月，第一臺 樣機(jī)在天津元亨塑膠廠噴出第一個合格的電子琴外殼，證明了開發(fā)思路的正確 性。2 0 0 4 年5 月，研發(fā)取得了t c l 王牌模塑中心的支持，由其提供生產(chǎn)試驗(yàn)環(huán) 境，合作開發(fā)機(jī)器人自動化電視機(jī)外殼噴漆生產(chǎn)線。其目標(biāo)是為企業(yè)提供較低價(jià) 格的機(jī)器人自動噴漆線，達(dá)到高效、高質(zhì)量、低油耗( 指油漆消耗) 三個要求。 開發(fā)采用步步為營的策略，首先開發(fā)半自動化機(jī)器人噴漆生產(chǎn)線，即在現(xiàn)有人工 噴漆線上安裝噴漆機(jī)器人，工人取放電視機(jī)殼，機(jī)器人進(jìn)行噴漆作業(yè)。此后，2 0 0 4 年5 6 月，第二臺樣機(jī)在t c l ( i 為蒙古) 王牌塑膠廠成功噴出2 1 、2 5 、2 9 英寸三 個型號的電視機(jī)殼。2 0 0 4 年1 0 月至2 0 0 5 年1 月，第三臺樣機(jī)在t c l 王牌( 惠 州) 第一基地投入試生產(chǎn)，結(jié)果表明機(jī)器人能保證正常的生產(chǎn)運(yùn)作。 對我國幾百家機(jī)器人用戶( 汽車、電子電器、機(jī)械制造和其他行業(yè)) 進(jìn)行了 統(tǒng)計(jì)，結(jié)果列于表1 1 中。 由表1 - 1 可見，就全國而言目前用得最多的是弧焊、點(diǎn)焊、裝配、噴涂機(jī)器 人；其次是搬運(yùn)、上下料( 沖壓、壓鑄、鑄鍛、注塑等用的大多是上下料機(jī)器人) ： 再是包裝、碼垛、拆垛機(jī)器人、a g v 車和密封涂膠機(jī)器人。就行業(yè)而言，汽車 行業(yè)以焊接、噴涂、涂膠為多，沖壓、搬運(yùn)、裝配次之；電子電器集中在裝配， 其次是搬運(yùn)和噴涂；機(jī)械制造主要集中于弧焊，噴涂其次。因此，噴漆機(jī)器人在 5 中南人學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論 我國有著巨大的市場發(fā)展前景。 表1 - 1 我國工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用機(jī)型分布f 2 4 , 2 5 行業(yè) 汽車電子電器機(jī)械制造其他行業(yè)總計(jì) 機(jī)型( 1 6 8 家)( 5 4 家) ( 2 9 家) ( 5 4 2 家) 1 2 3 機(jī)器人軌跡規(guī)劃算法的研究現(xiàn)狀 為了提高機(jī)器人的生產(chǎn)效率和跟蹤精度，機(jī)器人軌跡規(guī)劃技術(shù)一直在不斷發(fā) 展中【1 4 , 2 5 。機(jī)器人軌跡規(guī)劃算法的性能優(yōu)化指標(biāo)有很多，如時(shí)間最優(yōu)和系統(tǒng)能量 最優(yōu)等。其中對最優(yōu)時(shí)間下機(jī)器人軌跡規(guī)劃算法研究得較多。 在過去的十多年中，對全驅(qū)動剛性機(jī)械手最優(yōu)時(shí)間軌跡規(guī)劃問題的刻劃和描 6 中南大學(xué)碩上學(xué)位論文 第一章緒論 述以及計(jì)算一直是個活躍的研究領(lǐng)域?，F(xiàn)有的大部分工作可以被廣泛地分為兩 類：沿著一條預(yù)設(shè)路徑的最優(yōu)時(shí)間動作軌跡算法；針對最優(yōu)時(shí)間下點(diǎn)到點(diǎn) ( p o i n t t o p o i n t ，p p ) 動作的優(yōu)化處理算法。下面分別介紹這兩類工作【1 2 , 4 0 期】。 ( 1 ) 最優(yōu)時(shí)間下沿著一條特定預(yù)設(shè)路徑運(yùn)動的動作序列求解算法 可以分別基于機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)設(shè)計(jì)多種不同的算法，主要有以下幾 個成果。 