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1绪论
1.1工业机械手的概述工业机器手是一种可以搬运物料、零件、工具或完成多种操作功能的专用机械装置;由计算机控制,是无人参与的自主自动化控制系统;他是可编程、具有柔性的自动化系统,可以允许进行人机联系可以通俗的理解为“机器人是技术系统的一种类别,它能以其动作复现人的动作和职能;它与传统的自动机的区别在于有更大的万能性和多目的用途,可以反复调整以执行不同的功能”工业机械手是人类创造的一种机器更是人类创造的一项伟大奇迹其研究、开发和设计是从二十世纪中叶开始的.我国的工业机械手是从80年代七五科技攻关开始起步在国家的支持下通过七五八五科技攻关目前已经基本掌握了机械手操作机的设计制造技术控制系统硬件和软件设计技术运动学和轨迹规划技术生产了部分机器人关键元器件,开发出喷漆,孤焊,点焊,装配,搬运等机器人,其中有130多台喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线(站)上获得规模应用,孤焊机器人已经应用在汽车制造厂的焊装线上但总的看来,我国的工业机械手技术及其工程应用的水平和国外比还有一定距离如可靠性低于国外产品,机械手应用工程起步较晚,应用领域窄,生产线系统技术与国外比有差距影响我国机械手发展的关键平台因素就是其软件,硬件和机械结构目前工业机械手仍大量应用在制造业,其中汽车工业占第一位(占
28.9%),电器制造业第二位(占
16.4%),化工第三位(占
11.7%)发达国家汽车行业机械手应用占总保有量百分比为
23.4%~53%,年产每万辆汽车所拥有的机械手数为(包括整车和零部件)日本
88.0台,德国
64.0台,法国
32.2台,英国
26.9台,美国
33.8台,意大利
48.0台世界工业机械手的数目虽然每年在递增,但市场是波浪式向前发展的在新世纪的曙光下人们追求更舒适的工作条件,恶劣危险的劳动环境都需要用机器人代替人工随着机器人应用的深化和渗透,工业机械手在汽车行业中还在不断开辟着新用途机械手的发展也已经由最初的液压,气压控制开始向人工智能化转变,并且随着电子技术的发展和科技的不断进步,这项技术将日益完善 上料机械手与卸料机械手相比,其中上料机械手中的移动式搬运上料机械手适用于各种棒料,工件的自动搬运及上下料工作例如铝型材挤压成型铝棒料的搬运及高温材料的自动上料作业,最大抓取棒料直径达180mm,最大抓握重量可达30公斤,最大行走距离为1200mm根据作业要求及载荷情况,机械手各关节运动速度可调移动式搬运上料机械手主要由手爪,小臂,大臂,手臂回转机构,小车行走机构,液压泵站电器控制系统组成,同时具有高温棒料启动疏料装置及用于安全防护用的光电保护系统整个机械手及液压系统均集中设置在行走小车上,结构紧凑电气控制系统采用OMRON可编程控制器,各种作业的实现可以通过编程实现国内外实际使用的多是定位控制的机械手,没有“视觉”和“触觉”反馈目前,世界各国正积极研制带有“视觉”和“触觉”的工业机械手,使它能够对所抓取的工件进行分辨,能选取所需要的工件,并正确的夹持工件,进而精确地在机器上定位、定向为使机械手有“眼睛”去处理方位变化的工件和分辨形状不同的零部件,它由视觉传感器输入三个视图方向的视觉信息,通过计算机进行图形分辨,判别是否是所要抓取的工件为防止握力过大引起物件损坏或握力过小引起物件滑落下来,一般采用两种方法一是检测把握物体手臂的变形,以决定适当的握力;另一种是直接检测指部与物件的滑动位移,来修正握力 因此,这种机械手就具有以下几个方面的性能 1)能准确地抓住方位变化的物体;2)能判断对象的重量;3能自动避开障碍物;4抓空或抓力不足时能检测出来这种具有感知能力并对感知的信息做出反映的工业机械手称之为“智能机械手”,它是有发展前途的现在,工业机械手的使用范围只限于在简单重复的操作方面节省人力,其效用是代替从事繁重的工作,危险的工作,单调重复的工作,恶劣环境下的工作方面尤其明显至于像汽车工业和电子工业之类的费工的工业部分,机械手的应用情况决不能说是好的虽然这些工业部门工时不足的问题尖锐,但采用机械手只限于一小部分工序,其原因是,工业机械手的性能还不能满足这些部门的要求,适于机械手工作的范围很狭小,这是主要原因经济性问题当然也很重要,采用机械手来节约人力从经济上看,不一定总是合算的然而,利用机械手或类似机械设备节省人力和实现生产合理化的要求,今后还会持续增长,只要技术方面和价格方面存在的问题得到解决,机械手的应用必将会飞跃发展 上料机械手和卸料机械手相对,其中上料机械手中的移动式搬运上料机械手适用于各种棒料,工件的自动搬运及上下料工作例如铝型材挤压成型机铝棒料的搬运及高温棒料的自动上料作业,最大抓取棒料直径可达180mm,最大抓握重量可达30公斤,最大行走距离为1200mm根据作用要求和载荷情况,机械手各关节运动速度可调移动式搬运上料机械手主要由手爪,小臂,大臂,手臂回转机构,小车行走机构,液压泵站电器控制系统组成,同时具有高温棒料启动疏料装置及用于安全防护用的光电保护系统整个机械手及液压系统均集中设置在行走小车上,结构紧凑电气控制系统采用OMRON可编程控制器,各种作业的实现可以通过编程实现随着机电一体化技术和计算机技术的应用,其研究和开发水平获得了迅猛的发展并涉及到人类社会生产及生活的各个领域,特别是工业机械手在生产加工中的广泛应用轿车半轴加工上料机械手设计在综合多种机械手的设计原理和设计思想,根据轿车半轴加工的特点提出的,有一定的理论基础,设计水平和应用价值
1.2机械手的构成与分类
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2.1机械手的构成机械人主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及人工智能等所组成������#0;��������#0;����-��������#0;��������#0;����#0;����#0;����#0;����#0;��������������������#0;������������������#0;����������������#0;����������������������������#0;一执行机构包括末端执行器、手腕、手臂、底座等部件,有的还增设行走机构,一般视需要而定
1、末端执行器即与物件接触的部件由于与物件接触的形式不同,可分为夹持式和吸附式手部夹持式手部由手指或手爪和传力机构所构成手指是与物件直接接触的构件,常用的手指运动形式有回转型和平移型回转型手指结构简单,制造容易,故应用较广泛平移型应用较少,其原因是结构比较复杂,但平移型手指夹持圆形零件时,工件直径变化不影响其轴心的位置,因此适宜夹持直径变化范围大的工件手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位是外廓或是内孔和物件的重量及尺寸常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夹式和内撑式;指数有双指式、多指式和双手双指式等而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务传力机构型式较多,常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等吸附式手部主要由吸盘等构成,它是靠吸附力如吸盘内形成负压或产生电磁力吸附物件,相应的吸附式手部有负压吸盘和电磁盘两类对于轻小片状零件、光滑薄板材料等,通常用负压吸盘吸料造成负压的方式有气流负压式和真空泵式对于导磁性的环类和带孔的盘类零件,以及有网孔状的板料等,通常用电磁吸盘吸料电磁吸盘的吸力由直流电磁铁和交流电磁铁产生用负压吸盘和电磁吸盘吸料,其吸盘的形状、数量、吸附力大小,根据被吸附的物件形状、尺寸和重量大小而定此外,根据特殊需要,手部还有勺式如浇铸机械手的浇包部分、托式如冷齿轮机床上下料机械手的手部等型式.
2、手腕是连接手部和手臂的部件,并可用来调整被抓取物件的方位即姿势
3、手臂手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件手臂的作用是带动手指去抓取物件,并按预定要求将其搬运到指定的位置.工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等与驱动源如液压、气压或电机等相配合,以实现手臂的各种运动手臂可能实现的运动如下:手臂在进行伸缩或升降运动时,为了防止绕其轴线的转动,都需要有导向装置,以保证手指按正确方向运动此外,导向装置还能承担手臂所受的弯曲力矩和扭转力矩以及手臂回转运动时在启动、制动瞬间产生的惯性力矩,使运动部件受力状态简单导向装置结构形式,常用的有:单圆柱、双圆柱、四圆柱和V形槽、燕尾槽等导向型式
4、机座机座是机械手的基础部分,机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上,故起支撑和连接的作用
5、行走装置当工业机械手需要完成较远距离的操作,或扩大使用范围时,可在机座上安装滚轮、轨道等行走机构,以实现工业机械手的整机运动滚滚轮轮式式布行走机构可分为有轨的和无轨的两种驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置二驱动系统驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置,通常由动力源、控制调节装置和辅助装置组成常用的驱动系统有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动通常一台机械人只用一种驱动装置三控制系统控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位或机械挡块定位系统组成控制系统有电气控制和射流控制两种,它支配着机械手按规定的程序运动,并记忆人们给予机械手的指令信息如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间,同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令,必要时可对机械手的动作进行监视,当动作有错误或发生故障时即发出报警信号四人工智能触觉、视觉、听觉、嗅觉、力觉、压觉、接近觉、滑觉、语言识别、逻辑判断和学习等装置,根据机器人的智能程度决定
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2.2机械手的分类工业机械手的种类很多,关于分类的问题,目前在国内尚无统一的分类标准,在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类
(一)按机器人的机构特征来分机器人的机械配置形式多种多样,典型机器人的机构运动特征是用其坐标特性来描述的按机构运动特征,机器人通常可分为直角坐标机器人、柱面坐标机器人、球面坐标机器人和关节型机器人等类型1直角坐标机器人直角坐标机器人具有空间上相互垂直的两根或三根直线移动轴(见图7-1),通过直角坐标方向的3个独立自由度确定其手部的空间位置,其动作空间为一长方体直角坐标机器人结构简单,定位精度高,空间轨迹易于求解;但其动作范围相对较小,设备的空间因数较低,实现相同的动作空间要求时,机体本身的体积较大主要用于印刷电路基板的元件插入、紧固螺丝等作业2柱面坐标机器人柱面坐标机器人的空间位置机构主要由旋转基座、垂直移动和水平移动轴构成(见图7-2),具有一个回转和两个平移自由度,其动作空间呈圆柱形这种机器人结构简单、刚性好,但缺点是在机器人的动作范围内,必须有沿轴线前后方向的移动空间,空间利用率较低主要用于重物的装卸、搬运等作业著名的Versatran机器人就是一种典型的柱面坐标机器人3球面坐标机器人其空间位置分别由旋转、摆动和平移3个自由度确定,动作空间形成球面的一部分其机械手能够作前后伸缩移动、在垂直平面上摆动以及绕底座在水平面上转动著名的Unimate就是这种类型的机器人其特点是结构紧凑,所占空间体积小于直角坐标和柱面坐标机器人,但仍大于多关节型机器人
4、多关节型机器人由多个旋转和摆动机构组合而成这类机器人结构紧凑、工作空间大、动作最接近人的动作,对喷漆、装配、焊接等多种作业都有良好的适应性,应用范围越来越广不少著名的机器人都采用了这种型式,其摆动方向主要有铅垂方向和水平方向两种,因此这类机器人又可分为垂直多关节机器人和水平多关节机器人如美国Unimation公司20世纪70年代末推出的机器人PUMA(见图7-4)就是一种垂直多关节机器人,而日本山梨大学研制的机器人SCARA(见图7-5)则是一种典型的水平多关节机器人垂直多关节机器人模拟了人类的手臂功能,由垂直于地面的腰部旋转轴(相当于大臂旋转的肩部旋转轴)带动小臂旋转的肘部旋转轴以及小臂前端的手腕等构成手腕通常由2~3个自由度构成其动作空间近似一个球体,所以也称多关节球面机器人其优点是可以自由地实现三维空间的各种姿势,可以生成各种复杂形状的轨迹相对机器人的安装面积.其动作范围很宽缺点是结构刚度较低,动作的绝对位置精度磨较低它广泛应用于代替人完成装配作业、货物搬运、电弧焊接、喷涂、点焊接等作业场合.水平多关节机器人在结构上具有串联配置的二个能够在水平面内旋转的手臂,其自由度可以根据用途选择2~4个,动作空间为一圆柱体水平多关节机器人的优点是在垂直方向上的刚性好,能方便地实现二维平面上的动作,在装配作业中得到普遍应用二按用途分机械手可分为专用机械手和通用机械手两种:
