機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)—畢業(yè)論文—教學機器人的設(shè)計與仿真（畢業(yè)設(shè)計） .doc

哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文摘要教學機器人作為一種先進技術(shù)的實物載體，在教學中的位置越來越重要。它融合了造型技術(shù)、機械、電子、傳感器、計算機軟件、硬件等眾多先進技術(shù)，可為各相關(guān)技術(shù)課程教學提供很好的教學平臺。本文在查閱了國內(nèi)外相關(guān)文獻資料的基礎(chǔ)上，確定了六自由度關(guān)節(jié)型教學機器人的總體方案，包括機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案和控制方案。機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計由機械臂和手爪兩部分組成，手爪與機械臂通過法蘭盤聯(lián)接，可以安裝不同的手爪以實現(xiàn)不同的工作任務。設(shè)計了機器人裝配圖和零件圖，并對驅(qū)動電機、編碼器和減速器等進行了計算選型，設(shè)計校核了關(guān)鍵零部件。設(shè)計了教學機器人控制方案，對機器人進行了運動學分析，建立了機器人運動學方程。分析了機器人的工作空間，基于MATLAB/Simulink建立了教學機器人的機構(gòu)模型，進行了運動分析和軌跡規(guī)劃。關(guān)鍵詞：教學機器人；運動學分析；機械爪；仿真哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文ABSTRACTEDURobotasanadvancedtechnology，intheteachingpositioninanincreasinglyimportant.itblendstechnique，machineryandelectronicform，sensorsandcomputersoftware，hardwareetcmanyadvancedtechnologyandrelatedtechnicalcoursesforindividualteachingisabetterteachingplatform.InthisarticlefortheassociateddocumentsandinformationonthebasisofestablishedsixDOFjointtypeofrobottothegeneralprogramme,includingtherobotsstructuraldesignandcontrolscheme.Robotdesigniscomposeofthemechanicalarmsandhands,Itshandandthemechanicalarmsattachedbyflange,youcaninstallotherhand,inordertocompletethedifferenttask.Designedthemachinesassemblydrawingandpartdrawing.Aftercalculated，choosedthetypeofdrivemotorandcodingandgearandsoon.Designandcheckthecriticalpart,thoughtoutarobotcontrolscheme,finishedrobotkinematicanalysisandestablishedkinematicalequation.Inheend,analyzedrobotsworkspaceandusingmatlabsimulinkestablishedthemodelofteachingmachine,andtrackthemovementsanalysis.Keywords：EDURobot；kinematicanalysis；mechanicalgripper；simulation哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文目錄第1章緒論11.1課題來源及研究意義.11.2國內(nèi)外教學機器人發(fā)展概況.11.2.1國外教學機器人的發(fā)展現(xiàn)狀.21.2.2國內(nèi)教學機器人的發(fā)展現(xiàn)狀.31.3本文的主要研究內(nèi)容.5第2章教學機器人的總體方案設(shè)計62.1教學機器人基本技術(shù)參數(shù)的確定.62.1.1教學機器人結(jié)構(gòu)類型的選擇.62.1.2自由度的確定及結(jié)構(gòu)布置.62.1.3有效負載和速度.72.1.4精度要求.82.2驅(qū)動方式的選擇.92.3機器人總體方案的確定.102.4傳動系統(tǒng)及傳感檢測系統(tǒng)方案的選擇.122.5教學機器人的控制方案.132.5.1控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu).142.5.2本教學機器人的控制方案.142.5.3關