厦门大学机器人学大作业课件.docx
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厦门大学机器人学大作业课件
课程名称：
机器人学
任课教师：
论文题目：
喷漆机器人
姓名：
第一章绪论
1.1研究的目的和意义
机器人是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置,既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力,又有机器持续工作时间长、精确度高、抗恶劣环境的能力,从某种意义上说它也是机器进化过程的产物。
机器人技术综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术,是当代研究十分活跃、应用日益广泛的领域。
机器人应用情况,是一个国家工业自动化水平的重要标志。
工业机器人是用于工厂环境中完成各种作业的机电一体化的自动化生产设备广泛采用工业机器人,不仅可提高产品的质量与产量,而且对保障人身安全,改善劳动环境,减轻劳动强度,提高劳动生产率,节约原材料消耗以及降低生产成本,有着十分重要的意义。
用于完成表面涂覆工作的机器人称为喷漆（或喷涂）机器人,它是机器人技术与表面喷漆工艺相结合的产物,是工业机器人产品中的一个特殊品种。
采用喷漆机器人的主要优点是实现涂装生产作业的自动化,避免了人工喷漆时工人始终处于有毒环境而造成急性或慢性中毒,提高产品质量和稳定性,同时减少漆料和能量的消耗,提高劳动生产效率。
1.2喷漆机器人的特点
喷漆机器人最显著的特点就是不受喷涂车间有害气体环境的影响,可以重复进行相同的操作动作而不厌其烦,因此喷涂质量比较稳定;其次机器人的操作动作是程序控制的,对于同样的零件控制程序是固定不变的,因此可以得到均匀的表面涂层;第三,机器人的操作动作控制程序是可以重新编制的,不同的程序针对不同的工件,所以可以适应多种喷涂对象在同一条喷涂线上进行喷漆。
有鉴于此,喷漆机器人在涂装领域越来越受到重视,尤其是在汽车制造业中。
喷漆机器人与其它品种的工业机器人比较,其主要不同之处在于喷漆机器人用于在封闭的喷漆间内喷涂工件内外表面,由于喷漆间内的漆雾是易燃易爆的,如果机器人的某个部件产生火花或温度过高,就会引燃喷漆间内的易燃物质,引起喷漆间内的大火，甚至引起爆炸,所以,防爆系统的设计是设计电动喷漆机器人很重要的一部分。
其次,由于喷涂在工件表面的油漆是薪性流体介质,需要干燥后才能固化,在喷涂过程中,机器人不得接触已喷涂的工件表面,否则将破坏表面喷漆质量,因此喷枪输漆管路等都不得在机器人手臂外部悬挂,而是从手臂中穿过,这在一定程度上影响机器人的关节角转动范围。
第三,喷漆机器人需配置油漆流量控制系统与换色系统,以适应不同色彩的需要。
1.3喷漆机器人的发展现状
中国工业机器人研究开始于70年代,但由于基础条件薄弱、关键技术与部件不配套、市场应用不足等种种原因,未能形成真正的具有竞争力的产品。
80年代中期,在国家科技攻关项目的支持下,中国工业机器人研究开发进入了一个新阶段,形成了中国工业机器人发展的一次高潮。
以焊接、装配、喷漆、搬运等为主的工业机器人,以交流伺服驱动器、谐波减速器、薄壁轴承为代表的元部件,以及机器人本体设计制造技术、控制技术、系统集成技术和应用技术都取得显著成果。
从80年代末到90年代,国家863计划把机器人列为自动化领域的重要研究课题,系统地开展了机器人基础科学、关键技术与机器人元部件、目标产品、先进机器人系统集成技术的研究及机器人在自动化工程上的应用。