l i n 等人( 1 9 8 3 ) 在考慮了機(jī)器人在位置、速度、加速度和二階加速度方面 的運(yùn)動學(xué)約束后提出了一種最優(yōu)時(shí)間下的軌跡規(guī)劃方法，并使用柔性多面體搜索 ( f l e x i b l ep o f y h e d r o ns e a r c h ，f p s ) 算法來進(jìn)行具體求解，這種方法通過使用高 次多項(xiàng)式曲線來連接機(jī)器人關(guān)節(jié)空間中一系列的關(guān)鍵點(diǎn)而得到滿意的軌跡。但是 這種算法只是一種局部搜索算法，算法的性能與初始條件的選取緊密相關(guān)。t o n d u 等人( 1 9 9 4 ) 基于同樣的約束條件，提出了類似的最優(yōu)時(shí)間下軌跡規(guī)劃方法。不 過為了簡化起見，這種方法使用了帶有光滑轉(zhuǎn)折的直線段來連接關(guān)節(jié)空間中的關(guān) 鍵點(diǎn)，這樣做的缺陷是在產(chǎn)生的軌跡中不能對給定的中間點(diǎn)進(jìn)行插值操作。此后， b a z a z 等人( 1 9 9 9 ) 對前面的方法進(jìn)行了一定的綜合，提出利用帶有光滑轉(zhuǎn)折的 三次曲線段來連接關(guān)鍵點(diǎn)的新方法，據(jù)此設(shè)計(jì)的算法取得了一定的效果。另外， g e e n n g 等人( 1 9 8 6 ) 基于p o n t r y a g i n 最小化原理，在考慮了機(jī)器人力矩約束的 前提下，研究了機(jī)器人最優(yōu)時(shí)間下路徑移動中的動作結(jié)構(gòu)，并指出該種動作在力 矩上是b a n g b a n g 類型或是b a n g - b a n g 奇異類。k i m 和s h i n ( 1 9 8 5 ) 基于機(jī)械 手的動力學(xué)模型，在關(guān)節(jié)空間中設(shè)計(jì)了一種滿足力矩約束的最小時(shí)間路徑規(guī)劃方 法。在這種方法處理之后，最后的路徑就是在隅角點(diǎn)處具有特定路徑偏差的一系 列直線段構(gòu)成。s h i l e r 和d u b o w s k y ( 1 9 8 9 ) 還在綜合考慮了工作環(huán)境中障礙物 的影響以及機(jī)械手關(guān)節(jié)運(yùn)動的約束后，提出了一種機(jī)械手的最優(yōu)時(shí)間動作規(guī)劃算 法。此外，還有一些比較高效的基于動力學(xué)方法的機(jī)器人最優(yōu)時(shí)間軌跡規(guī)劃算法。 另外，還有在同時(shí)考慮了機(jī)械手運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)約束條件的前提下而設(shè)計(jì)的 時(shí)間最優(yōu)軌跡規(guī)劃算法。如楊國軍和崔平遠(yuǎn)( 2 0 0 2 ) 提出了一種基于模糊遺傳算 法的機(jī)械手時(shí)間最優(yōu)軌跡規(guī)劃算法，該算法將模糊原理應(yīng)用于遺傳算法，對遺傳 算法中的交叉概率和變異概率進(jìn)行模糊控制，綜合考慮了機(jī)械手的運(yùn)動學(xué)和動力 學(xué)特性，克服了傳統(tǒng)的非線性規(guī)劃方法易于陷入局部極小的不足，不過他們對機(jī) 械手運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)特性的考慮不甚全面( 如沒有考慮加速度或二階加速度方面 的約束等) ，另外僅對低自由度的機(jī)械手進(jìn)行了仿真。王建濱等人( 2 0 0 2 ) 研究 了一種超冗余度機(jī)械臂同時(shí)受速度和力矩約束的時(shí)間最優(yōu)軌跡規(guī)劃算法，引入b 樣條曲線擬合無碰撞離散路徑，使用動態(tài)規(guī)劃技術(shù)來進(jìn)行具體的優(yōu)化求解，但是 因?yàn)槭遣捎脭?shù)值方法進(jìn)行求解，所以在最優(yōu)時(shí)間計(jì)算結(jié)果的精度與計(jì)算機(jī)的仿真 7 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論 時(shí)間之間存在折中問題，當(dāng)問題規(guī)模增大時(shí)，求得一定精度解的計(jì)算代價(jià)也隨之 急劇增加。 ( 2 ) 針對最優(yōu)時(shí)間下點(diǎn)到點(diǎn)( p p ) 動作的優(yōu)化處理算法 基于( p p ) 動作的機(jī)械手工作任務(wù)，一般是指需要機(jī)械手在工作空間中設(shè) 定的各個工作點(diǎn)之間來回移動來完成的一類工作任務(wù)，其中限定機(jī)械手必須到達(dá) 每個工作點(diǎn)，并在相應(yīng)的各點(diǎn)停留。( p p ) 工作任務(wù)具有廣泛的工業(yè)應(yīng)用背景。 傳送帶上的產(chǎn)品組裝、電路板上的電子元件插接、汽車部件或其它自動化設(shè)備器 件的點(diǎn)焊和切割操作、外太空中機(jī)械手的貨物傳輸操作以及一些高級的工作夾具 生產(chǎn)等都是主要的應(yīng)用實(shí)例。目前，己經(jīng)有一些具有代表性的處理最優(yōu)時(shí)間下機(jī) 械手( p p ) 動作的優(yōu)化控制算法。d u b o w s k y 和b l u b a u g h ( 1 9 8 9 ) 特別結(jié)合了 工業(yè)上一些應(yīng)用實(shí)例，討論了多種高效的特定應(yīng)用算法。p e t i o t 等人( 1 9 9 8 ) 針 對以往算法僅能對移動機(jī)器人起作用的局限性，同時(shí)針對機(jī)械手和移動機(jī)器人這 兩個對象，使用彈性網(wǎng)絡(luò)算法解決了類似問題，得到了更加高效的優(yōu)化解，并進(jìn) 一步地拓展了算法的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。在國內(nèi)，張凱等人( 2 0 0 2 ) 特別針對i v e c o 橫梁的焊接，研究了6 r 機(jī)器人在焊接過程中進(jìn)行( p p ) 運(yùn)動的軌跡規(guī)劃算法。 不過，在機(jī)械手執(zhí)行一些相對復(fù)雜的( p - p ) 工作任務(wù)中的求解算法研究上，就 較少有相應(yīng)的研究成果。 除了以時(shí)間最優(yōu)作為優(yōu)化指標(biāo)之外，目前也有一些算法以能量最優(yōu)作為優(yōu)化 指標(biāo)。例如，h i r a h a w a 和k a w a m u r a ( 1 9 9 6 ) 討論了冗余機(jī)器人的軌跡產(chǎn)生問題， 通過引入變分法和b 樣條曲線來對機(jī)器人系統(tǒng)消耗的能量進(jìn)行最優(yōu)化。g a r g 和 k u m a r ( 2 0 0 2 ) 特別針對一個兩連桿機(jī)器人和兩個協(xié)操作機(jī)器人，以機(jī)器人的力 矩最小為優(yōu)化目標(biāo)，通過使用自適應(yīng)模擬退火算法和遺傳算法，求得了機(jī)器人移 動的最優(yōu)軌跡。 1 2 4 機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)伺服控制系統(tǒng)研究狀況 伺服系統(tǒng)也稱隨動系統(tǒng)，屬于自動控制系統(tǒng)的一種，它用來控制被控對象的 轉(zhuǎn)角( 或位移) ，使其自動地、連續(xù)地、精確地復(fù)現(xiàn)輸入指令的變化規(guī)律【5 】。早 期的伺服系統(tǒng)一般采用直流電動機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，步進(jìn)電機(jī)主要應(yīng)用于控制精度 和速度要求不高的場合。上世紀(jì)六十年代歐美一些國家開始采用液壓伺服系統(tǒng)， 液壓伺服系統(tǒng)與當(dāng)時(shí)的伺服電機(jī)相比，具有驅(qū)動部件的外形尺寸小的優(yōu)點(diǎn)，但其 存在有效率低、易污染環(huán)境、發(fā)熱量大和不易維修等缺點(diǎn)。上世紀(jì)從七十年代到 八十年代中期直流伺服系統(tǒng)開始占居主導(dǎo)地位。直流傳動系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：控制簡 單，輸出轉(zhuǎn)矩可以線性控制、快速響應(yīng)、無超調(diào)、定位精度和跟隨精度高。