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)設(shè)計.152.6本章小結(jié).16第3章教學機器人的運動分析173.1機器人的位姿與運動描述.173.2關(guān)節(jié)型機器人的廣義連桿變換齊次矩陣.17哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文3.3運動學正解.183.3.1連桿坐標系和連桿參數(shù).183.3.2連桿變換矩陣.203.4工作空間分析.233.5教學機器人的仿真.243.5.1仿真模型的建立.253.5.2仿真結(jié)果的運行和分析.263.6本章小結(jié).27第4章教學機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計284.1各關(guān)節(jié)電機、減速器和傳感器選型.284.1.1各關(guān)節(jié)力矩估算.284.1.2各關(guān)節(jié)功率估算.314.1.3各關(guān)節(jié)電機、減速器等選型.314.2各關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計.324.2.1第一關(guān)節(jié).324.2.2第二關(guān)節(jié).324.2.3第三關(guān)節(jié).324.2.4手腕部分(包含小臂).354.3手爪的設(shè)計.364.4關(guān)鍵零件的校核.374.5本章小結(jié).47結(jié)論48參考文獻49致謝51哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文1第1章緒論1.1課題來源及研究意義教學機器人的學習是激發(fā)學生創(chuàng)造力的最好辦法，他不僅具能示范教學，能使學生了解機器人的基本結(jié)構(gòu)和功能，更重要的是能開發(fā)學生的思維，激發(fā)他們的靈感。在現(xiàn)代教育技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的“教學機器”是指集機械，電子，光學，計算機，信息技術(shù)于一體的現(xiàn)代化設(shè)備，比如電腦設(shè)備，投影儀，實驗設(shè)備等等。教學機器的目的是為了給學生做示范，幫助學生學習的一個輔助性工具。目前，隨著機器人相關(guān)課程教學改革的逐步深入，一些機器人相關(guān)的課程開設(shè)，國內(nèi)一些高校加大了這方面的投入，或購買工業(yè)機器人加以改造，或進行了專門的研制。一些公司也瞄準這一市場，進行了有針對性的研發(fā)。國外在這方面的研究比較深入。近年，國內(nèi)不少大學和公司已經(jīng)開發(fā)出各種型號的教學機器人。例如：廣州市天河雙龍電子有限公司研發(fā)的雙龍2D仿真教學機器人、北京神州昕科技有限公司開發(fā)的搬運機器人、以及哈爾濱工業(yè)大學博實精密測控有限責任公司研制的幾種不同自由度數(shù)的教學機器人產(chǎn)品等。而且，近年，一些高校已經(jīng)開發(fā)一些一些小型教學機器人并生產(chǎn)投入基礎(chǔ)教育，如哈爾濱工業(yè)大學研發(fā)的諾寶機器人，收到了不錯的效果。但是總的來看，規(guī)模還不大，而且受到諸多因素的限制，而在這個形勢下，我所研究課題正是開發(fā)一個適于大學進行教學使用的機器人。1.2國內(nèi)外教學機器人發(fā)展概況機器人是近30年發(fā)展起來的一種典型的、機電一體化的、獨立的自動化生產(chǎn)工具。在制造工業(yè)中，應用工業(yè)機器人技術(shù)是提高生產(chǎn)過程自動化，改善勞動條件，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的有效手段之一，也是新技術(shù)革命的哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文2一個重要內(nèi)容。1.2.1國外教學機器人概況國外的機器人教學開始于20世紀60、70年代，最早是在大學里的機械、自動化專業(yè)開設(shè)機器人課程，隨著機器人技術(shù)的不斷發(fā)展和應用范圍的拓寬，教學機器人作為一種實用有效的教學工具開始出現(xiàn)并應用于機器人教學過程中，同時也緊隨著機器人技術(shù)的發(fā)展步伐。美國Heathkit公司在上世紀八十年代開發(fā)了ET18HEROI教學機器人，該教學機器人是一種小型移動機器人，其手臂有五個自由度。其控制系統(tǒng)主要由一個M6806微處理器，一塊I/O接口卡和九塊傳感驅(qū)動電路板組成，軟件采用匯編語言編程?？梢钥刂破邆€步進電機和一個伺服電機，同時還具有聲納測距傳感器，聲強、光強傳感器，運動檢測傳感器，以及語音功能。該教學機器人有五種常用模式，即編程模式，重復模式，使用模式，手動模式和學習模式，每轉(zhuǎn)入一個模式時，都相應地調(diào)用若干子程序為它服務。同時，該教學機器人還具有示教再現(xiàn)的功能1。作為一種教學機器人，HEROI從實用角度而言存在著一些明顯的弱點，主要表現(xiàn)為步進電機力矩太小以及移動時的定位精度太差(其前輪光柵刻度太粗，一個脈沖當量約1.1cm)。