特别是6000米水下无缆机器人的成果居世界领先水平,还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等多种机器人。
在机器人视觉、力觉、触觉、声觉技术,以及多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统控制机器人、智能装配机器人、机器人化机械等方面的开发应用都开展了不少工作,有了一定的发展基础。
但总的来看,我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离,主要差距表现在产品质量、性能、技术水平及品种,新产品开发,产品在国内外市场竞争力等几个方面的差距。
喷漆机器人在国内也是类似情况。
我国第一条机器人自动喷漆线,是1991年由北京机械工业自动化研究所完成的东风系列驾驶室多品种混流机器人自动喷漆生产线,该所先后开发出PJ系列电液伺服喷涂机器人和EP系列电动喷漆机器人等。
随后哈尔滨工业大学,上海交通大学,天津大学,南京理工大学等都开发出了喷漆机器人样机,有些已少量投入实际应用,但都未能形成批量生产。
可以说,国内喷漆机器人开发技术仍处于逐步研究完善的阶段,机器人运动编程技术都是以示教再现编程为主,在喷漆机器人离线编程技术研究方面,主要是跟踪国外进行喷枪轨迹规划技术的研究以及喷枪喷矩建模研究。
而哈尔滨工业大学的研究人员则对大型油罐内壁上海交通大学则对大桥钢缆等特殊对象的喷漆与检测方面进行了研究。
天津大学则对某型发动机进气道狭小腔体内的喷涂开发了喷漆机器人。
湖北汽车学院结合东风汽车公司的喷涂生产线研究了机器人控制系统及涂装线上零件的识别技术,机械工业自动化研究所机器人工程中心在喷漆机及自动喷涂线的开发与工程应用方面作了大量研究与实践工作。
但对于具有较大柔性的适应于多品种小批量生产的数控喷漆机器人的开发尚在研究阶段。
第二章机器人的结构设计与分析
机器人是一种特殊的机械结构、合理的机械部分的设计,不仅有利于提高机器人的的性能,也有利于降低机器人的制造成本、根据实际工况要求,所设计的机器人用于10m×2m的平板的喷漆工作、设计的主要思路是在满足工作要求的同时尽量减轻机械部分质量,使结构紧凑,降低传动机构的复杂性,充分考虑整体结构的平衡性及制造成本等影响因素。
2.1相关技术参数与设计原则
2.2.1技术参数
虽然工业机器人的结构、用途等不同,用户的要求也不相同,但工业机器人的各技术参数在一般情况下都应包括:
自由度、重复定位精度、工作范围、工作速度、承载能力等。
1.自由度:
是指工业机器人所具有的独立坐标轴运动的数目,数目的多少是由其用途的决定的。
2.重复定位精度:
是指机器人末端控制器重读定位于同一目标位置的能力,可以表示为标准偏差的统计数据。
3.工作空间:
是指机器人在工作时手臂末端或者手腕中心能够到达的所有点的集合。
机器人在工作时可能有手臂末端有不能到达的点称为工作死区。
4.最大工作速度:
是指主要自由度上的最大稳定速度,或者末端最大的合成速度,一般在技术参数中加以说明。
机器人的工作速度越高,效率越高。
然而,速度越高机器人就要在加速和减速上花费更多的时间。
5.承载能力:
是指机器人在工作范围内任意位姿所能承受的最大重量,其不仅决定于负载的质量,还与机器人在运行时的速度与加速度有关。
2.2.2设计原则
（1）最小运动惯量原则
由于工作时机器人的运动部件多,运动状态经常改变,必然产生冲击和振动,所以设计时在满足强度和刚度的前提下,尽量减小运动部件的质量,并注意运动部件对转轴的质心配置,以提高机器人运动时的平稳性以及动力学特性。
（2）高强度轻型材料选用原则
在机器人的设计中,选用高强度材料不仅能够减轻零部件的质量,减少运动惯量,还能够减小各部件的变形量,提高工作时的定位精度。