在要 求調(diào)速性能較高的場合，直流傳動系統(tǒng)一直占主導(dǎo)地位，但是直流電動機(jī)電刷和 中南大學(xué)碩上學(xué)位論文第一章緒論 換向器易磨損，需要經(jīng)常維護(hù)，如果電動機(jī)安裝在不易維修的場所，造成了保養(yǎng) 維修等困難或無法維修。另外，直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本也比較高。因此， 就系統(tǒng)的可靠度而言，交流電動機(jī)較為優(yōu)越。由于微電機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)和電力 電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，以及微型計(jì)算機(jī)性能的提高，變頻調(diào)速及高性能交流伺服 控制技術(shù)己逐漸進(jìn)入實(shí)用化階段，并己在機(jī)器人、機(jī)械手以及各種精密數(shù)控機(jī)床 等方面得到越來越廣泛的應(yīng)用。但是交流電動機(jī)的調(diào)速比直流電動機(jī)調(diào)速復(fù)雜的 多，使得在短期內(nèi)交流伺服系統(tǒng)不可能完全取代直流伺服系統(tǒng)，所以在一定時(shí)期 內(nèi)交流伺服系統(tǒng)和直流伺服系統(tǒng)將會并存【6 孓8 2 】。 機(jī)器人的直流伺服控制系統(tǒng)用來控制機(jī)器人的某種狀態(tài)，即通過對系統(tǒng)的輸 出量和給定量進(jìn)行比較，組成閉環(huán)控制，使其能自動地、連續(xù)地、精確地復(fù)現(xiàn)輸 入信號的變化規(guī)律。它由三個模塊組成：電源模塊：包括給控制模塊、電機(jī)驅(qū)動 模塊和勵磁電壓模塊提供不同電壓等級的直流電壓。信號檢測模塊：主要包含位 置信號、速度信號和電流信號的檢測，電流反饋環(huán)節(jié)主要是抑制電網(wǎng)電壓擾動和 提高系統(tǒng)的電流跟蹤速度，實(shí)際系統(tǒng)中主要采用無接觸式的電流霍爾傳感器。位 置檢測的精度直接影響到伺服系統(tǒng)的定位精度，實(shí)際應(yīng)用的位置檢測器有光電編 碼器和電位計(jì)等。速度信號的檢測主要是通過測速電機(jī)、光電編碼器等測量。接 口單元模塊：包括指令輸入接口、和p c 機(jī)通訊接口( 串行接口、總線接口等) 、 各檢測單元和總線接口等。 直流伺服系統(tǒng)的研究內(nèi)容歸納為兩個主要方向：一是直流伺服電動機(jī)驅(qū)動技 術(shù)；二是包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)在內(nèi)的整個系統(tǒng)的伺服控制技術(shù)。目前直流伺服電動機(jī)驅(qū) 動器的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)在國際市場上已呈現(xiàn)較大規(guī)模，各種性能優(yōu)良的驅(qū)動裝置紛紛 問世，這在很大程度上己經(jīng)能夠滿足絕大多數(shù)領(lǐng)域的使用要求。同時(shí)利用直流伺 服電動機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)越來越呈現(xiàn)多樣化和復(fù)雜化，主要表現(xiàn)在：使用同一規(guī)格電 動機(jī)和驅(qū)動裝置的不同系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型可能相去甚遠(yuǎn)；即使對于同一確定系統(tǒng) ( 如機(jī)械手) ，當(dāng)工作狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)參數(shù)( 如轉(zhuǎn)動慣量) 亦有顯著變化。 