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黑龙江省2014年度专业技术人员继续教育知识更新培训专业课作业12014年黑龙江省专业技术人员继续教育知识更新培训机械工程专业作业说明：中、高级职称学员“专业课作业”为论述题1-5题；同时提交3000字左右“学习心得”一篇。所有学员均需按要求提交“公需课作业”。论述题一：本课程分别着重讲述了移动机器人中具有代表性的轮式移动机器人创新设计基础理论与技术。试分别论述轮式移动机器人、操作臂型机器人、足式步行机器人的实用化优缺点，并进一步思考论述可以互相拟补它们各自不足的创新设计新思路。答：1操作臂式机器人操作臂式机器人是目前最成熟、应用领域最广、生产量最大的一种机器人。最常用的有弧焊机器人、点焊机器人、喷漆机器人和装配机器人，在汽车行业得到了广泛的应用。同轮式与足式机器人相比操作臂机器人具有控制精度高、重复性好、易于操作、作业效率高和灵活性高等优点。但它的作业是有范围的，不能做的太大，否则它的刚度、精度与载荷都会下降。2足式机器人四足六足机器人和轮式机器人相比具有步行稳定，可跨过越障碍，能下上下台阶，能在室内外行走，也能在野外复杂地形下行走。能搭载作业设备进行相应的作业，也可搭载物品运送物质。但它的速度不及轮式机器人，其控制系统比操作臂式机器人复杂。3轮式机器人轮式机器人与足式机器人相比其速度快、效率高、负载能力强，可搭工载设备进行相应的作业，不足之处是不能在不平地的地面行走，也不能跨越障碍。由于轮子存在打滑现象精确的位置控制不易实现。虽然上述三种机器人都各有其优缺点，但是我们可以通过拟合它们来创新出新的机器人，来发挥它们的优点和克服其缺点。比如：我们可以让轮式机器人搭载操作臂机器人来实现远距离的作业；我们也可以让轮式机器人搭载足式机器人，让其快速到达地形复杂的区域进行作业。黑龙江省2014年度专业技术人员继续教育知识更新培训专业课作业2二.操作臂型机器人是最早用于工业生产中的实用化机器人类型并以取得广泛应用，试就自己所从事的行业论述操作臂型机器人可以实用化的设计方案（可选型现有工业机器人商品也可自行创新设计操作臂机器人方案）及应用操作臂机器人作业方案设计。答：就我单位一产品的底架来进行机器人焊接的方案设计底架的结构如下图所示。共需焊接八条焊缝平缝四条，立缝四条，立缝采用立向下焊接。焊接方法采用CO2气体保护焊，焊接电流120A-160A。焊机采用飞溅小的数字化焊机，规格选用350A。机器人焊接前底架已用工装点焊固定，置于机器人自动焊工装上，采用气动夹紧，防止焊接变形，并按规定的顺序依次焊接八条焊缝。根据以上条件我们选用德国库卡公司的弧焊专用机器人型号KR5arcHW（HOLLOWWrist）。具体参数如下：1、负荷负荷5kg，附加负荷12kg2、工作范围最大作用范围1423黑龙江省2014年度专业技术人员继续教育知识更新培训专业课作业3mm3、其他数据与规格轴数6；重复精确度±0,04mm；重量120kg；安装位置地面、天花板；控制系统KRC2；防护等级IP54。由于KR5arc是弧焊专用机器人，有安装送丝机构的附件，有焊枪电缆专用安装通孔，并有焊枪夹具供选用。在应用编程上可以采用示教编程，也可用机器人所带的KCP编程器来编程。三.结构设计方案题：试从机械结构、回转精度、关节位置全闭环控制等角度论述机器人关节结构方案设计与构成问题，可辅以结构图并结合文字叙述加以说明。1机器人关节的构成在操作机器人机械系统（本体）中，执行机构各构件间通过关节连接在一起，并可以相对运动。操作机器人一般有两种运动关节——转动关节和移(直)动关节，由驱动置通过联轴器带动传动装置(一般为减速器)，再通过关节轴带黑龙江省2014年度专业技术人员继续教育知识更新培训专业课作业4动杆件运动。为了进行位置和速度控制，驱动系统中还包括位置和速度检测元件。检测元件类型很多，但都要求有合适的精度、连接方式以及有利于控制的输出方式。