（3）刚度设计的原则
机械结构设计中,要使刚度最大,必须选择适当的杆件剖面形状和尺寸,以提高支承刚度和接触刚度,合理安排加载在臂部上的力和力矩,以尽可能的减少弯曲变形。
（4）尺寸最优原则
当设计要求满足一定工作空间要求时,通过尺度优化以选定最小的臂杆尺寸,这将有利于操作机刚度的提高,使运动惯量进一步降低。
（5）可靠性原则
机器人的机械结构因机构复杂、部件较多,运动方式复杂,所以可靠性问题显得尤为重要。
一般来说,元器件的可靠性应高于部件的可靠性,而部件的可靠性应高于整机的可靠性。
（6）工艺性原则
机器人在本质上是一种高精度、高集成的机械电子系统,各零部件的良好加工性和装配性也是设计时要注意的重要原则,而且机器人要便于维修和调整。
如果仅仅有合理的结构,而忽略了工艺性,必然导致整体性能的下降和成本的提高。
2.2设计步骤
（l）确定工作对象和工作任务
开始设计机械部分之前,首先要确定工作对象、工作任务。
由于本次设计任务的对象是设计一种可以360°旋转喷漆机器人,适用于1Om×2m平板的喷漆。
要求机器人能够在长时间内连续稳定可靠地工作,要求机器人外表面具备光滑流线的特征。
管线最好能从横臂和手腕内部通过,使机器人外表不易积漆积灰,不会污染已喷好的工作对象,而且管线也不易损坏。
因喷漆机器人的工作环境易燃易爆,故要具备防爆的特点。
同时对机器人的轨迹精度和位姿精度及速度稳定性也有较高的要求。
（2）确定设计要求
l）负载:
根据工作任务的要求,确定机器人的负载。
由于本次设计的机器人要求能在导轨上移动,因此在满足工作要求的前提下质量要尽可能的小。
2）速度:
根据工作任务的要求,参考国内外同类产品的先进机型,确定机器人未端操作器的最大复合速度和机器人各单轴的最大角速度。
3）精度:
根据用户工作对象和工作任务的要求,参考国内外同类产品的先进机型,确定机器人的重复定位精度。
如ABB公司出品的Model5003型喷漆机器人的重复定位精度为±1mm。
同时对机器人的各部分零件的精度、尺寸精度、形位精度和传动链的间隙,如齿轮的精度和传动间隙等提出精度上的要求。
还要确定机器人上所用的元器件的精度,如减速器的传动精度、轴承的精度等等。
4）工作空间:
要求能够对1Om×2m的范围内完成喷漆任务。
5）尺寸规划:
在满足对工作空间的要求的前提下,确定机器人的臂杆长度和臂杆转角,并进行尺寸优化,以达到最小。
综上,初步确定设计参数如下:
腰关节旋转角度[-180°,180°],最大转动速度240°/s。
臂关节俯仰角度[-45°，45]°,最大转动速度150°/s。
腕关节俯仰角度[-45°，45°],最大转动速度180°/s。
行走机构行程10m,最大速度166.7m/s。
2.3传动机构的选择
与一般机械设备传动设备相比,工业机器人对传动装置的还要求结构紧凑、重量轻、转动惯量小,消除传动间隙运动精度和定位精度高。
在机械设备中,常用的传动机构主要有以下几种：
1、齿轮机构
齿轮机构由两个或者两个以上的齿轮组成的传动机构,主要应用在中心距较小,传动精度较高的场合。
这种传动机构不仅可以传递速度,还可以传递力和力矩。
由于齿轮有间隙误差,将会引起整个系统的定位误差以及增加伺服系统的不稳定性。
作为齿轮传动的一种,直齿锥齿轮传动能够在两相交铀之间的传递运动和功力。
由于锥齿轮的理论齿廓为球面渐开线,而实际加工出的齿形与理论值有较大的误差,所以不易获得高的加工精度,故在传动中会产生较大的振动和噪声,因直齿锥齿轮传动仅适用于v≤5m/s的传动中。
腰关节的设计速度为240°/s,符合直齿锥齿轮的传动条件。
2、螺旋传动
在许多机械设备中大量应用着螺旋机构（又称丝杠传动）,它主要用于将回转运动转变为直线运动。
