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机械手-运载机器人的设计制作.rar

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    编号:20180915103628418    类型:共享资源    大小:409.05KB    格式:RAR    上传时间:2018-09-15
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    机械手 运载 机器人 设计 制作
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    天津工程师范学院毕业设计 (说明书)第 1 页一、机器人竞赛及机器人发展史简介机器人竞赛是以弘扬科学技术,突显创造与创新,强化团队合作,培养科学素养,关联当今世界面临的问题与机遇为宗旨的一项综合多种学科知识和技能的青少年科技活动。参赛同学通过计算机编程、工程设计、动手制作与技术构建,结合日常观察、积累去寻求最完美的机器人制作方案,从而培养同学们的科技创新精神和动手实践能力,鼓励广大机器人爱好者在信息、自动化控制等高新科技领域进行力所能及的学习、探索、研究和实践激发他们对科学的兴趣,提高他们的科学素质。中国青少年机器人竞赛活动是,中国科协在 21 世纪青少年科技创新活动中着力创建和打造的一个崭新品牌。它以弘扬科学技术,突显创造与创新,强化团队贡献,培养科学素质,关联当今世界面临的问题与机遇为宗旨。组织开展这项活动的目的是,组织青少年在参加电脑机器人的活动中,将现实世界的事物与“动手做”活动相结合,放手让青少年通过活动,去发现解决问题的方法,并获得那些当今科学家和工程师们所面对的机会,培养青少年的科技创新精神和动手实践能力,让他们能够更好地适应 21 世纪的科学技术发展的趋势;鼓励更多的青少年电脑机器人爱好者在信息、自动控制等高新科技领域,进行力所能及的学习、探索、研究和实践,激发他们对科学的兴趣,提高他们的科学素质。机器人大赛是近年来国际上迅速开展起来的一种高技术对抗活动,它涉及人工智能、自动控制、机械电子、通信、传感及机构等多个领域的前沿研究和技术融合,集高技术、娱乐和比赛于一体,引起了公众的广泛关注和极大兴趣。目前,国际上推出了各种不同类型的机器人大赛,如机器人足球、机器人灭火、机器人相扑、机器人舞蹈、机器人走迷宫和机器人赛跑等。机器人大赛,不仅为青少年提供了良好的寓教于乐的载体,也极大地促进了实用智能机器人的研发。相扑这个日本著名的体育项目也被引入到机器人比赛中,日本的机器人相扑比赛深受人们的喜爱。目前,我国也引进了这项机器人比赛,天津职业技术师范学院是我国在机器人相扑比赛领域的先行者。机器人舞蹈比赛是近年兴起的一种趣味性很强的机器人比赛项目。我国的一些高校都在校内开展了此项比赛,中国科技大学和中国矿业大学是目前我国此项比赛的领先者。 机器人足球赛是众多机器人竞赛中最为流行的比赛,它提供了一个小空间内的高技术对抗平台,集技术性、竞技性和趣味性于一体。其中 FIRA 和 ROBOCUP 是最具国际影响的两项机器人足球赛。举办机器人大赛的目的是通过竞赛手段,吸引更多科技工作者,尤其是广大青少年学生参与到这项活动中来,以促进机器人及智能自动化领域相关技术的发展。天津工程师范学院毕业设计 (说明书)第 2 页机器人发展史简介美国是机器人的诞生地,早在 1962 年就研制出世界上第一台工业机器人,比起号称“机器人王国“ 的日本起步至少要早五六年。经过 30 多年的发展,美国现已成为世界上的机器人强国之一,基础雄厚,技术先进。综观它的发展史,道路是曲折的,不平坦的。由于美国政府从 60 年代到 70 年代中的十几年期间,并没有把工业机器人列入重点发展项目,只是在几所大学和少数公司开展了一些研究工作。对于企业来说,在只看到眼前利益,政府又无财政支持的情况下,宁愿错过良机,固守在使用刚性自动化装置上,也不愿冒着风险,去应用或制造机器人。加上,当时美国失业率高达 6.65 %,政府担心发展机器人会造成更多人失业,因此不予投资,也不组织研制机器人,这不能不说是美国政府的战略决策错误。