1、专用机械手它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置专用机械手具有动作少、工作对象单
一、结构简单、使用可靠和造价低等特点,适用于大批量的自动化生产,如自动机床、自动线的上、下料机械手和“加口工中心”附属的自动换刀机械手
2、通用机械手它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手在规格性能范围内,其动作程序是可变的,通过调整可在不同场合使用,驱动系统和控制系统是独立的通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强,适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种:简易型以“开一关”式控制定位,只能是点位控制:伺服型具有伺服系统定位控制系统,可以是点位的,也可以实现连续轨迹控制,一般的伺服型通用机械手属于数控类型三按驱动方式分
1、液压传动机械手是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手其主要特点是:抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏但对密封装置要求严格,不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响,且不宜在高温、低温下工作若机械手采用电液伺服驱动系统,可实现连续轨迹控制,使机械手的通用性扩大,但是电液伺服阀的制造精度高,油液过滤要求严格,成本高
2、气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手其主要特点是:介质李源极为方便,输出力小,气动动作迅速,结构简单,成本低但是,由于空气具有可压缩的特性,工作速度的稳定性较差,冲击大,而且气源压力较低,抓重一般在30公斤以下,在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大,所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作
3、机械传动机械手即由机械传动机构如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等驱动的机械手它是一种附属于工作主机的专用机械手,其动力是由工作机械传递的它的主要特点是运动准确可靠,动作频率大,但结构较大,动作程序不可变它常被用于工作主机的上、下料
4、电力传动机械手即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的机械手,因为不需要中间的转换机构,故机械结构简单其中直线电机机械手的运动速度快和行程长,维护和使用方便此类机械手目前还不多,但有发展前途四按控制方式分
1、点位控制它的运动为空间点到点之间的移动,只能控制运动过程中几个点的位置,不能控制其运动轨迹若欲控制的点数多,则必然增加电气控制系统的复杂性目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类
2、连续轨迹控制它的运动轨迹为空间的任意连续曲线,其特点是设定点为无限的,整个移动过程处于控制之下,可以实现平稳和准确的运动,并且使用范围广,但电气控制系统复杂这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制
1.3机器人的应用与发展
1.
3.1工业机器人在工业生产中的应用 工业机械手在生产中的应用非常广泛,还可以归纳为以下的一些方面建造旋转零件体自动线方面 建造旋转零件体(轴类、盘类、环类零件)自动线,一般都采用机械手在机床之间传送工件在实现单机自动化方面 1各类半自动车床,有自行夹紧、进刀、切削、退刀和松开的功能,但仍需人工上下料,装上机械手,可实现全自动化生产 2注塑机有加料、合模、成型、分模等自动工作循环,装上机械手自动取料,可实现全自动生产 3冲床有自动上下冲压循环,机械手上下料可实现冲压上产自动化铸、锻、焊、热处理等方面总的来说,由于工业机械手的特点满足了社会生产的需要,进而带来了经济效益其特点 1对环境的适应性强,能代替人从事危险,有害的操作,在长时间对人体有害的场所,机械手不受影响 2机械手能持久、耐劳、可以把人从单调的繁重的劳动中解放出来,并能扩大和延伸人的功能 3动作准确,可保证稳定和提高产品的质量,同时可避免人为操作的错误 4通用性灵活性好,特别是通用机械手,能适应产品品种迅速变化的要求,满足柔性生产的需要5采用机械手能明显的提高劳动生产率和降低成本
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3.2机器人的发展与前景国际上第一台工业机器人产品诞生于20世纪60年代,当时其作业能力仅限于上、下料这类简单的工作此后机器人进人了一个缓慢的发展期,直到进人20世纪80年代,机器人产业才得到了巨大的发展,成为机器人发展的一个里程碑,这一时代被称为“机器人元年”为了满足汽车行业蓬勃发展的需要,这个时期开发出的点焊机器人、弧焊机器人、喷涂机器人以及搬运机器人等四大类型的工业机器人系列产品已经成熟,并形成产业化规模,有利地推动了制造业的发展为进一步提高产品质量和市场竞争能力,装配机器人及柔性装配线又相继开发成功20世纪90年代以来,随着计算机技术、微电子技术、网络技术等快速发展,工业机器人技术也得到了飞速发展现在工业机器人已发展成为一个庞大的家族,并与数控(NC)、可编程、控制器(PLC)一起成为工业自动化的三大技术支柱和基本手段,广泛应用于制造业的各个领域之中工业机器人技术从机械本体、控制系统、传感系通行统,到可靠性、网络通信功能的拓展等方面都取得了突破性的进展机械本体方面,通过有限元分析、模态分析及仿真设计等现代设计方法的运用,机器人操作机已实现了优化设计以德国KUKA公司为代表的机器人公司,已将机器人并联平行四边形结构改为开链结构,拓展了机器人的工作范围,加之轻质铝合金材料的应用,大大提高了机器人的性能此外采用先进的RV减速器及交流伺服电机,使机器人操作机几乎成为免维护系统控制系统方面,性能进一步提高,已由过去控制标准的6轴机器人发展到现在能够控制21轴甚至27轴,并且实现了软件伺服和全数字控制传感系统方面,激光传感器、视觉传感器和力传感器在机器人系统中已得到成功应用,并实现了焊缝自动跟踪和自动化生产线上物体的自动定位以及精密装配作业等,大大提高了机器人的作业性能和对环境的适应性日本KAWASAKI、YASKAWA、FANUC和瑞典ABB、德国KUKA、REIS等公司皆推出了此类产品网络通信功能的拓展,日本YASKAWA和德国KUKA公司的最新机器人控制器已实现了与Canbus、Profibus总线及一些网络的联接,使机器人由过去的独立应用向网络化应用迈进了一大步,也使机器人由过去的专用设备向标准化设备发展另外,由于微电子技术的快速发展和大规模集成电路的应用,使机器人系统的可靠性有了很大提高除了工业机器人水平不断提高之外,各种用于非制造业的机器人系统也有了长足的进展农业生产环境的的复杂性和作业对象特殊性使得农业机器人研究难度更大,农业机器人的应用尚未达到商品化阶段,但农业机器人技术的研究已经在土地耕作、蔬菜嫁接、作物移栽、农药喷洒、作物收获、果蔬采摘等生产环节取得了一些突破性进展例如,日本的耕作拖拉机自动行走系统、联合收割机自动驾驶技术、无人驾驶农药喷洒机,英国的葡萄枝修剪机器人、蘑菇采摘机器人和VMS挤牛奶机器人,我国的农业机器人自动引导行走系统、蔬菜嫁接机器人,法国的水果采摘机器人,以及荷兰开发的挤奶机器人等机器人技术用于海洋开发,特别是深海资源的开发,一直是的许多国家积极关注的目标法国、美国、俄罗斯、日本、加拿大等国从20世纪70年代开始先后研制了几百台不同结构形式和性能指标的水下机器人法国的EPAVLARD、美国的AUSS、俄罗斯的MT-88等水下机器人已用于海洋石油开采、海底勘查、救捞作业、管道敷设和检查、电缆敷设和维护、以及大坝检查等方面我国在90年代中期研制的“CR-01”水下机器人在太平洋深海试验成功,海深达6000m以上,使我国在深海探测和探索方面跃居世界先进水平 近年来随着各种智能能机器人的研究与发展,能在宇宙空间作业的所谓空间机器人就成为新的研究领域,并已成为空间开发的重要组成部分美、俄、加拿大等国已研制出各种空间机器人,如美国NASA的空间机器人Sojanor等Sojanor是一辆自主移动车,重量为
11.5kg,尺寸630~48mm,有6个车轮,它在火星上的成功应用,引起了全球的广泛关注 服务机器人是近年来发展很快的一个领域,已成功地应用于医疗、家用、娱乐等人类生活的方方面面作为服务机器人的一个重要分支,医用机器人的主要运用在护理、康复、辅助诊断和外科手术等场合1998年5月德、法两国医生成功利用机器人完成了一例心脏瓣膜修复手术,包括对病人心脏瓣膜的修整和再造这次手术中使用的是美国直觉外科研究所研制的医用遥控机器人系统1998年6月,机器人又完成了首例闭胸冠状动脉搭桥手术机器人技术与外科技术的结合,为病人带来福音可以预见,在21世纪各种先进的机器人系统将会进入人类生产、生活的各个领域,成为人类良好的助手和亲密的伙伴2总体设计方案
2.1结构类型的要求和确定机械结构设计的要求,包括对机器整机的设计要求和对组成零件的设计要求两个方面,两者相互联系、相互影响
1.对机器整机设计的基本要求对机器使用功能方面的要求实现预定的使用功能是机械设计的最基本的要求,好的使用性能指标是设计的主要目标另外操作使用方便、工作安全可靠、体积小、重量轻、效率高、外形美观、噪声低等往往也是机械设计时所要求的对机器经济性的要求机器的经济性体现在设计、制造和使用的全过程中,在设计机器时要全面综合的进行考虑设计的经济性体现为合理的功能定位、实现使用要求的最简单的技术途径和最简单合理的结构
2.对零件设计的基本要求机械零件是组成机器的基本单元,对机器的设计要求最终都是通过零件的设计来实现,所以设计零件时应满足的要求是从设计机器的要求中引申出来的,即也应从保证满足机器的使用功能要求和经济性要求两方面考虑要求在预定的工作期限内正常可靠的工作,从而保证机器的各种功能的正设计简单合理的零件结构、合理规定零件加工的公差等级以及认真考虑零件的加工工艺性和装配工艺性等另外要尽量采用标准化、系列化和通用化的零部件任何一种机器都有动力机、传动装置和工作机组成动力机是机器工作的能量来源,可以直接利用自然资源(也称为一次能源)或二次能源转换为机械能,如内燃机、气轮机、电动机、电动马达、水轮机等工作机是机器的执行机构,用来实现机器的动力和运动能力,如机器人的末端执行器就是工作机传动装置则是一种实现能量传递和兼有其它作用的装置为实现总体机构在空间的位置提供的6个自由度,可以有不同的运动组合,根据本课题可以将其设计成以下3种方案1圆柱坐标型这种运动形式是通过一个转动,两个移动,共三个自由度组成的运动系统,工作空间图形为圆柱型它与直角坐标型比较,在相同的工作空间条件下,机体所占体积小,而运动范围大2直角坐标型直角坐标型工业四自由度的工业机器人,其运动部分由三个相互垂直的直线移动组成,其工作空间图形为长方体它在各个轴向的移动距离,可在各坐标轴上直接读出,直观性强,易于位置和姿态的编程计算,定位精度高、结构简单,但机体所占空间体积大、灵活性较差
3.球坐标型又称极坐标型,它由两个转动和一个直线移动所组成,即一个回转,一个俯仰和一个伸缩运动组成,其工作空间图形为一个球形,它可以作上下俯仰运动并能够抓取地面上或较低位置的工件,具有结构紧凑、工作空间范围大的特点,但结构复杂
2.2规格参数手部负重10kg(抓取物体的形状为圆柱体,圆柱体半径、高度自定,密度)自由度数3个,沿Z轴的上下移动,绕Z轴的转动,沿X轴的伸缩坐标型式圆柱坐标手臂运动参数伸缩行程(X)450mm伸缩速度()升降行程(Z)150mm升降速度()回转范围()定位方式闭环伺服定位重复定位精度驱动方式电动控制方式MGS-51单片微机
2.2总体设计方案 使用现在机械设计方法和电动传动技术进行设计,采用圆柱式坐标各手臂结构选用封闭式空心截面形状传动方式,选用同步带,螺旋传动和齿轮传动三种传动方式,驱动装置采用步进电动机,控制系统选用单片机的点位控制方式
2.4工作原理机的输出经过减速器变速后,通过齿轮传动使腰部绕垂直轴线旋转,其旋转角度为270°,大臂固定在腰部从动轮上,并随着腰部一起转动,从而实现手臂的整体旋转大臂的升降机构由腰部来实现,此结构为步进电动机带动蜗杆使蜗轮传动,依靠蜗轮内孔的螺纹带动丝杠升降运动,为防止丝杠转动,采用了由丝杠上端的花键与固定箱体的花键套组成的导向装置小臂通过一旋转轴固定在大臂末端,其驱动电机固定在大臂的另一端,通过同步带传动带动小臂旋转,其旋转的角度为300°小臂内部安装有一个步进电动机,通过扇形齿轮齿条转化为实现手抓的开合3机械手部分计算及其分析
3.1手部计算与分析
3.1.1手部设计的基本要求1应具有适当的夹紧力和驱动力 2手指应具有一定的开闭范围 3应保证工件在手指内的夹持精度 4要求结构紧凑,重量轻,效率高 5应考虑通用性和特殊要求
3..