具有定位精度高、传动效率高、使用寿命高（磨损低）等优点,但其运行时承载能力较低、价格比较高、运行噪音高、对使用环境要求高、不能自锁等缺陷,故在本次设计中不采用螺旋传动。
3、带传动
带传动及链传动都能用于中心距较大的传动,平带、v带和特殊带（如圆形带、多楔带）等都是借助于带轮接触面间的摩擦力来传递运动和动力的,而同步齿形措则是靠带表面上的凸齿与带轮外表面上的轮齿相啮合来传动的。
主、从动轮能达到同步传动,具有准确的传动比,结构紧凑,带的张紧力小。
4、蜗杆传动
蜗杆传动是在空间交错的两轴间传递运动和动力的一种传动机构,两轴的夹角可为任意值,常用的为90°。
这种传动由于具有结构紧凑、传动比大、传动平稳以及在一定的条件下具有可靠的自锁性等优点.应用较广泛。
其传递的最大功率可达1000kw.最大圆周速度速度达69m/s。
不足之处是传动效率低.摩擦发热大。
故不宜用于长期连续工作的传动。
综合考虑各方面因素，在本次设计中,腕关节的传动方式将采用同步带传动、腰关节与臂关节的传动方式采用直齿锥齿轮传动。
2.4机械结构的设计与分析
机器人主要由基座、门柱、大臂、小臂、手腕组成，结构形式为关节式，有五个自由度，其传动方式如图2.1所示。
结构图如图2.2所示。
2.4.1基座与立柱
主要包括门柱回转的二级齿轮减速传动，减速箱体即为基座。
传动路线如图2所示。
基座是一个整体铸件。
电机1通过联接板与基座固定，通过两对齿轮传动带动立柱回转。
中间轴通过二个轴承安装在基座上，主轴是个空心轴，通过二个轴承与基座固定。
主轴上方安装大臂部件。
图2.1传动方案简图
2.4.2大臂部件
大臂部件如图所示，主要有大臂结构，大臂与小臂（第二关节与第三关节）的传动结构。
大臂结构由整体铝铸件骨架与外表面汇薄铝板联接而成，既作为机器人的传动手臂又作为传动链的箱体。
大臂电机2输出轴上装有电磁制动阐和联轴器，通过联轴器、一对圆锥齿轮和一对圆柱齿轮Z9,齿轮Z9绕与立柱固联的齿轮Z10转动，于是形成了大臂相对于立柱的回转，整个大臂作俯仰运动。
2.4.3小臂部件
小臂部件的结构如图所示，主要由小臂壳体结构，手腕的三个关节的传动结构。
小臂壳体结构与大臂壳体结构类似，由铝铸件骨架和薄铝板组成。
电机3通过两个联轴器和一对圆锥齿轮、两对圆柱齿轮（Z16固联于小臂上）驱动小臂相对于大臂回转。
电机4先通过一对圆柱齿轮、两个联轴器和另一对齿轮（Z20固联于手腕的套筒上）驱动手腕相对于小臂回转。
电机5通过联轴器、一对圆柱齿轮、一对圆锥齿轮（Z24固联于手腕的球壳上）驱动手腕相对于小臂（亦即相对于手腕的套筒）摆动。
2.4.1结构设计的特点
（1）手臂的自重平衡措施
由于垂直多关节木器人手臂关节的配置特点，臂部运动部分的重心偏离旋转中心时，所产生的偏心力矩会严重增加其驱动负担，而且偏心力矩的大小随着转角而变化，这将影响运动平稳性和定位，因此在设计时要注意平衡问题，如采用平衡弹簧、加平衡块等方法。
这里通过合理的结构布局和传动链设计，采用取简单的自重平衡方法。
在大、小臂转轴的一侧都集中安排了两个较重的电机，使臂的自重尽可能接近平衡。
且在各电机轴上装有一个电磁制动闸，当切断电源时产生制动，使手臂保持一定姿态。
（2）提高精度措施
为了保证较高的精度，手臂骨架选用整体铝铸件结构，传动链采用精度较高的齿轮传动，还设计有消除齿轮间隙的偏心套调整机构和波纹管联轴器。
波纹管联轴器的特点是圆周方向刚度大而轴向、弯曲方向柔度较大，既能起到可靠的传动又适合调整和补偿与轴之间的偏差。
图2.2机器人结构示意图
第三章机器人的运动分析