70 年代后期,美国政府和企业界虽有所重视,但在技术路线上仍把重点放在研究机器人软件及军事、宇宙、海洋、核工程等特殊领域的高级机器人的开发上,致使日本的工业机器人后来居上,并在工业生产的应用上及机器人制造业上很快超过了美国,产品在国际市场上形成了较强的竞争力。进入 80 年代之后,美国才感到形势紧迫,政府和企业界才对机器人真正重视起来,政策上也有所体现,一方面鼓励工业界发展和应用机器人,另一方面制订计划、提高投资,增加机器人的研究经费,把机器人看成美国再次工业化的特征,使美国的机器人迅速发展。80 年代中后期,随着各大厂家应用机器人的技术日臻成熟,第一代机器人的技术性能越来越满足不了实际需要,美国开始生产带有视觉、力觉的第二代机器人,并很快占领了美国 60%的机器人市场。尽管美国在机器人发展史上走过一条重视理论研究,忽视应用开发研究的曲折道路,但是美国的机器人技术在国际上仍一直处于领先地位。其技术全面、先进,适应性也很强。具体表现在:(1)性能可靠,功能全面,精确度高;(2)机器人语言研究发展较快,语言类型多、应用广,水平高居世界之首;(3)智能技术发展快,其视觉、触觉等人工智能技术已在航天、汽车工业中广泛应用; 4)高智能、高难度的军用机器人、太空机器人等发展迅速,主要用于扫雷、布雷、侦察、站岗及太空探测方面。 早在 1966 年,美国 Unimation 公司的尤尼曼特机器人和 AMF 公司的沃莎特兰机器人就已经率先进入英国市场。1967 年英国的两家大机械公司还特地为美国这两家机器人公司在英国推销机器人。接着,英国 Hall Automation 公司研制出自己的机器人 RAMP。70 年代初期,由于英国政府科学研究委员会颁布了否定人工智能和机器人的 Lighthall 报告,对工业机器人实行了限制发展的严厉措施,因而机器人工业一蹶不振,在西欧差不多居于末位。 但是,国际上机器人蓬勃发展的形势很快使英政府意识到:机器人技术的落后,天津工程师范学院毕业设计 (说明书)第 3 页导致其商品在国际市场上的竞争力大为下降。于是,从 70 年代末开始,英国政府转而采取支持态度,推行并实施了一系列支持机器人发展的政策和措施,如广泛宣传使用机器人的重要性、在财政上给购买机器人企业以补贴、积极促进机器人研究单位与企业联合等,使英国机器人开始了在生产领域广泛应用及大力研制的兴盛时期。法国不仅在机器人拥有量上居于世界前列,而且在机器人应用水平和应用范围上处于世界先进水平。这主要归功于法国政府一开始就比较重视机器人技术,特别是把重点放在开展机器人的应用研究上。法国机器人的发展比较顺利,主要原因是通过政府大力支持的研究计划,建立起一个完整的科学技术体系。即由政府组织一些机器人基础技术方面的研究项目,而由工业界支持开展应用和开发方面的工作,两者相辅相成,使机器人在法国企业界很快发展和普及。国工业机器人的总数占世界第三位,仅次于日本和美国。这里所说的德国,主要指的是原联邦德国。它比英国和瑞典引进机器人大约晚了五六年。其所以如此,是因为德国的机器人工业一起步,就遇到了国内经济不景气。但是德国的社会环境却是有利于机器人工业发展的。因为战争,导致劳动力短缺,以及国民技术水平高,都是实现使用机器人的有利条件。到了 70 年代中后期,政府采用行政手段为机器人的推广开辟道路;在“改善劳动条件计划“ 中规定,对于一些有危险、有毒、有害的工作岗位,必须以机器人来代替普通人的劳动。这个计划为机器人的应用开拓了广泛的市场,并推动了工业机器人技术的发展。日尔曼民族是一个重实际的民族,他们始终坚持技术应用和社会需求相结合的原则。除了像大多数国家一样,将机器人主要应用在汽车工业之外,突出的一点是德国在纺织工业中用现代化生产技术改造原有企业,报废了旧机器,购买了现代化自动设备、电子计算机和机器人,使纺织工业成本下降、质量提高,产品的花色品种更加适销对路。到 1984 年终于使这一被喻为“快完蛋的行业“ 重新振兴起来。与此同时,德国看到了机器人等先进自动化技术对工业生产的作用,提出了 1985 年以后要向高级的、带感觉的智能型机器人转移的目标。经过近十年的努力,其智能机器人的研究和应用方面在世界上处于公认的领先地位。在前苏联(主要是在俄罗斯) ,从理论和实践上探讨机器人技术是从 50 年代后半期开始的。到了 50 年代后期开始了机器人样机的研究工作。1968 年成功地试制出一台深水作业机器人。