1.2夹紧力计算手指加在工件上的夹紧力是设计手部的主要依据,必须对其大小、方向、作用点进行分析、计算一般来说,加紧力必须克服工件的重力所产生的静载荷(惯性力或惯性力矩)以使工件保持可靠的加紧状态其工件质量G=10kg,V形手指的角度2=,,摩擦系数根据手部结构的传动示意图,其驱动力为根据手指加持工件的方位,可得握力计算公式所以实际驱动力因为传力机构为齿轮齿条传动,故取
0.94,并取为
1.5若被抓去工件的最大加速度为时则所以,所以夹持工件时所需夹紧的驱动力为1563N.
3.
1.3手爪的夹持误差及分析机械手能否准确夹持工件,把工件送到指定位置,不仅取决于机械手定位精度(由臂部和腕部等运动部件确定),而且也与手指的夹持误差大小有关特别是在多品种的中、小批量生产中,为了适应工件尺寸在一定范围内变化,避免产生手指夹持的定位误差,需要注意选用合理的手部结构参数,见图3-2,从而使夹持误差控制在较小的范围内在机械加工中,通常情况使手爪的夹持误差不超过手部的最终误差取决于手部装置加工精度和控制系统补偿能力图3-2夹持不同工件时的夹持误差图3-2中,为工件直径,工件直径为60mm,尺寸偏差,则,,本设计为扇形齿条回转型夹持器,属于两点回转型手指夹持,如图3-3所示图3-3扇形齿条回转式钳爪若把工件轴心位置C到手爪两支点连线的垂直距离CD以X表示,根据几何关系有简化为在设计中,希望给定的和来确定手爪各部分尺寸,为了减少夹持误差,一方面可加长手指长度,但手指过长,使其结构增大,另一方面可选取合适的偏转角,使夹持误差最小,这时的偏转角称为最佳偏转角只有当工件的平均半径取为时,夹持误差最小此时最佳偏转角的选择对于两支点回转型手爪(尤其当值较大时),偏转角的大小不易按夹持误差最小的条件确定,主要考虑这样极易出现在抓取半径较小时,两手爪的和边平行,抓不着工件为避免上述情况,通常按手爪抓取工件的平均半径,以为条件确定两支点回转型手爪的偏转角,即下式其中,V型钳的夹角代入得出则则,此时定位误差为和中的最大值分别代入得所以,,夹持误差满足设计要求
3.2机械手腕部计算及其分析手腕部件设置在手部和臂部之间,它的作用主要是在臂部运动的基础上进一步改变或调整手部在空间的方位,以扩大机械手的动作范围,并使机械手变得更灵巧,适应性更强手腕部件具有独立的自由度,此设计中要求有绕中轴的回转运动机器人手腕自由度数,应根据作业需要来设计机器人手腕自由度数愈多,各关节的运动角度愈大,则机器人腕部的灵活性愈高,机器人对作业的适应能力也愈强但是,自由度的增加,也必然会使腕部结构更复杂,机器人的控制更困难,成本也会增加,也必然会使腕部结构更复杂,机器人的控制更困难,成本也会增加因此手腕的自由度,应根据实际作业要求来确定在满足作业要求的前提下,应使自由度数尽可能的少一般的机器人手腕的自由度为2至3个,有的需要更多的自由度,而有的机器人手腕不需要自由度,仅凭手臂和腰部的于东就能实现作业要求的任务因此,要具体问题具体分析,考虑机器人的多种布局,运动方案,选择满足要求的最简单的方案机器人腕部安装在机器人手臂的末端,在设计机器人手腕时,应力求减少其重量和体积,结构力求紧凑为了减轻机器人腕部的重量,腕部机构的驱动器采用分离传动腕部驱动器一般安装在手臂上,而不采用直接驱动,并选用高强度的铝合金制造机器人手腕要求与末端执行器相联,因此,要有标准的联接法兰,结构上要便于装卸末端执行器机器人的手腕机构要有足够的强度和刚度,以保证力与运动的传递要设有可靠的间隙调整机构,以减少空回间隙,提高传动精度手腕各关节轴转动要有限位开关,并设计硬限位,以防止超限造成机械损坏因此,应基本满足一下要求
(1)力求结构紧凑、重量轻腕部处于手臂的最前端,它连同手部的静、动载荷均由臂部承担显然,腕部的结构、重量和动力载荷,直接影响着臂部的结构、重量和运转性能因此,在腕部设计时,必须力求结构紧凑,重量轻
(2)结构考虑,合理布局腕部作为机械手的执行机构,又承担连接和支撑作用,除保证力和运动的要求外,要有足够的强度、刚度外,还应综合考虑,合理布局,解决好腕部与臂部和手部的连接
(3)必须考虑工作条件对于本设计,机械手的工作条件是在工作场合中搬运加工的棒料,因此不太受环境影响,没有处在高温和腐蚀性的工作介质中,所以对机械手的腕部没有太多不利因素
3.3手臂结构设计设计机械手伸缩臂,底板固定在大臂上,前端法兰安装机械手,完成直线伸缩动作,机械手臂性能要求功能性的要求机械手伸缩臂安装在升降大臂上,前端安装夹持器,按控制系统的指令,完成工件的自动换位工作伸缩要平稳灵活,动作快捷,定位准确,工作协调适应性的要求为便于调整,适应工件大小不同的要求,起止位置要方便调整,要求设置可调式定位机构为了控制惯性力,减少运动冲击,动力的大小要能与负载大小相适应,如步进电机通过程序设计改变运动速度,力矩电机通过调整工作电压,改变堵力矩的大小,达到工作平稳、动作快捷、定位准确的要求可靠性的要求可靠性是指产品在规定的工作条件下,在预定使用寿命期内能完成规定功能的概率工业机械手可自动完成预定工作,广泛应用在自动化生产线上,因此要求机械手工作必须可靠设计时要进行可靠性分析寿命的要求产品寿命是产品正常使用时因磨损而使性能下降在允许范围内而且无需大修的连续工作期限设计中要考虑采取减少摩擦和磨损的措施,如选择耐磨材料、采取润滑措施、合理设计零件的形面等因各零部件难以设计成相等寿命,所以易磨损的零件要便于更换经济的要求机械产品设备的经济性包括设计制造的经济性和使用的经济性机械产品的制造成本构成中材料费、加工费占有很大的比重,设计时必须给予充分注意将机械设计课程中学到的基本设计思想贯穿到设计中人机工程学的要求人机工程学也称为技术美学,包括操作方便宜人,调节省力有效,照明适度,显示清晰,造型美观,色彩和谐,维护保养容易等本设计中要充分考虑外形设计,各调整环节的设计要方便人体接近,方便工具的使用安全保护和自动报警的要求按规范要求,采取适当的防护措施,确保操作人员的人身安全,这是任何设计都必须考虑的,是必不可少的在程序设计中要考虑因故障造成的突然工作中断,如机构卡死、工件不到位、突然断电等情况,要设置报警装置机械手臂的结构要求应尽可能使机器人手臂各关节轴相互平行;相互垂直的轴应尽可能相交于一点,这样可以使机器人运动学正逆运算简化,有利于机器人的控制机器人手臂的机构尺寸应满足机器人工作空间的要求工作空间的形状和大小与机器人手臂的长度,手臂关节的转动范围有密切的关系但机器人手臂末端工作空间并没有考虑机器人手腕的空间姿态要求,如果对机器人手腕的姿态提出具体的要求,则其手臂末端可实现的空间要小于上述没有考虑手腕姿态的工作空间为了提高机器人的运动速度与控制精度,应保证机器人手臂有足够的强度和刚度的条件下,尽可能在结构上、材料上设法减轻手臂的重量力求选用高强度的轻质材料,通常选用高强度的铝合金制造机器人的手臂目前,在国外,也在研究用碳纤维复合材料制造机器人手臂碳纤维复合材料抗拉强度高,抗震性好,比重小(其比重相当于刚的1/4,相当于铝合金的2/3),但是,其价格昂贵,且在性能稳定性及其制造复杂形状工件的工艺上尚存在问题,故未能在生产实际中推广应用目前比较有效的办法是用有限元法进行机器人手臂结构的优化设计在保证所需要强度与刚度的情况下,减轻机器人手臂的重量机器人各关节的轴承间隙要尽可能小,以减少机械间隙所造成的运动误差因此各关节都应有工作可靠、便于调整的轴承间隙调整机构机器人的手臂相对其关节回转轴尽可能在重量上平衡,这对减小电机负载和提高机器人手臂运动的响应速度是非常有利的在设计机器人的手臂时,应尽可能利用机器人在安装的机电元器件与装置的重量来减小机器人手臂的不平衡,必要时还要涉及平衡机构来平衡手臂参与的不平衡重量机器人手臂在结构上要考虑各关节的限位开关和具有一定缓冲能力的机械限位块,以及驱动装置,传动机构及其它元件的安装
3.
