机械工程-2014作业

2014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

姓名：李冰报名编号：101111010930

工作单位：巴彦县西集油厂

论述题

1.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）轮式移动机器人。即以轮式行走方式实现移动功能的机器人，其具有以下特点：同腿式步行机器人相比，加速快，以一定速度跑起来的话一般只需要较小的驱动力，省能，效率高、运动噪声低。越障能力差、地形适应能力差、转弯效率低，转弯半径大。它适合在野外、城市等环境运行，但是地形不能太复杂，如上楼梯等环境难以实现。

（2）操作臂型机器人。在机器人领域，把类似人类手臂的、由关节和杆件构成的机构的机器人称作操作臂。每个关节一般由伺服电机和减速器驱动关节回转或直线运动，操作臂的末端一般根据其用途不同安装不同的操作手或作业工具(如焊接用途下的焊枪、喷漆作业的喷枪等)，通过关节的转动或移动由臂带动末端运动，完成作业，操作臂是目前被使用的机器人中应用最为广泛的、最为普遍的形态。

操作臂型机器人如同人手臂一样，需要所在的载体行走移动才能扩大其操作范围，因此，操作臂型机器人一般用于操作场所相对固定的工厂内，操作臂的基座固定或安装在生产线的移动导轨上作小范围移动。

（3）步行机器人。步行机器人是仿人类双足行走、动物四足或多足行走形态的步行移动机器人，其腿部机构是与构成操作臂型机器人关节及杆件类似。一般是由各个连杆构件通过各关节连接而成的串联结构，每个关节一般由伺服电机和减速器驱动关节回转或直线运动，有的末端有脚，双足机器人是有脚的，而四足、六足机器人一般没有脚。

同轮式移动机器八相比，四足、六足步“机器八具有步行稳定、可跨越障碍、上下

台阶等特点，在室内、室外以及野外不平整地面都可得到稳定步行和越障的行走效果，可用于搭载操作臂型机器人移动到作业位置由操作臂完成操作作业，也可运载物品或野外作业。

轮式移动机器人、步行机器人、操作臂型机器人作为机器人中具有代表性的机器人，各自具有不同的特点与用途，但它们的不足可以通过联合刨新设汁出新型的移动，操作型机器人来互相弥补各自的不足。

2.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：操作臂型机器人在工业生产中应用最为广泛，虽然在我现在从事的行业中应用不到这种机器人，但在2009年前后接触汽车生产行业时，在汽车焊接生产线上大量地使用了这

种机器人，它不仅大大提高了工作效率，更为突出的优点是它的焊接质量非常稳定，不受人为因素影响。

附图为车身焊接一个工位的示意图，这个工位包括3台KUKA机器人，其中1台机器人用于运送物料，另外2台机器人的前段安装有焊枪，用于车身的焊接。3台操作臂型机器安装在3个固定的台架上，其活动范围比较小。次实例是操作臂型机器人的典型应用。

3.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。

答：由于关节型机器人在相同条件下比飞关节型机器人具有大得多的相对空间和绝对空间，因此，串联机器人的机械结构采用关节型结构，其结构见图1，本图例的机器人有5个自由度，腰部转动关节涉嫌机器人本体处基座以外的转动；肩关节是直线移动关节，可以带动肘关节、腕关节、指关节及工件的上下移动，以满足机器人的空间高度的要求，可以小范围调整小臂、手抓和工件的位姿。手臂包括两个转腕和旋腕关节，分别实现手爪的俯仰和摆动。

机器人的结构布局，对其综合性能有很大影响。首先看一下机器人本体主要部件的布局。按照设各安装、拆卸和检修方便的原则，把驱动腰部关节转动的电机1就安装到机座上；但是对于驱动肩关节上下移动的电机2则应该放置到上边。如果把电机2同样安装到机座上，那么它的传动则是一个司题，因为电机1、2均在机座上，并且都要传动到腰部和肩关节，无疑会增加机座和腰部的体积，机器人的直接驱动结构就是一个很明显的例子。而且在丝杠的传动中可以达到很高的速度，故把电机2安装到机器人的项部，直接驱动丝

杠。机器人的肘关节和腕部的摆动关节均是通过同步带传动，由于大臂、小臂、手腕等均是悬空的所以把二者驱动电机3、4均配置到大臂的末端，以便来平衡机器人的重量。对于手腕的转动，则因为其需要的扭矩较小，故电机的体积小、重量小，按照就近的原则，把其放在手腕的末端。综合考虑机器人机械设计各方面的司题，拟该机器人总体结构布局如图1所示。

4.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：轮式机器人的位置控制精度远不如操作臂型机器人，但是轮式机器人可以大范围的灵活移动；操作臂型机器人的位置控制精度很高，但是活动范围较小，只局限于操作臂能够到达的范围。

为实现既可以大范围灵活移动，有具有较高的操作定位精度，可以将两种类型的机器人结合在一起。轮式机器人作为底座，实现大范围的移动，根据作业要求移动到指定地点，并进行固定；操作臂型机器人安装在轮式机器人的上边，确保较高的定位精度，在轮式机器人到达工作区域后，由操作臂型机器人完成具体的操作。下图为轮式机器人与操作臂型机器人联合使用的模型。

5.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：轮式机器人与不行机器人相比有移动迅速的特点，但是需要上下台阶的作业完成比较困难；步行机器人移动速度较慢，但可以上下台阶。为此在既需要快速移动又有台阶的复杂环境中作业时，需要联合使用轮式机器人和步行机器人。

以四足机器人联合轮式机器人为例，可以在四足机器人的4个足下安装4个轮，这样在平坦的环境中移动时由4个轮子驱动，实现快速移动，快速到达作业位置；当遇到台阶时，4个轮子收起或者刹车状态，当做4个足使用，由不行机器人完成跨越台阶等动作，当跨越台阶完成之后，到达平坦环境后，再有4个轮驱动，实现快速移动。

也可以设计成6足机器人，其结构形式如月球车，它可以适应比较复杂的环境，如图所示。