1971 年研制出工厂用的万能机器人。早在前苏联第九个五年计划( 1970 年一1975 年)开始时,就把发展机器人列入国家科学技术发展纲领之中。到 1975 年,已研制出 30 个型号的 120 台机器人,经过 20 年的努力,前苏联的机器人在数量、质量水乎上均处于世界前列地位。国家有目的地把提高科学技术进步当作推动社会生产发展的手段,来天津工程师范学院毕业设计 (说明书)第 4 页安排机器人的研究制造;有关机器人的研究生产、应用、推广和提高工作,都由政府安排,有计划、按步骤地进行。 有人认为,应用机器人只是为了节省劳动力,而我国劳动力资源丰富,发展机器人不一定符合我国国情。这是一种误解。在我国,社会主义制度的优越性决定了机器人能够充分发挥其长处。它不仅能为我国的经济建设带来高度的生产力和巨大的经济效益,而且将为我国的宇宙开发、海洋开发、核能利用等新兴领域的发展做出卓越的贡献。我国已在“七五”计划中把机器人列人国家重点科研规划内容,拨巨款在沈阳建立了全国第一个机器人研究示范工程,全面展开了机器人基础理论与基础元器件研究。十几年来,相继研制出示教再现型的搬运、点焊、弧焊、喷漆、装配等门类齐全的工业机器人及水下作业、军用和特种机器人。目前,示教再现型机器人技术已基本成熟,并在工厂中推广应用。我国自行生产的机器人喷漆流水线在长春第一汽车厂及东风汽车厂投入运行。1986 年 3 月开始的国家 863 高科技发展规划已列入研究、开发智能机器人的内容。就目前来看,我们应从生产和应用的角度出发,结合我国国情,加快生产结构简单、成本低廉的实用型机器人和某些特种机器人。 日本在 60 年代末正处于经济高度发展时期,年增长率达 11%。第二次世界大战后,日本的劳动力本来就紧张,而高速度的经济发展更加剧了劳动力严重不足的困难。为此,日本在 1967 年由川崎重工业公司从美国 Unimation 公司引进机器人及其技术,建立起生产车间,并于 1968 年试制出第一台川崎的“尤尼曼特”机器人。正是由于日本当时劳动力显著不足,机器人在企业里受到了“救世主”般的欢迎。日本政府一方面在经济上采取了积极的扶植政策,鼓励发展和推广应用机器人,从而更进一步激发了企业家从事机器人产业的积极性。尤其是政府对中、小企业的一系列经济优惠政策,如由政府银行提供优惠的低息资金,鼓励集资成立“机器人长期租赁公司” ,公司出资购入机器人后长期租给用户,使用者每月只需付较低廉的租金,大大减轻了企业购入机器人所需的资金负担;政府把由计算机控制的示教再现型机器人作为特别折扣优待产品,企业除享受新设备通常的 40%折扣优待外,还可再享受 13%的价格补贴。另一方面,国家出资对小企业进行应用机器人的专门知识和技术指导等等。这一系列扶植政策,使日本机器人产业迅速发展起来,经过短短的十几年,到 80 年代中期,已一跃而为“机器人王国” ,其机器人的产量和安装的台数在国际上跃居首位。按照日本产业机器人工业会常务理事米本完二的说法:“日本机器人的发展经过了60 年代的摇篮期,70 年代的实用期,到 80 年代进人普及提高期。 ”并正式把 1980 年定为“产业机器人的普及元年” ,开始在各个领域内广泛推广使用机器人。本政府和企业充分信天津工程师范学院毕业设计 (说明书)第 5 页任机器人,大胆使用机器人。机器人也没有辜负人们的期望,它在解决劳动力不足、提高生产率、改进产品质量和降低生产成本方面,发挥着越来越显著的作用,成为日本保持经济增长速度和产品竞争能力的一支不可缺少的队伍。日本在汽车、电子行业大量使用机器人生产,使日本汽车及电子产品产量猛增,质量日益提高,而制造成本则大为降低。从而使日本生产的汽车能够以价廉的绝对优势进军号称“汽车王国”的美国市场,并且向机器人诞生国出口日本产的实用型机器人。此时,日本价廉物美的家用电器产品也充斥了美国市场……这使“山姆大叔”后悔不已。日本由于制造、使用机器人,增大了国力,获得了巨大的好处,迫使美、英、法等许多国家不得不采取措施,奋起直追。天津工程师范学院毕业设计 (说明书)第 6 页二、比赛规则的简述(一) 、 比赛场地图 2-11. 比赛场地为 14000mm×14000mm 的正方形区域。2. 赛场地面用 2mm 厚的聚乙烯片铺设。聚乙烯片将用无光泽的聚乙烯带连接。3. 比赛场地周围有 100mm 高 30mm 厚的木质围栏。4. 