3.1设计参数伸缩长度450mm单方向伸缩时间
1.5~
2.5S;定位误差要有定位措施,定位误差小于;前端安装机械手,伸缩终点无刚性冲击;
3.
3.2手臂伸缩的尺寸设计与校核手臂伸缩采用烟台气动元件厂生产的标准,参看此公司生产的各种型号的结构特点,尺寸参数,综合本设计的实际要求,尺寸系列初选内径为尺寸校核在校核尺寸时,只需校核内径=63mm,半径R=
31.5mm的尺寸满足使用要求即可,设计使用压强P=
0.4MPa则驱动力测定手腕质量为50kg,设计加速度则惯性力为考虑活塞等的摩擦力,设定摩擦系数k=
0.2,所以,总受力由于,所以标准CTA的尺寸符合实际使用驱动力要求导向装置电动机驱动的机械手臂在进行伸缩运动时,为了防止手臂绕轴线转动,以保证手指的正确方向,并使活塞杆不受较大的弯曲力矩的作用,以增加手臂的刚性,在设计手臂结构时,应采用导向装置具体的安装形式应该根据本设计的具体结构和抓取物体重量等因素来确定,同时在结构设计和布局上应该尽量减少运动部件的重量和减少对回转中心的惯量导向杆目前常采用的装置有单导向杆,双导向杆,四导向杆等,在本设计采用单导向杆来增加手臂的刚性和导向性平衡装置在本设计中,为了使手臂的两端能够尽量接近重力平衡力矩平衡状态,减少手爪一侧重力矩对性能的影响,故在手臂的伸缩一侧加装平衡装置,装置内加放砝码,砝码的质量根据抓取物体的重量的运行参数视具体情况加以调节,务求使两端尽量接近平衡
3.
3.3手臂升降的尺寸设计及校核尺寸设计运行长度设计为,内径为,半径,运行速度,加速时间,压强,则驱动力为尺寸校核测定手腕质量为80kg,则重力设计加速度,则惯性力考虑活塞等的摩擦力,设定一摩擦系数k=
0.1,所以,总受力所以,设计尺寸符合实际使用要求
3.
3.4手臂的尺寸设计与校核尺寸设计长度设计为,内径为,半径,轴颈,半径,运行角速度,加速度时间,压强,则力矩尺寸校核测定参与手臂转动的部件的质量,分析部件的质量分布情况,质量密度分布在一个半径r=200mm的圆盘上,那么转动惯量考虑轴承,油封之间的摩擦力,设定一摩擦系数k=
0.2,=总驱动力矩=+所以,设计尺寸满足使用要求
3.4腰部结构设计工业机器人的腰座,就是圆柱坐标机器人,球坐标机器人及关节型机器人的回转基座它是机器人的第一个回转关节,机器人的运动部分全部安装在腰座伤,它承受了机器人的全部重量在设计机器人腰座结构时,要注意以下设计原则腰座要有足够大的安装基面,以保证机器人在工作时整体安装的稳定性腰座要承受机器人全部的重量和载荷,因此机器人的基座和腰部轴及轴承的结构及轴承的结构要有足够大的强度和刚度,以保证其承载能力机器人的腰座是机器人的第一个回转关节,它对机器人末端的运动精度影响最大,因此,在设计时要特别注意腰部轴系及传动链的精度与刚度的保证腰部回转运动要有相应的驱动装置,它包括驱动器(电动、液压及气动)及减速器驱动装置一般都带有速度与位置传感器,以及制动器腰部结构要便于安装、调整腰部与机器人手臂的联结要有可靠的定位基准面,以保证各关节的相互位置精度要设有调整机构,用来调整腰部轴承间隙及减速器的传动间隙
6.为了减轻机器人运动部分的惯量,提高机器人的控制精度,一般腰部回转运动部分的壳体是由比重较小的铝合金材料制成,而不运动的基座是用铸铁或者铸钢材料制成
3.5齿轮齿条的设计计算1.选定齿轮类型,精度等级,材料及齿数1按照所设计的传动方案,选用齿轮齿条传动2)磁吸式机械手为一般工作机器,速度不高,故选用7级精度(GB10095-88)3)材料选择由《机械设计》表10—1选择小齿轮为40Cr(调质),硬度为280HBS,齿条材料45钢(调质)硬度为240HBS,二者材料硬度差为40HBS4)闭式齿轮传动一般转速较高,为了提高传动的平稳性,减小冲击振动,小齿轮的齿数=20-40所以选择小齿轮的齿数=
242.按齿面接触强度设计由《机械设计》计算公式(10—9a)进行试算,即定公式内的各计算数值试选载荷系数=
1.3计算小齿轮传递的转矩由《机械设计》中表10—7选取齿宽系数=1由《机械设计》中表10—6查得材料得弹性影响系数=
189.85由《机械设计》中图10—21d按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限=600MPa;齿条的接触疲劳强度极限=550MPa;6由《机械设计》中式10—13计算应力循环次数=7由《机械设计》中图10—19查得接触疲劳寿命系数=
0.9;=
2.58计算接触疲劳许用应力取失效概率为1%,安全系数S=1,由《机械设计》中式(10—12)得计算试算小齿轮分度圆直径,代入中的较小的值因为齿条的接触疲劳寿命系数较大,所以较大,所以小齿轮的较小所以代入小齿轮的值mm=
65.396mm计算圆周速度vv==m/s=
3.29m/s计算齿宽bb=.=1×
65.396mm=
65.396mm计算齿宽与齿高之比b/h模数=/=
65.396/24mm=
2.725mm齿高h=
2.25=
2.25×
2.725㎜=
6.13mmb/h=
65.396/
6.13=
10.67计算载荷系数根据v=
3.29m/s7级精度,由图10—8查得动载系数=
1.12直齿轮,假设100N/mm由表10—3查得==
1.2;由表10—2查得使用系数=1;由表10—4查得7级精度,小齿轮相对支撑非对称布置时,=
1.12+
0.181+
0.6+
0.23×b将数据代入后得=
1.12+
0.181+
0.6×1+
0.23××
65.396=
1.423由b/h=
10.67=
1.423查图10—13得=
1.35;故载荷系数K==1×
1.12×
1.2×
1.423=
1.9136按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径,由式(10—10a)得==
65.396×mm=
74.38mm
(7)计算模数mm=/=
74.38/24㎜=
3.1㎜
3.按齿根弯曲强度设计由式(10—5)得弯曲强度的设计公式为确定公式内的各计算值由图10—20c查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限=500MPa;齿条的弯曲疲劳强度极限=380MPa;由图查得弯曲疲劳寿命系数=
0.85;=
2.5计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数S=
1.4由式(10—12)得MPa=
303.57MPaMPa=
678.57MPa
(4)计算载荷系数KK==1×
1.12×
1.2×
1.35=
1.8145查取齿形系数由表10—5查得=
2.65;=
2.066查取应力校正系数由表10—5可查得=
1.58;=
1.97计算小齿轮,齿条的并加以比较=
0.01379=
0.00598小齿轮的数值大2设计计算mm=
2.052mm对比计算结果,由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数,由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力,而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力,仅于齿轮直径(即模数与齿数的乘积)有关,可取由弯曲强度算得的模数
2.052并就近圆整为标准值m=
2.5㎜,按接触强度算得的分度圆直径,算出小齿轮齿数这样设计出的齿轮传动,既满足了齿面接触疲劳强度,又满足了齿根弯曲疲劳强度,并做到结构紧凑,避免浪费
4.几何尺寸计算1)计算分度圆直径=30×
2.5㎜=75㎜2计算齿轮宽度b==1×75㎜=75㎜取=75㎜=80㎜
5.验算N=
2652.8NN/mm=
35.37N/mm100N/mm合适
3.