而在目前，國外很多著名的機器人生產(chǎn)公司更多采用的是教學/工業(yè)兩用機器人的方式，以達到實用和教學培訓兩用的目的。如德國機器人公司(robot-worker)生產(chǎn)的直角坐標機工業(yè)/教學機器人，日本安川公司生產(chǎn)的MOTOMANUPJ工業(yè)/教學機器人等等。以日本安川公司生產(chǎn)的MOTOMANUPJ為例，該機器人系列有五自由度(YR-UPJ3-A00)和六自由度(YR-UPJ3-B00)兩種，采用安川公司的JRC運動控制器，以交流伺服電機為執(zhí)行電機。由于其尺寸小重量輕(五自由度的為23kg，六自由度的為25kg)、控制精度高(采用交流伺服電機閉環(huán)控制)、能耗小(電機功率小于等于80W)，因此被廣泛用于工業(yè)用途。同時，結(jié)合該公司哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文3圖1.1Hero機器人圖1.2MotomanUPJ的示教盒，該機器人也可用于教學和培訓。學習者首先通過示教盒輸入運動程序并通過反復編譯直到程序不出錯為止，然后將程序輸入到運動控制器，通過其示教再現(xiàn)功能使機器人按照所編制的程序運行。通過上述一系列的操作，使學習者掌握對機器人的編程操作。雖然該機器人性能優(yōu)越，但用于機器人教學時，其硬件和軟件系統(tǒng)以認為基本上不具備開放性，因此無法利用于對機器人技術(shù)更底層的學習和研究?？傮w而言，目前國外教學機器人更多采用的是工業(yè)/教學機器人的方式，從而使教學機器人具備現(xiàn)代工業(yè)機器人類型多、精度高、可控性好等優(yōu)點。但是，這類教學機器人往往以軟件教學和培訓為主，且對用戶而言開放性不足，同時，昂貴的價格也限制了推廣1。1.2.2國內(nèi)教學機器人概況近年來，國內(nèi)許多高校都自行開發(fā)了不同型號的教學機器人，并已投入使用。如哈爾濱工業(yè)大學、西安交通大學、北京科技大學等都相繼開發(fā)出不同功能、結(jié)構(gòu)形式的教學機器人。除此以外，許多科研單位、企業(yè)與高校合哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文4作，聯(lián)合開發(fā)教學機器人。如哈爾濱工業(yè)大學博實精密測控有限公司研制的RBT系列教學機器人已成一定規(guī)模，包括四自由度SCARA型機器人、四自由度串聯(lián)關(guān)節(jié)式機器人、五自由度串聯(lián)關(guān)節(jié)式機器人、六自由度串聯(lián)關(guān)節(jié)式機器人、六自由度并聯(lián)機器人2。同時，一些公司企業(yè)也在這一領(lǐng)域有所創(chuàng)新。如首鋼莫托曼機器人有限公司開發(fā)的機器人RTLab，具有開放性、控制系統(tǒng)并具有高可靠性，很適用于教學科研領(lǐng)域。該機器人的控制器使用PC機為平臺，其全開放的控制軟硬件系統(tǒng)，可以方便地用于機器人控制技術(shù)研究、開發(fā)工作，使用者能夠在此平臺上開發(fā)研究自己的控制算法，也可進行仿真動作確認算法的正確性，還可進行實機驗證；對機器人應用技術(shù)的研究者，該機器人提供了很好的軟件控制接口，可以實現(xiàn)各種實時的插補級別的運動控制與補償，實現(xiàn)靈活的動作規(guī)劃與控制3。此外，還有廣州市天河雙龍電子有限公司開發(fā)的雙龍仿真教學機器人SLBASICV2.0。此款機器人是針對我國廣村農(nóng)村中、小學設(shè)計的，成本低且操作簡單，雙龍仿真教學機器人用2D多媒體技術(shù)制作，命名為“雙龍仿真教學機器人”，適用于雙龍SL-DIY08-8輪式教學機器人。雙龍仿真教學機器人在電腦屏幕上運行，用雙龍模塊化SLBASIC(BASIC是計算機初學者語言)解釋型語言程序控制。雙龍仿真教學機器人軟件平臺，根據(jù)實驗項目編程內(nèi)容要求，可以選擇不同工作場地。我們提供尋線場地、避懸崖場地、方格場地、迷宮場地等，當然用戶自已也可以設(shè)計仿真教學機器人工作場地。除了上面具體提到的教學機器人外，還有一些高校和企業(yè)開發(fā)了比較完善的教學機器人。如哈爾濱工業(yè)大學，上海交通大學，清華大學和天津探索智能機械公司等。教學機器人由于融合了造型技術(shù)、機械、電子、傳感器、計算機軟件、硬件等眾多先進技術(shù)，可為各相關(guān)技術(shù)課程教學提供很好的教學平臺，作為這種先進技術(shù)的實物載體，在教學中的位置也越來越重要，值得加大研發(fā)力度?？偟膩砜次覈F(xiàn)在的教學機器人還是雖然各有特點，但是哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文5也存在一些問題，一些技術(shù)還是不夠成熟，而且模式還是比較單一，還有待進一步研究提高。1.3本文的主要研究內(nèi)容本課題“教學機器人的設(shè)計與仿真”的主要目標是設(shè)計一個示教再現(xiàn)的教學機器人，要求能完成較復雜的教學任務，同時要求對機器人