本机器人主要针对流水线上的工件进行喷漆，要能对工件的所有要求的面都能进行喷漆，结构为固定式垂直多关节型机器人，由一系列由转动关节连接的刚体（杆件）组成，为典型的多杆系统。
机座直接连接在地面基础上，也可固定在机身上，基本形式是在方位回转关节的基础上加上双俯仰回转关节手臂，由于喷漆机器人要实现喷枪任意位置和姿态,喷枪绕自身轴线的旋转对作业没有意义，因此喷漆机器人只需五个自由度。
均为转动关节，示意图如图1所示，分别为腰回转、大臂俯仰、小臂俯仰、腕摆和腕转:
图1机器人结构示意图
各关节的运动范围如表1所示：
表1各关节运动范围示意图
关节
关节1
关节2
关节3
关节4
关节5
关节6
运动范围（
）
300
300
290
560
560
240
3.1机器人运动模型的建立
6关节实体模型和机器人D-H坐标系图，如图2所示。
图26关节实体模型和机器人D-H坐标系
3.2机器人运动学方程
定机器人的结构参数及运动关节的运动参数，确定机器人末端执行器在参考坐标系中所处的位置和姿态。
机器人运动学分析在机器人学中占有重要地位，它直接关系到运动分析、离线编程、轨迹规划，是将关节量转变为末端件的位姿和将末端位姿转变为关节量的前提。
运动学分析是机器人动力学、轨迹规划和位置控制的重要基础，因此针对自行研发的喷涂机器人以简洁的方法建立正确的运动学模型显得十分重要。
在此机器人模型上建立连杆D一H坐标系，如图1所示，连杆参数，如表1所示。
坐标系｛i｝到｛i-1｝的变换正向求解问题即给出机器人的6个关节变量变量
求出手部位置P和姿态r，用齐次变换矩阵
表示第1杆系相对于固定坐标系的位姿，
表示第2杆系相对于第1杆系的位姿，而第2杆相对于固定坐标系的位姿可用
表示，依此类推。
表16关节机器人连杆运动参数
连杆
编号：
连杆转角
连杆长度
连杆偏距
关节变量范围
关节转角范围（相对初始位置）
连杆参数（m）
1
-90
0
0
-160～+180
-180～+180
2
0
0
-225～45
-100～+120
0.7
3
-90
0
-60～+210
-60～+60
0.1
4
90
0
-180～+180
-180～+180
0.6
5
-90
0
0
-120～+120
-120～+120
6
0
0
0
-360～+360
-360～+360
机器人运动学逆问题就是已知末端连杆的位置和方位（可表示为位姿矩阵06T），求得机器人的各个关节变量。
，需要求解的变量为谆i。
针对本文中的喷漆机器人其4、5、6关节的轴线相交于一点，满足具有解析解的充分条件，所以采用方程两边同乘变换逆矩阵的代数方法求其所有可能解，具体的求解方法是：
依次左乘各T矩阵的逆矩阵，并使两端相等矩阵的对应元素相等，即可求得各关节变量。
先用
表示连杆6的坐标系与连杆i-1坐标系的关系：
求解关节变量的方程式如下：
设计的6R喷漆人腕部关节三轴相交，上面解的排列组合共有8组，在多解情况下，最终只能选择一个解，具体的选择方法是约束关节变量，在运动插补中增加一定的约束，选择与上一插补点的关节角最近且具有连续运动性的那一组逆解。
3.3仿真和验证
用matlab编写程序，代入转角数据逆解结果与正解结果吻合，说明杆件参数设计和运动学方程合理。
机器人末端轨迹显示程序原理，如图3所示。
喷漆机器人腕部坐标系原点运动轨迹，如图4、5所示：
图3机器人末端轨迹显示程序原理图
图4喷漆机器人腕部坐标系原点运动轨迹
图5机器人腕部坐标原点运动轨迹
图4是输入关节变量初始值（0，0，0，0，0，0）的位姿，图5是输入关节变量终点值（pi/2，0，pi/2，0，0，0）的位姿。
运动轨迹实时绘制证明了5解的合理性。
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