6.键的设计计算键是一种标准零件通常用来实现轴与轮毂之间的周向固定以传递转矩有的还能实现轴上零件的轴向固定或轴向滑动的导向平键是其中的一种平键连接具有结构简单,装拆方便,对中性好的优点而普通圆头平键在键槽中轴向固定良好选择齿轮与轴连接所用的键在此次设计的装置中,直齿圆柱齿轮安装在轴的两个支承点间,齿轮和轴的材料都是锻钢,用键构成静联接装齿轮处的轴径d=56mm,齿轮轮毂宽度为80㎜,载荷为轻微冲击
1.选择键联接的类型和尺寸此齿轮有定心精度要求,应选用平键联接由于齿轮不在轴端,故选用圆头普通平键(A型)根据d=56mm从表6—1中查得键的截面尺寸为宽度b=16㎜,高度h=10㎜由轮毂宽度并参考键的长度系列,取键长L=70㎜(比轮毂宽度小些)
2.校核键联接的强度键,轴,轮毂的材料都是钢,由表6—2查得许用挤压应力=100-120MPa,取其平均值,=110MPa键的工作长度l=L-b=70㎜-16㎜=54㎜,键与轮毂键槽的接触高度k=
0.5h=
0.5×10㎜=5㎜因为电动机的额定功率=11Kw=
0.909,=1500r/mini=
1.5625所以轴上的输入功率P==11Kw×
0.909=10Kw轴的转速n=1500/
1.5625r/min=960r/min所以轴上的转矩T=9550P/n=9550×10÷960N·m=
99.48N·m由式6—1可得=2×
99.48×1000÷5×54×56=
13.16MPa=110MPa(合适)键的标记为键16×10GB/T1096—1979选择从动V带轮与轴连接所用的键从动V带轮的材料为铸铁,轴的材料是锻钢,用键构成静联接从动V带轮的轴径d=35mm,V带轮轮毂宽度为100㎜,载荷为轻微冲击
1.选择键联接的类型和尺寸此从动V带轮有定心精度要求,应选用平键联接选用圆头普通平键(A型)根据d=35mm从表6—1中查得键的截面尺寸为宽度b=10㎜,高度h=8㎜由轮毂宽度并参考键的长度系列,取键长L=90㎜(比轮毂宽度小些)
2.校核键联接的强度键,轴的材料都是钢,轮毂的材料为铸铁,由表6—2查得许用挤压应力=50-60MPa,取其平均值,==55MPa键的工作长度l=L-b=90㎜-10㎜=80㎜,键与轮毂键槽的接触高度k=
0.5h=
0.5×8㎜=4㎜由式6—1可得=2×
99.48×1000÷4×80×35=
17.76MPa=55MPa(合适)键的标记为键10×8GB/T1096—1979选择主动V带轮与电动机主轴连接所用的键主动V带轮的材料为铸铁,轴的材料是锻钢,用键构成静联接主动V带轮的轴径d=42mm,V带轮轮毂宽度为100㎜,载荷为轻微冲击
1.选择键联接的类型和尺寸此主动V带轮有定心精度要求,应选用平键联接选用圆头普通平键(A型)根据d=42mm从表6—1中查得键的截面尺寸为宽度b=12㎜,高度h=8㎜由轮毂宽度并参考键的长度系列,取键长L=90㎜(比轮毂宽度小些)
2.校核键联接的强度键,轴的材料都是钢,轮毂的材料为铸铁,由表6—2查得许用挤压应力=50-60MPa,取其平均值,=55MPa键的工作长度l=L-b=90㎜-12㎜=78㎜,键与轮毂键槽的接触高度k=
0.5h=
0.5×8㎜=4㎜由式6—1可得=2×
99.48×1000÷4×78×42=
15.18MPa=55MPa(合适)键的标记为键12×8GB/T1096—
19793.7轴承的选择滚动轴承是现代机器中广泛应用的部件之一,它是依靠主要元件间的滚动接触来支撑转动零件的与滑动轴承相比,滚动轴承具有摩擦阻力小,功率消耗少,起动容易等优点常用的滚动轴承绝大多数已经标准化,并由专业工厂大量制造及供应各种常用规格的轴承因为在此次设计的装置中,轴承需要同时承受径向载荷及轴向载荷,所以选择角接触球轴承因为角接触球轴承不但可以同时承受径向载荷及轴向载荷,而且也可以单独承受轴向载荷能在较高转速下正常工作由于一个轴承只能承受单向的轴向力因此,一般成对使用而且角接触球轴承承受轴向载荷的能力与接触角a有关接触角大的,承受轴向载荷的能力也高因此,选择接触角a=,这种角接触球轴承的结构代号为7000B又因为轴的直径为50㎜,所以选择结构代号为7210B型的角接触球轴承滚动轴承的类型、尺寸和公差等级均已制定有国家标准,在机械设计中只需根据工作条件选择合适的轴承类型,尺寸和公差等级等,并进行轴承的组合结构设计按滚动轴承承受载荷的作用方向,常用轴承可分为三类,即径向接触轴承、向心角接触球轴承和轴向接触轴承在机械手的设计中,通常使用角接触球轴承、圆锥滚子轴承或深沟球轴承和推力球轴承的组合件选择轴承要根据它所支承的轴的粗度(一般轴径的设计要先由计算的强度来确定基本尺寸,再根据GB/T2822-81来选取标准尺寸,也可以根据标准件如轴承等决定)来决定的,选定轴承后,还要进行轴承的寿命计算,可以根据下面的经验公式来计算轴承的寿命式中-----基本额定寿命r------寿命指数,球轴承的=3,滚子轴承的=10/3C------=1时,轴承所承受的动载荷,也称之为基本额定动载荷,查标准件手册的轴承部分即可以得到n------轴承转速当量动载荷式中----轴承承受的径向荷----轴承承受的轴向载荷----径向载荷系数,查表-----轴向载荷系数,查表在实际计算中,考虑机械工作中的冲击、振动对机械受载的影响,应引入载荷性质的系数(表
4.2),因此轴承的当量动载荷计算公式为载荷性质机械举例载荷性质系数平稳运转或轻微冲击电动机、空调机、水泵等
1.0---
1.2轻度冲击的运转机床、起重机、传动装置、风机、造纸机等
1.2---
1.5剧烈冲击、振动的运转破碎机、轧钢机、振动筛、工程机械等
1.5---
3.0载荷性质系数4驱动系统设计
4.1机械手的驱动方式机械手一共具有三个独立的运动关节,连同末端机械手的运动,一共需要三个动力源机械手常用的驱动方式有液压驱动、气压驱动和电机驱动三种类型这三种方法各有所长,各种驱动方式的特点见表三种驱动方式的特点对照机械手驱动系统各有其优缺点,通常对机械手的驱动系统的要求有
(1)驱动系统的质量尽可能要轻,单位质量的输出功率要高,效率也要高;
(2)反应速度要快,即要求力矩质量比和力矩转动惯量比要大,能够进行频繁地起、制动,正、反转切换;
(3)驱动尽可能灵活,位移偏差和速度偏差要小;
(4)安全可靠;
(5)操作和维护方便;
(6)对环境无污染,噪声要小;
(7)经济上合理
1.传动机构的选择本设计要求传动方式为电机的转动带动机械手臂的上下、左右移动,即圆周运动转换为直线运动,首先排除了带传动与此同时,由于设计精度要求较高,所以链条传动也不作考虑剩下丝杆传动和齿轮传动,从零件的加工方面考虑,最终确定了加工较为简单的齿轮传动
2.驱动方式的选择在选择驱动方式阶段,我首先考虑的是液压、气压传动,但方案存在一定缺陷其中,液压装置体积太过庞大,需要专门配置一套液压系统,且对密封性要求高,不宜在高温、低温下工作而气压传动由于空气的可压缩性导致工作速度、稳定性较差,且有一定噪音电机选择相对较为简单,机械手在齿轮传动和摆动时会进一步放大该误差,因此选择步进电机驱动
4.2臂部驱动电机的选择
1.确定控制电机1数控装置对伺服系统的基本要求是输出能够迅速而精确的响应输入的变化具体的说有以下几点1稳定性伺服系统在其工作范围内应是稳定的2精度伺服系统能在比较经济的情况下达到给定的精度3快速响应系统输出响应速度要尽可能的快4灵敏度系统对参数的变化灵敏度要小,就是说系统性能应下受参数的变化的影响5抗干挠能力系统应有很好的抵抗外部负载干挠和环境噪声影响的能力由于机械手的工作情况,所选取的伺服电机应该具有的基本特点是调速范围宽,伺服电机应满足调速要求负载特性硬,在调速范围内电机应有足够的驱动力矩动态响应快2步进电机的选择1步进电机的类型的确定数控伺服系统中常用的步进电机有快速步进电机和功率步进电机快速步进电机的输出转距一般为
0.007NM---4NM可以用来控制小型的数控装置功率步进电机的输出转距一般为5NM---40NM可以直接用来驱动大型的数控装置此外,按励磁相数可分为三相、四相、五相、六相等相数越多步距角越小,但结构也越复杂在选择步进电机时,首先要确定步进电机的类型2步进电机步距角的选择步进电机的步距角β是步进电机的主要性能指标之一不同的场合,对步距角大小的要求不同它的大小直接影响着步进电机的启动和运行频率,因此在选择步进电机时,应使其步距角β小于或等于系统对步进电机最小转角的要求,即,步距角应满足3.1式中,-----传动比------负载要求的最小位移量,(或称之为脉冲当量,即每一个脉冲所对应的负载轴的位移增量)3最大静转矩负载转矩和最大静转矩的关系为3.2为保证步进电机在系统中正常工作,还必须满足式中-----步进电机启动转矩-----最大负载转矩通常取(
3.3)4负载启动频率步进电机的负载启动频率由下式计算式中------系统中移动部件的最大启动速度-----系统脉冲当量只要负载启动频率不大于允许的最大启动频率即可5最大运行频率的确定由于步进电机在运行时,驱动力矩随着频率的增加而下降,因而必须按工作时的负载力矩T从“运行矩频特性曲线”中查出最大运行频率Hz假设系统在工作负载情况下的最大速度为m/min,系统脉冲当量为mm,则步进电机在工作负载情况下的最大允许工作频率为电机转数最高接近100转/分步进电机,控制位置精度比较高可以达到
1.8度因此选择步进电机作为驱动电机下面对旋转步进电机型号进行选择,带有机械臂整体重量在100Kg左右则机器人需要的总功率为=
46.6W对于回转而言(3.4)回转直径为322mm,则电机需要提供的转矩为(3.5)因此,选择了如下表所示型号电机静转矩为
1.4NM该电机在相近产品中具有在转速变高一定范围内能够保持平稳的力矩
4.3手腕手爪驱动电机的选择手腕部件设置于手部和臂部之间,它的作用主要是在臂部运动的基础上进一步改变或调整手部在空间的位置,以扩大机械手的动作范围,并使机械手变的更灵巧,适应性更强本文设计的手腕结构是回转结构,它可在空间内旋转,进而扩大机械手的工作范围腕部采用伺服电机驱动,通过电机伸出轴和末端执行器连接,借助轴承来达到力矩的传递通过轴承座将力传到壳体上,使电机轴只能传递力矩而不受其它力的作用本文设计要求夹持的物体重为,设螺纹为M8,其中径r=
3.6mm,螺距P=1mm,当量摩擦系数f=
0.1,Q为轴向载荷,M为螺纹驱动力矩手指材料为铝合金,查表可以看出铝合金与不同材料的静摩擦系数趋近于
0.3,所以取被抓物体和末端执行器手指之间的静摩擦系数,则3.6)螺纹增力比(3.7)式中——当量摩擦角,=;——螺纹升角,=带入数据得得(3.8)选用齿轮传动比n=1:1,忽略齿轮传动摩擦及轴承滚动摩擦力矩,根据上述计算,我们选择了如下表所示步进电机,它的保持转矩为90,满足设计要求表4-1为选定的各个关节电机型号及其相关参数4-1机械手驱动电机参数电机参数腰关节肩关节肘关节腕关节手爪型号MAXON2332MAXON2332MAXON2332MULTIPLEXSTELL-SERVOMULTIPLEXSTELL-SERVO额定电压18v18v18v6v6v额定转矩
18.2N·m
18.2N·m
18.2N·m
10.3N·m
10.3N·m最大转矩
67.4N·m
67.4N·m
67.4N·m额定转速7980rpm7980rpm7980rpm5460rpm5460rpm最高转速9200rpm9200rpm9200rpm转子惯量
18.4gcm·cm
18.4gcm·cm
18.4gcm·cm手腕部件设置于手部和臂部之间,它的作用主要是在臂部运动的基础上进一步改变或调整手部在空间的位置,以扩大机械手的动作范围,并使机械手变的更灵巧,适应性更强本文设计的手腕结构是回转结构,它可在空间内旋转,进而扩大机械手的工作范围腕部采用伺服电机驱动,通过电机伸出轴和末端执行器连接,借助轴承来达到力矩的传递通过轴承座将力传到壳体上,使电机轴只能传递力矩而不受其它力的作用本文设计要求夹持的物体重为,设螺纹为M8,其中径r=
3.6mm,螺距P=1mm,当量摩擦系数f=
0.1,Q为轴向载荷,M为螺纹驱动力矩手指材料为铝合金,表4-3列出了铝合金与常用材料的磨擦系数表4-3主要工程材料摩擦系数摩擦副材料静摩擦系数铝合金黄铜
0.27青铜
0.22钢
0.3胶木
0.34钢纸
0.32树脂
0.28硬橡胶
0.25石板
0.26从表
3.4可以看出铝合金与不同材料的静摩擦系数趋近于
0.3,所以取被抓物体和末端执行器手指之间的静摩擦系数,则3.6)螺纹增力比(3.7)式中——当量摩擦角,=;——螺纹升角,=带入数据得得(3.8)选用齿轮传动比n=1:1,忽略齿轮传动摩擦及轴承滚动摩擦力矩,根据上述计算,我们选择了如下表所示步进电机,它的保持转矩为90,满足设计要求表4-2为选定的各个关节电机型号及其相关参数4-2机械手驱动电机参数电机参数腰关节肩关节肘关节腕关节手爪型号MAXON2332MAXON2332MAXON2332MULTIPLEXSTELL-SERVOMULTIPLEXSTELL-SERVO额定电压18v18v18v6v6v额定转矩
18.2N·m
18.2N·m
18.2N·m
