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

哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文摘要教學(xué)機器人作為一種先進(jìn)技術(shù)的實物載體，在教學(xué)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(jìn)技術(shù)，可為各相關(guān)技術(shù)課程教學(xué)提供很好的教學(xué)平臺。本文在查閱了國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，確定了六自由度關(guān)節(jié)型教學(xué)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(wù)。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(jìn)行了計算選型，設(shè)計校核了關(guān)鍵零部件。設(shè)計了教學(xué)機器人控制方案，對機器人進(jìn)行了運動學(xué)分析，建立了機器人運動學(xué)方程。分析了機器人的工作空間，基于MATLAB/Simulink建立了教學(xué)機器人的機構(gòu)模型，進(jìn)行了運動分析和軌跡規(guī)劃。關(guān)鍵詞：教學(xué)機器人；運動學(xué)分析；機械爪；仿真哈爾濱工程大學(xué)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(xué)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(xué)機器人發(fā)展概況.11.2.1國外教學(xué)機器人的發(fā)展現(xiàn)狀.21.2.2國內(nèi)教學(xué)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(xué)機器人的總體方案設(shè)計62.1教學(xué)機器人基本技術(shù)參數(shù)的確定.62.1.1教學(xué)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(fù)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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)本科生畢業(yè)論文3.3運動學(xué)正解.183.3.1連桿坐標(biāo)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(xué)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(xué)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(xiàn)49致謝51哈爾濱工程大學(xué)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(xué)機器人的學(xué)習(xí)是激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造力的最好辦法，他不僅具能示范教學(xué)，能使學(xué)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(xué)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(xué)機器”是指集機械，電子，光學(xué)，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(xué)機器的目的是為了給學(xué)生做示范，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)的一個輔助性工具。目前，隨著機器人相關(guān)課程教學(xué)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(jìn)行了專門的研制。一些公司也瞄準(zhǔn)這一市場，進(jìn)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(xué)和公司已經(jīng)開發(fā)出各種型號的教學(xué)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(xué)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(xué)博實精密測控有限責(zé)任公司研制的幾種不同自由度數(shù)的教學(xué)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(xué)機器人并生產(chǎn)投入基礎(chǔ)教育，如哈爾濱工業(yè)大學(xué)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(xué)進(jìn)行教學(xué)使用的機器人。1.2國內(nèi)外教學(xué)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(yīng)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(xué)本科生畢業(yè)論文2一個重要內(nèi)容。1.2.1國外教學(xué)機器人概況國外的機器人教學(xué)開始于20世紀(jì)60、70年代，最早是在大學(xué)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(yīng)用范圍的拓寬，教學(xué)機器人作為一種實用有效的教學(xué)工具開始出現(xiàn)并應(yīng)用于機器人教學(xué)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(jì)八十年代開發(fā)了ET18HEROI教學(xué)機器人，該教學(xué)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(jìn)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(xué)機器人有五種常用模式，即編程模式，重復(fù)模式，使用模式，手動模式和學(xué)習(xí)模式，每轉(zhuǎn)入一個模式時，都相應(yīng)地調(diào)用若干子程序為它服務(wù)。同時，該教學(xué)機器人還具有示教再現(xiàn)的功能1。作為一種教學(xué)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(jìn)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(dāng)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(xué)/工業(yè)兩用機器人的方式，以達(dá)到實用和教學(xué)培訓(xùn)兩用的目的。如德國機器人公司(robot-worker)生產(chǎn)的直角坐標(biāo)機工業(yè)/教學(xué)機器人，日本安川公司生產(chǎn)的MOTOMANUPJ工業(yè)/教學(xué)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(xué)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(xué)和培訓(xùn)。學(xué)習(xí)者首先通過示教盒輸入運動程序并通過反復(fù)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(xué)習(xí)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(xué)時，其硬件和軟件系統(tǒng)以認(rèn)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(xué)習(xí)和研究。總體而言，目前國外教學(xué)機器人更多采用的是工業(yè)/教學(xué)機器人的方式，從而使教學(xué)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(xué)機器人往往以軟件教學(xué)和培訓(xùn)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(xué)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(xué)機器人，并已投入使用。如哈爾濱工業(yè)大學(xué)、西安交通大學(xué)、北京科技大學(xué)等都相繼開發(fā)出不同功能、結(jié)構(gòu)形式的教學(xué)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(xué)本科生畢業(yè)論文4作，聯(lián)合開發(fā)教學(xué)機器人。如哈爾濱工業(yè)大學(xué)博實精密測控有限公司研制的RBT系列教學(xué)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(xué)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(jìn)行仿真動作確認(rèn)算法的正確性，還可進(jìn)行實機驗證；對機器人應(yīng)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(xué)機器人SLBASICV2.0。此款機器人是針對我國廣村農(nóng)村中、小學(xué)設(shè)計的，成本低且操作簡單，雙龍仿真教學(xué)機器人用2D多媒體技術(shù)制作，命名為“雙龍仿真教學(xué)機器人”，適用于雙龍SL-DIY08-8輪式教學(xué)機器人。雙龍仿真教學(xué)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(xué)者語言)解釋型語言程序控制。雙龍仿真教學(xué)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(dāng)然用戶自已也可以設(shè)計仿真教學(xué)機器人工作場地。除了上面具體提到的教學(xué)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(xué)機器人。如哈爾濱工業(yè)大學(xué)，上海交通大學(xué)，清華大學(xué)和天津探索智能機械公司等。教學(xué)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(jìn)技術(shù)，可為各相關(guān)技術(shù)課程教學(xué)提供很好的教學(xué)平臺，作為這種先進(jìn)技術(shù)的實物載體，在教學(xué)中的位置也越來越重要，值得加大研發(fā)力度。總的來看我國現(xiàn)在的教學(xué)機器人還是雖然各有特點，但是哈爾濱工程大學(xué)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(jìn)一步研究提高。1.3本文的主要研究內(nèi)容本課題“教學(xué)機器人的設(shè)計與仿真”的主要目標(biāo)是設(shè)計一個示教再現(xiàn)的教學(xué)機器人，要求能完成較復(fù)雜的教學(xué)任務(wù)，同時要求對機器人