工業(yè)對象的多樣化和復(fù)雜化對伺服控制提出了更高的要求，即希望伺服系統(tǒng)具有 一定的自適應(yīng)能力和較強(qiáng)的抗干擾能力，這一方面可降低用戶調(diào)試系統(tǒng)的難度， 另一方面可在參數(shù)時(shí)變及干擾強(qiáng)烈等惡劣的工況下，保證系統(tǒng)良好的動態(tài)響應(yīng)和 較高的穩(wěn)態(tài)精度。許多專家學(xué)者及生產(chǎn)廠家近年來積極致力于這種具有較強(qiáng)自適 應(yīng)能力( 或智能) 的伺服控制器的研究和開發(fā)，己有一些產(chǎn)品問世，但其性能尚 不十分完善。面對不斷增長的市場需求，預(yù)計(jì)在未來相當(dāng)長的一段時(shí)間里，高性 能伺服控制技術(shù)的研究和產(chǎn)品開發(fā)將具有很大潛力，所以本論文擬將直流伺服控 制技術(shù)作為研究方向。 9 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論 1 2 5 我國噴漆機(jī)器人主要研究方向 對噴漆機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)和控制軟件不斷改進(jìn)和完善是目前我國 噴漆機(jī)器人主要的應(yīng)用和研究方向，主要包括以下幾個方面【2 倒。 ( 1 ) 開發(fā)重復(fù)精度滿足噴漆生產(chǎn)要求、成本較低的經(jīng)濟(jì)型噴漆機(jī)器人，重 點(diǎn)研究其機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)； ( 2 ) 研究和開發(fā)噴漆機(jī)器人實(shí)現(xiàn)噴漆功能的機(jī)械結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行運(yùn)動學(xué)、動 力學(xué)分析： ( 3 ) 研究和開發(fā)噴漆機(jī)器人的控制系統(tǒng)，包括硬件和軟件兩個方面： ( 4 ) 研究示教程序( 或離線編制的工作程序) 的可移植性問題； ( 5 ) 研究型噴漆機(jī)器人的控制算法，包括控制任務(wù)調(diào)度和軌跡規(guī)劃算法。 ( 6 ) 研究和開發(fā)噴漆機(jī)器人配套設(shè)施，如漆料的自動供應(yīng)、調(diào)制等，開發(fā) 配合噴漆機(jī)器人的自動噴漆生產(chǎn)線。 1 3 課題來源、論文研究意義和主要內(nèi)容 1 3 1 課題來源 本課題來源于工程實(shí)踐，目的在于開發(fā)設(shè)計(jì)出適合我國國情的經(jīng)濟(jì)型噴漆機(jī) 器人，并對其關(guān)鍵技術(shù)展開深入研究。 1 3 2 論文研究意義 目前，乃至將來相當(dāng)長的一段時(shí)間，制造業(yè)仍占我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要位 置，隨著改革開放的深入及與國際市場的接軌，新產(chǎn)品、新工藝的要求需要有新 的裝備來武裝制造業(yè)，尤其在汽車、電子、家電、機(jī)械、輕工等行業(yè)尤為必須。 噴漆機(jī)器人不僅在制造業(yè)中擔(dān)負(fù)簡單、重復(fù)的體力勞動，更重要的是在保證產(chǎn)品 質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，把人從惡劣、危險(xiǎn)作業(yè)環(huán)境中解放出來等方面顯示出巨大 的優(yōu)越性【2 7 1 。經(jīng)過大約2 0 年的研究與實(shí)踐，我國已形成一批較有經(jīng)驗(yàn)的機(jī)器人 研究與開發(fā)隊(duì)伍，并具有一定的市場價(jià)值，已經(jīng)初步掌握了機(jī)器人的設(shè)計(jì)技術(shù)， 如機(jī)器人本體設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，機(jī)器人語言、通訊、可 靠性等。