10.3N·m
10.3N·m最大转矩
67.4N·m
67.4N·m
67.4N·m额定转速7980rpm7980rpm7980rpm5460rpm5460rpm最高转速9200rpm9200rpm9200rpm转子惯量
18.4gcm·cm
18.4gcm·cm
18.4gcm·cm传动方式由于一般的电机驱动系统输出的力矩较小,需要通过传动机构来增加力矩,提高带负载能力对机器人的传动机构的一般要求有
(1)结构紧凑,即具有相同的传动功率和传动比时体积最小,重量最轻;
(2)传动刚度大,即由驱动器的输出轴到连杆关节的转轴在相同的扭矩时角度变形要小,这样可以提高整机的固有频率,并大大减轻整机的低频振动;
(3)回差要小,即由正转到反转时空行程要小,这样可以得到较高的位置控制精度;
(4)寿命长、价格低本文所选用的电机都采用了电机和齿轮轮系一体化的设计,结构紧凑,具有很强的带负载能力,但是不能通过电机直接驱动各个连杆的运动为减小机构运行过程的冲击和振动,并且不降低控制精度,采用了齿形带传动齿形带传动是同步带的一种,用来传递平行轴间的运动或将回转运动转换成直线运动,在本文中主要用于腰关节、肩关节和肘关节的传动齿形带传动原理如图
2.7所示齿轮带的传动比计算公式为齿轮带的平均速度为制动器制动器及其作用制动器是将机械运动部分的能量变为热能释放,从而使运动的机械速度降低或者停止的装置,它大致可分为机械制动器和电气制动起两类在机器人机构中,学要使用制动器的情况如下1特殊情况下的瞬间停止和需要采取安全措施2停电时,防止运动部分下滑而破坏其他装置机械制动器机械制动器有螺旋式自动加载制动器、盘式制动器、闸瓦式制动器和电磁制动器等几种其中最典型的是电磁制动器在机器人的驱动系统中常使用伺服电动机,伺服电机本身的特性决定了电磁制动器是不可缺少的部件从原理上讲,这种制动器就是用弹簧力制动的盘式制动器,只有励磁电流通过线圈时制动器打开,这时制动器不起制动作用,而当电源断开线圈中无励磁电流时,在弹簧力的作用下处于制动状态的常闭方式因此这种制动器被称为无励磁动作型电磁制动器又因为这种制动器常用于安全制动场合,所以也称为安全制动器电气制动器电动机是将电能转换为机械能的装置,反之,他也具有将旋转机械能转换为电能的发电功能换言之,伺服电机是一种能量转换装置,可将电能转换为机械能,同时也能通过其反过程来达到制动的目的但对于直流电机、同步电机和感应电机等各种不同类型的电机,必须分别采用适当的制动电路本文中,该机器人实验平台未安装机械制动器,因此机器人的肩关节和轴关节在停止转动的时候,会因为重力因素而下落另外,由于各方面限制,不方便在原有机构上添加机械制动器,所以只能通过软件来实现肩关节和轴关节的电气制动采用电气制动器,其优点在于在不增加驱动系统质量的同时又具有制动功能,这是非常理想的情况,而在机器人上安装机械制动器会使质量有所增加,故应尽量避免缺点在于这种方法不如机械制动器工作可靠,断电的时候将失去制动作用
5.联轴器的选择在考虑上述综合因素的基础上,联轴器选用程序如下
5.1选用标准联轴器 设计人员在选择联轴器时首先应在已经制定为国家标准、机械行业标准以及获国家专利的联轴器中选择,只有在现有标准联轴器和专利联轴器不能满足设计需要时才自己设计联轴器我国现已制订了数量相当多的不同品种,在不同结构型式和规格基本能满足不同转矩、转速和工况条件的标准联轴器这些标准联轴器有的是我国自行研制并经过工业实验;有的是根据国外工业发达国家有关标准转化;有的是参考引进样机消化吸收并自行研制有的标准联轴器不仅在国内是新型高性能,在国际上也具有先进水平,例如膜片联轴器在制订标准时一般都经过严格程序,以保证标准的质量标准联轴器是成熟的,一般也应是可靠的,关键是正确选择国家专利联轴器例如弹性活销联轴器、扇形块弹性联轴器,吸取多种老式弹性联轴器的优点,克服了各自存在的缺点,在国内外均属高性能、新技术,是更新换代联轴器
5..2选择联轴器品种、型式 了解联轴器(尤其是挠性联轴器)在传动系统中的综合功能,从传动系统总体设计考虑,选择联轴器品种、型式根据原动机类别和工作载荷类别、工作转速、传动精度、两轴偏移状况、温度、湿度、工作环境等综合因素选择联轴器的品种根据配套主机的需要选择联轴器的结构型式,当联轴器与制动器配套使用时,宜选择带制动轮或制动盘型式的联轴器;需要过载保护时;宜选择安全联轴器;与法兰联接时,宜选择法兰式;长距离传动,联接的轴向尺寸较大时,宜选择接中间或接中间套型
5..3联轴器转矩计算 传动系统中动力机的功率应大于工件机所需功率根据动力机的功率和转速可计算得到与动力机相联接的高速端的理论转矩T;根据工况系数K及其他有关系数,可计算联轴器的计算转矩Tc联轴器T与n成反比,因此低速端T大于高速端T54初选联轴器型号 根据计算转矩Tc,从标准系列中可选定相近似的公称转矩Tn,选型时应满足Tn≥Tc初步选定联轴器型号(规格),从标准中可查得联轴器的许用转速[n]和最大径向尺寸D、轴向尺寸Lo,应满足联轴器转速n≤[n]
5.
1.5根据轴径调整型号 初步选定的联轴器联接尺寸,即轴孔直径d和轴孔长度L,应符合主、从动端轴径的要求,否则还要根据轴径d调整联轴器的规格主、从动端轴径不相同是普遍现象,当转矩、转速相同,主、从动端轴径不相同时,应按大轴径选择联轴器型号新设计的传动系统中,应选择符合GB/T3852中规定的七种轴孔型式,推荐采用J1型轴孔型式,以提高通用性和互换性,轴孔长度按联轴器产品标准的规定
5..5选择联接型式 联轴器联接型式的选择,取决于主、从动端与轴的联接型式,一般多采用键联接,为统一键联接型式及代号,在GB/T3852中规定了七种键槽型式,四种无键联接,用得较多的是A型键(平键单键槽)
5.
1.7定联轴器品种、型式、规格(型号)根据动力机和联轴器载荷类别、转速、工作环境等综合因素,选定联轴器品种,根据联轴器的配套、联接情况等因素选定联轴器型式;根据公称转矩、轴孔直径与轴孔长度作校核验算,以最后确定联轴器的型号在轴系传动中一般均存在不同程度两轴线相对偏移,应选用挠性联轴器;当轴系传动中工作载荷产生冲击、振动时,则应选用弹性联轴器,从减振、缓冲效果和经济性考虑,宜选用非金属弹性元件弹性联轴器 我国普遍存在联轴器选用不当的现象,例如在冶金机械和重型机械的轴系传动中广泛选用齿式联轴器在冶金机械和重型机械低速重载轴系传动中冲击、振动和两轴偏移是相当突出的不利因素,只有选用减振、缓冲效果好的弹性联轴器才能改善传动系统工作状态,而齿式联轴器无论是鼓形齿和直齿均为刚性可移式联轴器根据不具备减振、缓冲功能,而且还存在要润滑密封,需定期维修,制造工艺复杂,成本高等一系列缺点,鼓型齿式联轴器理应所有齿都啮合(点接触),由于制造误差的存在,全部齿都啮合是不可能的,承载能力大是理论值过去联轴器品种少,选择的余地小,如今有很多弹性联轴器问世,其中扇形块弹性联轴器和弹性活销联轴器是代替齿式联轴器的合理选择之一本机器人选择的联轴器为弹性管联轴器它属于小型联轴器,是将一段管子的中部加工出螺旋槽,即成为弹性管联轴器管子的材料主要为各类铜或不锈钢等具有高弹性、疲劳强度和塑性好的材料联轴器中段得螺旋槽,使其在轴向、周向都有较大的柔性,能朝任何方向弯曲能补偿两轴不同轴的偏斜及轴向长度的偏差还能起到缓和冲击、衰减震动的作用弹性管的两端为夹紧轴的结构,有两个螺钉,一个用来顶紧轴,防止轴相对转动另一个用来锁紧,防止轴的轴向松动
6.单片机的选择
6.1单片机的概念单片机是将计算机的基本部件微型化并集成到一块芯片上的微型计算机通常在芯片内含有CPU、ROM、RAM、并行I/O口、串行口、定时/计数器、中断控制系统、系统时钟及系统总线等
6.2单片机特点1优异的性能价格比2高、体积小、可靠性高单片机把各功能部件集成在一块芯片上,内部采用总线结构,减少了各芯片之间的连线,大大提高了计算机的可靠性与抗干扰能力另外,其体积小,对于强磁场环境易于采取屏蔽措施,适合在恶劣环境下工作3控制功能强为了满足工业控制的要求,一般单片机的指令系统种均有极丰富的转移指令、I/O口的逻辑操作及位处理功能,单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微机4低功耗、低电压,便于生产便携式产品5单片机的系统扩展和系统配置叫典型、规范,容易构成各种规模的应用系统
6.3单片机硬件结构189C52系列单片机基本配置如下a微处理器该单片机中有一个8位的微处理器,与通用的微处理器基本相同,同样包括了运算器和控制器两大部分,只是增加了面向控制的处理功能,不仅可处理数据,还可以进行位变量的处理b数据存储器片内为128个字节,片外最多可外扩至64k字节,用来存储程序在运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等,所以称为数据存储器c程序存储器由于受集成度限制,片内只读存储器一般容量较小,如果片内的只读存储器的容量不够,则需用扩展片外的只读存储器,片外最多可外扩至64k字节d中断系统具有5个中断源,2级中断优先权e定时器/计数器片内有2个16位的定时器/计数器,具有四种工作方式f串行口1个全双工的串行口,具有四种工作方式可用来进行串行通讯,扩展并行I/O口,甚至与多个单片机相连构成多机系统,从而使单片机的功能更强且应用更广gP1口、P2口、P3口、P4口为4个并行8位I/O口h特殊功能寄存器共有21个,用于对片内的个功能的部件进行管理、控制、监视实际上是一些控制寄存器和状态寄存器,是一个具有特殊功能的RAM区2引脚及其功能a电源及时钟引脚VCC接+5V电源正端;VSS接+5V电源地端;X1接外部晶体振荡器的一端;X2接外部晶体振荡器的另一端b控制引脚RESET单片机上电复位端ALE当访问外部存储器时,ALE一每机器周期两次的信号输出,用于锁存出现在P0口的低8位地址PSEN为片外程序存储器读选通信号输出端EA为访问外部程序存储器控制信号,低电平有效c输入/输出引脚P3口的第二功能P
3.0RXD,串行输入通道;P
3.1TXD,串行输出通道;P
3.2INT0,外部中断0;P
3.3INT1,外部中断1;P
3.4T0,计数器0外部输入;P
3.5T1,计数器1外部输入;P
3.6WR,外部数据存储器写选通;P
3.7RD,外部数据存储器读选通图4-189c51引脚图
6.4电机驱动芯片LMD18200原理及应用LMD18200是美国国家半导体公司NS推出的专用于直流电动机驱动的H桥组件同一芯片上集成有CMOS控制电路和DMOS功率器件,利用它可以与主处理器、电机和增量型编码器构成一个完整的运动控制系统LMD18200广泛应用于打印机、机器人和各种自动化控制领域下面介绍LMD18200芯片的结构、原理及其典型应用结论
1、本次设计的是电动机械手结构设计,相对于通用机械手,专用机械手的自由度不可变,控制程序不可调,因此只能在专属的设备上使用
2、采用步进电动机传动,动作迅速,反应灵敏,便于自动控制不会因环境变化影响传动及控制性能阻力损失和泄漏较小,不会污染环境同时成本低廉
3、通过对电动机械手结构及工作原理图的参数化绘制,大大提高了绘图速度,节省了大量时间和避免了不必要的重复劳动,同时做到了图纸的统一规范参考文献
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[2]骆素君.机械课程设计简明手册化工工业出版社.2006年8月
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[11]李爱军画法几何及机械制图中国矿业大学出版社附英语原文RoboCupisaStagewhichImpulsetheResearchofBasicTechnologyinRobot1.1TheOriginOrganizationandLeaguesofRobocupTheconceptofRoboCupwasfirstintroducedbyprofessorofAlanMackworthin
1993.ThemaingoalofRoboCupistoproposeachallengedresearchissuetodeveloprobotic.Followingatwo-yearfeasibilitystudyinAugust1995anannouncementwasmadeontheintroductionofthefirstinternationalconferencesandfootballgames.NowRoboCupSoccerisdividedintothefollowingleagues:Simulationleague2D3DSmall-sizerobotleaguef-180Middle-sizerobotleaguef-2000FourleggedrobotleagueHumanoidleague.InJuly1997thefirstofficialconferenceandgameswereheldinJapan.Theannualeventsattractedmanyparticipantsandspectators.