对于伺服电机驱动，检测元件常与电机直接相联；对于液压驱动，则常通过联轴器或销轴与被驱动的杆件相联。2机器人传动机构的基本要求：a）结构紧凑，即同比体积最小、重量最轻；b)传动刚度大，即承受扭矩时角度变形要小，以提高整机的固有领率，降低整机的低频振动；c)回差小，即由正转到反转时空行程要小，以得到较高的位置控制精度；d)寿命长、价格低。3机器人常用传动机构机器人几乎使用了目前出现的绝大多数传动机构。黑龙江省2014年度专业技术人员继续教育知识更新培训专业课作业54机器人关节驱动的方式机器人的关节设计应做到尽可能的减少重量和体积，这有利于减少运动时的惯性和驱动力。从机械结构上要做到体积小，就需要选用合适的驱动方式。驱动方式主要有三种方式：液压驱动、气动驱动和电机驱动。液压驱动的缺点是有泄漏，温度上升时液压油的粘度变低，且液压的伺机服驱动也较复杂；气动配管多，位置与速度控制较难。相对而言电机驱动最为理想。电机驱动可以选择合适的减速装置，速比大、效率高的摆线减速器和谐波减速器能实现体积小重量轻的要求。如采用交直流伺服电机可实现闭环控制，可以用于速度和位置精度要求不高的机器人上。如采用步进电机可实现位置与速成度的精确控制。四.试述轮式移动机器人的位置控制精度远不如操作臂型机器人定位精度，为实现大范围内灵活移动和较高操作定位精度，试给出采用轮式移动机器人与操作臂型机器人联合创新设计的方案及完成作业控制策略。答：1创新方案为了实现较高的操作位控精度，我们采用将机械臂机器人与轮式机器人组黑龙江省2014年度专业技术人员继续教育知识更新培训专业课作业6合的形式，创新一种新的机器人——轮式移动机械手。也就是在轮式机器人上面装上一个机械手，实现了机械手能在较大的范围内进行快速的、操作精度较高的作业。能进行危险环境下的作业，也可进行物器品的抓取与搬运。移动机械手是移动机器人和机械手的有机结合体，也可称移动机械臂、移动操作手等。移动机械手系统是由一个移动平台和安装在其上的一个或若干个机械手组成的。对于单独的机械手系统，其工作空间是有限的，且只有操作功能，没有移动功能；对于单独的移动机器人系统，只有移动功能没有操作功能[3]。而移动机械手系统同时具有移动和操作功能，且有着几乎无限大的工作空间，可以有效地对机械手末端操作器定位，并进行有效操作。当前对移动机械手的规划与控制研究大部分是将其看成移动平台和机械手两个独立的系统，进行独立规划和独立控制，这实质等同于传统的移动机器人和机械手，并没有充分发挥移动机械手可以同时实现移动与操作的优点。因此，研究这类系统的规划与控制问题具有十分重要的理论价值和实践意义，具有广泛的应用领域和应用前景。2控制策略运动规划是指在具有障碍物的环境中按照一定的评价标准，寻找一条从起始位姿到目标的位姿的无碰路径（与时间无关）或轨迹（与时间无关），其实质是机器人运动过程中的导航与壁障[3]。对于移动机械手而言，运动规划问题涉及机械手运动规划和移动平台运动规划两部分。移动平台和机械手的组合使系统具有冗余性，对于同一个任务，既可以通过单独运动机械手或移动平台实现，也可以同时运动机械手和移动平台来实现。虽然单独运动机械手或移动平台来完成任务会使系统的运动规划比较简单，但是独立运动规划没有充分发挥移动机械能同时移动和操作的特性。移动机械手运动规划的特色应体现在移动平台与机械手的协调上，应能根据情况同时协调运动使得整个移动机械手系统灵活、高效。协调规划的主要难点在于移动平台动态壁障的运动性能和机械手末端的操作性能之间的协调。此外，移动机械手系统具有复杂的运动学模型、动力学模型、强耦合，这些都为移动机械手的运动规划问题带来一定的难度。黑龙江省2014年度专业技术人员继续教育知识更新培训专业课作业7在遇到动态障碍时，为了确保移动机械手末端执行任务的实时性和一致性，需要在很短的时间内规划出一条既能壁障又保证机械手末端姿态的轨迹。将这种局部实时动态壁障规划同全局规划相结合可以构成整体规划策略，最终安全地到达目标点。