加之國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展必將推進(jìn)噴漆機(jī)器人市場需求的擴(kuò)大，同時(shí)要求從 事機(jī)器人產(chǎn)品研制、開發(fā)、應(yīng)用的隊(duì)伍必須轉(zhuǎn)變觀念、改革機(jī)制、培育新人、走 向市場。而在機(jī)器人科學(xué)和工程方面有了較開放的國際環(huán)境，使我們有條件學(xué)習(xí)、 借鑒、引進(jìn)和消化吸收國外的先進(jìn)技術(shù)，因此，噴漆機(jī)器人的研究與應(yīng)用在我國 有著非常光明的前景。 1 0 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論 眾所周知，噴漆作業(yè)的工作環(huán)境十分惡劣，油漆對人體危害很大。因此，在 噴漆行業(yè)，為保護(hù)工人的身體健康，提高噴漆質(zhì)量，減少噴漆廢品，提高勞動生 產(chǎn)率等，應(yīng)實(shí)現(xiàn)噴漆自動化。國外的機(jī)器人公司于上世紀(jì)中葉研制出了噴漆機(jī)器 人，功能非常強(qiáng)大，從機(jī)器人及其控制柜、機(jī)械裝置到噴漆控制柜、輸送帶控制 柜到小型計(jì)算機(jī)及外圍設(shè)備等。從選擇漆料的顏色到選擇漆料的厚度，再到選擇 噴涂速度、噴涂精度等一應(yīng)俱全。這種機(jī)器造價(jià)相當(dāng)昂貴，僅在個別實(shí)力雄厚的 大型企業(yè)，要求精度較高且品種多的名牌產(chǎn)品中有一席用武之地。在我國眾多的 中、小企業(yè)生產(chǎn)家具、家用電器、小型機(jī)械設(shè)備等等產(chǎn)品的過程中，雖然在漆料 控制、物料傳送以及烘干過程等都有不同程度的機(jī)械化、自動化，但噴涂操作這 樣一個單調(diào)、重復(fù)的動作仍多采用人工噴漆或刷漆。惡劣的環(huán)境使得工人只能戴 面罩堅(jiān)持兩個小時(shí)，且操作的隨意性大，很難保證噴漆質(zhì)量的穩(wěn)定性。究其原因， 是沒有造價(jià)便宜且實(shí)用的噴漆機(jī)器人【2 8 ，2 9 1 。因此，開發(fā)經(jīng)濟(jì)實(shí)用的噴漆機(jī)器人在 我國有著現(xiàn)實(shí)意義。 經(jīng)濟(jì)型噴漆機(jī)器人正是應(yīng)這一需要而產(chǎn)生的，它具備一般噴漆機(jī)器人的一般 特點(diǎn)，而且結(jié)構(gòu)簡單，操作簡單，成本低廉，能夠滿足國內(nèi)許多廠家的需求。本 文將對這種機(jī)器人展開深入研究。 1 3 3 論文研究主要內(nèi)容 本文從經(jīng)濟(jì)型噴漆機(jī)器人基礎(chǔ)研究出發(fā)，主要針對機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)、運(yùn)動 學(xué)分析、基本路徑軌跡規(guī)劃和關(guān)節(jié)控制等方面進(jìn)行深入研究，具體包括以下幾部 分內(nèi)容： ( 1 ) 根據(jù)機(jī)器人設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，從機(jī)構(gòu)學(xué)的角度出發(fā)，經(jīng)過歸納和分析確定 機(jī)器人機(jī)械臂和機(jī)械手腕的構(gòu)形：然后設(shè)計(jì)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)并對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。 ( 2 ) 利用機(jī)器人運(yùn)動學(xué)d h 表示法，建立機(jī)器人連桿坐標(biāo)系與連桿參數(shù)， 推導(dǎo)出連桿變換矩陣，解出機(jī)器人運(yùn)動學(xué)正、逆解，并驗(yàn)證其正確性。根據(jù)機(jī)器 人各個關(guān)節(jié)的運(yùn)動范圍，研究機(jī)器人的有效工作空間。 ( 3 ) 研究機(jī)器人軌跡規(guī)劃中的關(guān)節(jié)空間插值和直角坐標(biāo)空間插值。重點(diǎn)研 究直角坐標(biāo)空間