1.2RoboCup2D-SimulationLeagueTheRoboCup2D-simulationleagueusesasimulatorcalledtheSoccerServertodothesoccersimulation.TheSoccerServerprovidesastandardplatformforresearchintomultiagentsystems.TheSoccerServersimulatestheplayerstheballandthefieldfora2Dsoccermatch.22clients11foreachteamconnecttotheservereachclientcontrollingasingleplayer.Every100mstheSoccerServeracceptscommandsviasocketcommunicationfromeachclient.Theclientsendslowlevelcommandsdashturnorkicktobeexecutedimperfectlybythesimulatedplayeritiscontrolling.ClientscanonlycommunicatewitheachotherusinganunreliablelowbandwidthcommunicationchannelbuiltintotheSoccerServer.TheSoccerServersimulatestheimperfectsensingoftheplayerssendinganabstractedobjectse.g.playersandballwithdirectiondistanceandrelativevelocityinterpretationoffieldofvisiontotheclientsevery150ms.Thefieldofvisionoftheclientsislimitedtoonlyapartofthewholefield.TheSoccerServerenforcesmostofthebasicrulesofhumansoccerincludingoff-sidescornerkicksandgoalkicksandsimulatessomebasiclimitationsonplayerssuchasmaximumrunningspeedkickingpowerandstaminalimitationsBom
99.Anextraclientoneachteamcanconnectasa“coach”whocanseethewholefieldandsendstrategicinformationtoclientswhentheplayisstoppedforexampleforafree-kick.TheSoccerMonitorFig2connectstotheSoccerServerasanotherclientandprovidesa2Dvisualizationofthegameforahumanaudience.Otherclientscanconnectinthesamewaytodothingslike3Dvisualizationautomatedcommentaryandstatisticalanalysis.Therearenoactualrobotsinthisleaguebutspectatorscanwatchtheactiononalargescreenwhichlookslikeagiantcomputergame.Eachsimulatedrobotplayermayhaveitsownplaystrategyandcharacteristicandeverysimulatedteamactuallyconsistsofacollectionofprogrammers.Manycomputersarenetworkedtogetherinorderforthiscompetitiontotakeplace.Thegameslastforabout10minuteswitheachhalfbeing5minutesduration.
1.3Small-sizeRobotLeagueThefieldofplaymustberectangular.Thedimensionsincludeboundarylines.Length:4900mmWidth:3400mm.Asmall-sizeRoboCuptakesplacebetweentwoteamsoffiverobotseachFig
4.EachrobotmustconformtothedimensionsasspecifiedintheF180rules:Therobotmustfitwithina180mmdiametercircleandmustbenohigherthan15cmunlesstheyuseonboardvision.Therobotsplaysocceronagreencarpetedfieldthatis
2.8mlongby
2.3mwidewithanorangegolfball.Robotscomeintwoflavorsthosewithlocalon-boardvisionsensorsandthosewithglobalvision.Globalvisionrobotsbyfarthemostcommonvarietyuseanoverheadcameraandoff-fieldPCtoidentifyandtracktherobotsastheymovearoundthefield.Theoverheadcameraisattachedtoacamerabarlocated3mabovetheplayingsurface.Localvisionrobotshavetheirsensingontherobotitself.Thevisioninformationiseitherprocessedon-boardtherobotoristransmittedbacktotheoff-fieldPCforprocessing.Anoff-fieldPCisusedtocommunicationrefereecommandsandinthecaseofoverheadvisionpositioninformationtotherobots.Typicallytheoff-fieldPCalsoperformsmostifnotalloftheprocessingrequiredforcoordinationandcontroloftherobots.CommunicationsiswirelessandtypicallyusesdedicatedcommercialFMtransmitter/receiverunitsalthoughatleastoneteamhasusedIRDAsuccessfully.
1.4MiddleSizeLeagueTwoteamsof4mid-sizedrobotswithallsensorson-boardplaysocceronafield.Relevantobjectsaredistinguishedbycolors.Communicationamongrobotsifanyissupportedonwirelesscommunications.Noexternalinterventionbyhumansisallowedexcepttoinsertorremoverobotsin/fromthefield.
1.5TheFour-LeggedLeagueInTheFour-LeggedLeagueparticipatingteamshavetouserobotsspecifiedbytheCompetitionCommitteewithoutanymodificationonitshardware.In2004therearechoicesofeitherusing-SonyEntertainmentRobotAIBOERS-210/210Aor-SonyEntertainmentRobotAIBOERS-7or-AcombinationofbothintheteamThefourmaintechnicalissuesassociatedwiththeSSLarethefollowing:Robustcolorprocessingandcolortracking.Thelightingattournamenthallsisveryirregular;thereareshadowsandunpredictablevariationsduringagame.Thesoftwarehastosurmountthesedifficultieswhileprocessingvideoframesprovidedbyinexpensivecameras.Inrecentyearsmostgoodteamshavesolvedtheseissuesandwedonotseethemlosingtherobotsortheball.Robustmechanicaldesign.ArobotabletoplayatagoodlevelintheSSLmustbefast1-2m/smaximalspeedandabletoresiststrongcollisions.TypicallySSLrobotscanfallfromatableandcontinueplaying.TherehasbeenanewemphasisinmechanicaldesignduringthelasttwoyearswiththeintroductionofsuchinnovationsasomnidirectionaldriveCornell2000anddribblingbarsthatallowrobotstocontroltheballandpassitCornell
2001.Robustwirelesscommunications.ThismightbeconsideredthesinglemostimportantunsolvedissueintheSSL.MostteamsusethesameRFchipsandthishasledtosignificantinterferenceproblemsinthepast.Tournamentshavebecometoolongbecauseitisverydifficulttoschedulesimultaneousgames.AsolutionsuchasWaveLancardsorBluetoothmoduleswillbeexploredinthefuture.Goodprogrammingofrobotbehavior.ItcanbesafelysaidthatmostteamsintheSSLhaveadoptedapurereactivedesignwithsimplestrategicgoals.Thefactthatthefieldofplayistoosmallrelativetothesizeoftherobotsmeansthatitdoesnotpaytocomputetoocomplicatedstrategies.Thehorizonofmostsystemsisjustafewframesintothefuturesincetherobotsaresofastrelativetothesizeofthefield.Thusenlargingthefieldhastobecomeamajorresearchissueifmoresophisticatedstrategiesaretobeprogrammed.Figure
6.4leggedleagueFigure