3移动机械手的运动控制移动机械手的运动控制可以简单描述：设计移动平台子系统和机械手子系统的控制输入，使两个子系统可以协调运动完成给定的任务，如轨迹跟踪、机械手末端定位等。移动机械手的控制任务可以分为两类，镇定控制和跟踪控制[3]。镇定控制又称为点到点的控制。其控制目标为控制机械手运动到工作空间中的指定点。一般来说，要求控制系统具有渐进稳定性以及足够的鲁棒性（控制系统在一定的参数摄动下，维持其它某些性能的特性），而对控制系统的动态响应特性则没有过多要求。跟踪控制是指其控制目标为控制机械手跟踪工作空间的参考轨迹。同样要求控制系统具有渐进稳定性，同时要求控制系统有较好的动态响应特性。跟踪控制也分为两种，位置跟踪控制和位姿跟踪控制。前者跟踪指定的位置轨迹（位置变量的时间函数），后者跟踪指定的位姿轨迹（位置变量和方向变量的时间函数）。运动控制的设计过程就是对被控制对象的数学模型的理解过程，因此基于模型的控制即计算力矩控制是十分有效的，但要求系统有精确的数学模型。由于移动机械手是十分复杂的非线性系统，难以得到精确的动力学模型，而且在实际操作中要受到诸如摩擦力、外界扰动等许多不确定性因素的影响，在设计时，如果忽略这些因素，控制性能难免要受影响[3]。4移动机械手的应用前景机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备，目前已经应用已众多领域。机械手可以减省工人、提高效率、降低成本、提高产品品质、安全性好等。而移动机械手则是普通机械手的升级版，工作性能、应用领域也更加的宽广，其优点是：动作灵活、运动惯性小、通用性强、能抓取工作空间中黑龙江省2014年度专业技术人员继续教育知识更新培训专业课作业8任意位置、方向的工件，能绕过障碍物进行工作。工业上：在机械制造业中代替人或普通机械手完成更大批量、更高质量要求的工作，如汽车制造、舰船制造及某些家电产品的制造等。化工等行业自动化生产线中的点焊、弧焊、喷漆、切割、电子装配及物流系统的搬运、包装等工作，也均可以由移动机械手更高效的完成。军事上：主要让移动机械手执行一些自动的侦察与控制任务，尤其是一些相对较为危险的任务，比如，无人侦察、拆除炸弹、扫雷等。此外，还可以代替士兵去完成那些不太复杂的工程及后勤任务，从而使战士从繁重的工作中解脱出来，去从事更加重要的工作。五.在可适用于轮式移动机器人的地面环境内，有需要上下多级台阶的作业需要机器人完成，试分析论述给出轮式移动机器人与双足（或四足、六足）步行机器人联合使用创新设计的方案和完成作业控制策略。答：1设计方案我们设计一款轮足结合的仿生机器人。为了达成仿生目的，选取了行进方式上较为特殊的一种多足生物——蜘蛛。在其足部我们安装了具有驱动能力的胶轮，使其具有足行和轮行的二种运动方式。并装有机械手实现作业功能。通过无线电遥控对机器人内部的微型计算机进行控制，由计算机精确控制驱动模块、监控模块、工作模块等组件，实现行进、越障、上下台阶，拿取、观察等各种行为。（1）蜘蛛的行进形态及动作特征使其行为更加自由灵敏，更加适应复杂多变的环境。鉴于本机器人主要在恶劣环境下工作的设计初衷，必须在复杂环境中拥有较强的适应能力，选择较复杂的、但更灵活的六足分离的蜘蛛式行进方式。模仿蜘蛛的运动方式可以使机器人具有更好的稳定性和更强的运动能力，以适应光滑地面、粗糙地面、砂石地面、泥泞地面等不同的路面状况。（2）六足仿生机器人的运动原理我们的机器人由6个独立的足进行支撑，在每个脚与地面的接触点上使用黑龙江省2014年度专业技术人员继续教育知识更新培训专业课作业9摩擦力大的球形轮胎代替尖锐的脚部，以增强机器人步行前进稳定程度，同时在平整地面还可以使用轮胎滚动前进以加快前进速度。机器人有六条腿，每条腿拥有4个相互串联的关节。为使腿部运动更灵活，每个关节处都使用独立的驱动元件，其中躯干和腿部相连接处的关节分别控制上下和左右的活动，使用两组驱动元件，故一共需要36组驱动元件驱动机器人运动。其中躯干内的高效能电池负责整个机器人各组件的供电。整个机器人是由数个微型伺服马达所驱动，它们可控制机器人各个不同模块，并通过