7.Humanoidleague2ViewingaSoccerGameasaMulti-AgentEnvironmentAsoccergameisaspecificbutveryattractiverealtimemulti-agentenvironmentfromtheviewpointofdistributedartificialintelligenceandmulti-agentresearch.Ifweregardasoccerteamasamulti-agentsystemalotofinterestingresearchissueswillarise.Inagamewehavetwocompetingteams.Eachteamhasateam-widecommongoalnamelytowinthegame.Thegoalsofthetwoteamsareincompatible.Theopponentteamcanbeseenasadynamicandobstructiveenvironmentwhichmightdisturbtheachievementofthecommonteamgoal.Tofulfillthecommongoaleachteamneedstoscorewhichcanbeseenasasub-goal.Toachievethissubgoalseachteammemberisrequiredtobehavequicklyflexiblyandcooperatively;bytakinglocalandglobalsituationsintoaccount.Theteammighthavesomesortsofglobalteam-widestrategiestofulfillthecommongoalandbothlocalandglobaltacticstoachievesubgoals.Howeverconsiderthefollowingchallenges:-thegameenvironmenti.e.themovementoftheteammembersandtheopponentteamishighlydynamic.-theperceptionofeachplayercouldbelocallylimited.-theroleofeachplayercanbedifferent.-communicationamongplayersislimited;thereforeeachagentisrequiredtobehaveveryflexiblyandautonomouslyinreal-timeundertheresourceboundedsituation.Summarizingtheseissuesasoccerteamcanbeviewedasacooperativedistributedrealtimeplanningschemeembeddedinahighlydynamicenvironment.Incooperativedistributedplanningforcommonglobalgoalsimportanttasksincludethegenerationofpromisinglocalplansateachagentandcoordinationoftheselocalplans.Thedynamicsoftheproblemspacee.g.thechangingrateofgoalscomparedwiththeperformanceofeachplannerarerelativelylargereactiveplanningthatinterleavestheplangenerationandexecutionphasesisknowntobeaneffectivemethodologyatleastforasingleagenttodealwiththesedynamicproblems.Forcooperativeplanschemestherearefrequentchangesintheproblemspaceortheobservationofeachagentisrestrictedlocally.Thereisatrade-offbetweencommunicationcostwhichisnecessarytocoordinatethelocalplansofagentswithaglobalplanandtheaccuracyoftheglobalplanthisisknownasthepredictability/responsivenesstradeoff.ThestudyoftherelationshipbetweenthecommunicationcostandprocessingcostconcerningthereliabilityofthehypothesesinFA/CandtherelationshipbetweenthemodificationcostoflocalplansandtheaccuracyofaglobalplaninPGPillustratethisfact.Schemesforreactivecooperativeplanningindynamicproblemspaceshavebeenproposedandevaluatedsometimesbasedonthepursuitgamepredator-preyHiroaki
01.Howeverthepursuitgameisarelativelysimplegametheenvironmentisbasicallyforthestudyofasingleagentarchitecture.Weseethatarobotsoccergamewillprovideamuchtougherfertileintegratedexcitingandpioneeringevaluationenvironmentfordistributedartificialintelligenceandmultiagentresearch.中文译文机器人杯是一个推动机器人基础科技研究的平台1机器人杯的起源,组织和比赛形式机器人杯的概念是AlanMackworth在1993年首先提出来的机器人杯的主要目标是提出一个具有挑战性的研究课题,以便促进机器人学的发展经过两年的可行性研究,在1995年秋,人们发表了关于引入机器人杯国际研讨会及国际足球赛的通告,现在机器人杯足球赛被分为这几部分比赛模拟对抗赛(2D模式,3D模式),小型机器人赛(F180),中型机器人赛(F2000),四足机器人赛,类人机器人赛在1997年7月首次官方会议和比赛在日本举行一年一次的盛事吸引了许多参赛者和观众
1.1机器人杯的2D模拟赛机器人杯2D模拟赛用一个叫做足球服务器的模拟器去做足球赛的仿真足球服务器提供了一个研究多终端系统的标准平台,22个终端每队11个与服务器交换信息,服务器以2D足球赛的模式模拟球员、足球及场地每100ms足球服务器通过接口通讯方式从每个终端接收指令,终端向它所控制的模拟球员发送将要被执行的不完全的低级信息如冲,转,踢,终端只能以一种不可靠的窄带通讯信道相互交流信息这个信道在服务器中是内置的足球服务器模拟不完全的球员的感知,并每隔150ms向各个终端发送简要的分析(如目标,球队员和球,方向距离及相对速度),终端的场地视野仅限于整个场地的一部分足球服务器实行大多数基本人类足球规则,其中包括越位,角球和射门,并模拟一些基本的球员限制,比如最大跑速及踢球力度,和耐力限制等nom99每队一个外加的终端可以以“教练”的身份与其他终端联系,“教授”的特点是可以看到整个场地并在比赛中止时如发任意球时向其他终端发送策略信息足球显示器图2作为又一个终端与足球服务器交换信息并为人类提供一个二维的比赛视图,其他类型终端可以以相同的方式与服务器联系,完成一些功能,如三维视图,自动实况报道及统计分析在比赛中并没有实际的机器人,但观众可以通过大屏幕来观看比赛这看起来有点像一个巨大的电脑游戏每个模拟机器人可以拥有自己的踢球策略和特点,并且每个模拟足球队实际上由一组程序设计员组成为使比赛能够顺利完成,许多电脑以网络联接了起来,比赛共持续10分钟,每个半场5分钟
1.2小型机器人杯比赛球场必须为矩形,大小包括边界线,标准长度4900mm,宽度3400mm一个小型的机器人杯比赛在两组机器人中进行,每组5个人,每个机器人必须限制在一定的尺寸内,该尺寸规定在F180条规定中进行了详细的说明机器人必须能放在直径为180mm的圆圈内,并且不高于15cm,除非利用机载可视化系统机器人在一个铺有绿地毯的
2.8米长
2.3m宽的场地中踢球,球是一个桔黄色的高尔夫球机器人分为两种类型,一种是有局部机载视觉传感器的机器人,一种是具有全局视觉的机器人全局视觉机器人是现在最普及的类型利用一个置顶的照相机和场外的PC机去判定和追踪在场内移动的机器人置顶相机被固定在一个高出球场平面3米的一个相机杆上局部视觉机器人拥有自己的传感器视觉信息可以直接通过机器人本身处理,也可以传到场外的PC机上处理场外PC是用来传达裁判指令,并在置顶视觉系统中传递位置信息给机器人,典型的场外PC同样做好许多协作和控制的处理工作即使它没有做全部的工作最常用的通讯利用无线通讯方式,并且通常用专用的商业化的FM传送/接收装置,尽管至少有一支队成功地利用了IRDA技术
1.3中型机器人比赛两队带有全部机载传感器的球队在场地踢足球,每支队伍四个人,物体是通过颜色来辨别的机器人之间的交流如果有的话是通过无线方式来交流的,比赛过程中没有人类的干预,除非从场地放入或移走机器人
1.4四足机器人赛四足机器人赛中参赛队伍必须用竞赛委员指定的没有任何硬件改动的机器人在2004年机器人赛中人们可以选用以下三种方式其中一种组队-SONY娱乐机器人AIBOERS-210/210A-SONY娱乐机器人AIBOERS-7-两种机器人混用四个与SSL相关的主要技术问题如下所列坚实的机械结构一个能在SSL中踢出好水平的机器人必须速度快,并且能够抵抗强烈的撞击,一般来说SSL机器人能在从桌面上掉落下来的情况下仍能够继续踢球近两年机器人结构设计方面有了一些新的重点,那就是方向选择性驱动和带有允许机器人控球的带球棍可靠的无线通讯这个可能是SSL中单个未解决的最困难的问题大多数队伍利用同样的RF条来进行通讯并且在过去这导致了严重的干扰问题因为同时安排两场比赛相当困难联赛的时间变得很长像WAVElancard和蓝牙技术模块将会在未来被开发出来对机器人行为的良好编程可以说大多数SSL球队采用了具有简单策略目标的纯反应式设计足球场地相对于机器人来说太小意味着为机器人计算复杂的策略并不值得由于机器人相对于足球场地的运动速度过快,大多数系统的范围仅仅是对未来系统的一个简单框架因此,如果想通过编程来实现更复杂的策略,就必须将扩大场地的研究作为主要的问题2把足球看作是一个多智能体的环境从分布式人工智能和多智能体研究方面来看,机器人杯足球赛是一个特殊的但却非常吸引人的实时多智能体环境如果我们把一个足球队看作多智能体的系统,许多有趣味的研究就会浮现出来在一场比赛中,我们有两个竞争队伍,每个队伍有一个全队的共有目标,那就是赢得比赛两队的目标是不相容的,对方的球队可以看作是动态的阻碍环境这个环境可以妨碍全队的目标实现为了实现这个目标,每个队成员必须动作迅速,灵活并且能够互相协作,并把局部和全局环境考虑在内球队可能有一些全局整个球队范围内策略去实现共同目标,并且需要局部和全局的技巧来实现子目标然而,考虑到如下所列的挑战-比赛环境,也就是说队友和对手的动态程度非常高;-每个球员的感知可以被局部限制;-每个球员的角色可能不一样;-球员之间的交流是有限的,因此每个智能体必须在资源有限的环境下表现得非常灵活并且具有自主特性通过对这些问题的总结,我们可以认为机器人足球是一种基于高动态特性环境的协作的分布式的实时计划方案在为实现共同目标而实行的分布式协作计划中,重要任务包括在每个智能体上生成有潜力的局部计划,并协调这些局部变化,问题空间的动态变化,比如目标变化频率相对于每个计划者的性能来说是相当大的轮流产生计划和执行语句的反应式计划被认作是一个有效的方法,至少对一个要处理这些动态问题的智能体来说对协作计划安排来说,现实中有许多经常性变化的问题空间或每个智能体存在能力被局部限制的问题在通讯耗费和全局计划的准确性上有一个折中这被叫做预期/执行折中通讯耗费是在协调智能体局部计划与全局计划所必须的通信耗费与处理耗费之间的关系的研究向我们展现了这个问题这个研究关心的是FA/C假设的可靠性和优化局部计划与全局计划准确性两者之间的关系在动态问题空间中的反应式协作计划安排已经多次在基于追逐模式比赛捕猎者-猎物模式中提出并评估然而追逐赛是一个相对简单的比赛,这种比赛环境一般是为了便于单智能体结构的研究我们可以看出,机器人杯足球赛将会为分布式人工智能和多智能体研究提供一个更强劲,集成度更高的令人激动的先驱评价环境致谢历时近三个月的毕业设计终于完成,在这这段时间里,我运用大学四年的专业知识比较成功的完成了本次毕业设计,在毕业设计中通过方案论证,理论设计计算,机械结构的设计,工程图的绘制,设计说明书的撰写等环节的训练,已经使个人理论水平和实际动手能力有了一次飞跃,锻炼了个人在设计、分析,动手实践等方面的能力,同时使所学专业知识得到一次全面的巩固和加强此次毕业设计能够顺利完成,我得到了很多老师、同学的关心、帮助和支持,在此本人首先向他们表示感谢在毕业设计过程中,我的指导老师钱济国老师给予很多专业方面的帮助在设计前期的准备时,钱老师就非常关注我的选题,指明选题方向,帮助分析题目的可行性和实际中可能出现的问题以及需要注意的事项;在进行方案选择时,为我指出所需要重点掌握的知识范围,并帮助我分析相应知识难点的原理,使我的毕业设计能顺利进行同时,我也要感谢大学四年所有教过和没有教过但给我很多帮助的老师,是他们的教导让我能在这里学到很多的专业知识,给我以后工作和学习打下了坚实的基础,是他们的谆谆教诲使我明白了更多为人处事的道理,给我今后的人生足迹烙下更深的印迹,在此我衷心地感谢所有帮助过我的老师此外,非常感谢许多其他同学,他们很多想法和建议对我启发很大在此一并致谢!由于时间和个人知识及能力水平有限,论文中难免会有一些纰漏或错误之处,恳请各位老师批评指正不胜感谢!2014-6-16Figure
2.RoboCup2D-SimulationleagueFigure
4.Small-sizerobotleagueFigure
5.MiddleSizeLeague图2机器人杯2D模拟赛图4小型机器人比赛图5中型机器人比赛图6四足机器人比赛图7类人机器人比赛。