比赛场地由“手动区” 、 “篝火区”和“自动区” (包括烽火台)组成。5. 自动区:范围:9000mm×9000mm 的方形区域。只有自动机器人可在自动区运行。自动区贴有 30mm 宽的白色引导线。每个队的自动机器人启动区大小为1000mm×1000mm,位于自动区边上,两队的启动区相对配置。自动区正中有一个八边形烽火台,高度 100mm,它的四条边长为 2000mm,另四条边长为 1414 mm。在两条 2000mm 的边与自动区地面之间有坡度为 1/5 的斜面。自动区中有 5 个火炬。高度为 1800mm 的主火炬位于场地正中。另 4 个高度为 1500mm 的外围火炬在它的四周。6. 篝火区:四个直径为 1200mm 的篝火区位于自动区的四角。 篝火区中央有直径600mm、高 100mm 的燃料盘,盘边宽 50mm,盘深 30mm。燃料盘与地面以 350mm 宽天津工程师范学院毕业设计 (说明书)第 7 页的斜面相连。篝火区的细节参见所附的场地布局平面图。(二) 、 机器人每个参赛队必须设计和制作手动机器人或自动机器人,也可以同时制作手动机器人和自动机器人,对机器人的数量没有限制,但每队只允许有一台手动机器人。1. 自动机器人:自动机器人必须是自主的。由一台自动机器人分离出来的每一件物品均被认为是另一台自动机器人,所以,它必须能像自动机器人一样工作。比赛开始前,每个队的所有自动机器人总共可预装 16 个燃料球。每台自动机器人必须一次操作启动。自动机器人可以进入除篝火区以外的任何区域,但不能伸到篝火区上方。比赛开始后,所有自动机器人可以逐个启动,但启动动作必须在 20 秒内完成,然后,负责启动的队员必须立即退出赛场,站在木围栏外。在规定时间内没有启动的自动机器人将被留在启动区内。一旦机器人启动,参赛队员不能接触机器人。自动机器人不允许以任何方式相互通信。2. 控制方法:对于自动机器人,每场比赛每队允许一次“重试”。某队叫“重试”且裁判允许后,该队的所有队员均可在启动区重新设置和启动本队的任何自动机器人。但是,所有“重试” 的动作必须在 20 秒内完成,然后,负责启动的队员必须立即退出赛场,站在木围栏外。只有在启动自动机器人和一次“重试”时,自动机器人的操作者才能进入赛场。3. 能源:比赛期间各队应为自己的所有机器人准备能源。机器人的电源电压必须低于 24VDC。不允许使用组委会认为危险和不适当的能源。4. 重量:每个队上场的所有机器人的总重不得超过 50kg。总重包括能源、电缆、遥控器和机器人其它部件的重量。5. 尺寸:自动机器人的总尺寸必须能纳入启动区 1000mm×1000mm×1500mm 的范围內。自动机器人离开启动区后可以分离,尺寸可以自由改变,但高度不能超过2000mm。手动机器人的总尺寸必须能纳入启动区 1000mm×1000mm×1500mm 的范围內。离开启动区后,手动机器人的尺寸可以自由改变,但高度必须在 1500mm以内,且不能分离。(三) 、物品(燃料球)1. 燃料球为直径 150mm、重量约 150g 的胶质小篮球。2. 球内的气压是要控制的,使它的弹性较差。球从 1m 高处落下时的反弹高度不应超过 150mm±50mm。天津工程师范学院毕业设计 (说明书)第 8 页3. 两队分别使用红色和蓝色的球。(四) 、 比赛1. 赛制:初赛为小组单循环赛,1/8 、1/4 复赛、半决赛、决赛为淘汰赛。1. 比赛持续时间:比赛将持续 3 分钟。但是,如果某队1) 在主火炬的绿色燃料筒和自己的燃料筒中各加入至少一个燃料球;2) 在某一对角线上的两个外围火炬的自己的燃料筒中各加入至少一个燃料球;3) 并且,在四个篝火燃料盘中至少各有一个自己的燃料球;该队即实现“登上长城” ,比赛将立即结束。机器人的设置必须在接到设置命令l 分钟之内完成。1. 记分:比赛结束时记分,能留在火炬燃料筒或篝火燃料盘内的燃料球(燃料球不得与机器人接触)可以记分。记分规则如下:4) 主火炬燃料筒中的一个燃料球记 5 分。5) 外围炬燃料筒中的一个燃料球记 1 分。6) 燃料盘中的一个燃料球记 1 分。7) 主火炬的燃料筒必须由登上烽火台的自动机器人添加燃料球。8) 在绿色燃料筒和篝火燃料盘中,两队的燃料球分别记分。9) 如果某队将自己的燃料球投入对方的燃料筒,判对方得分。1. 确定获胜者:比赛的优胜者将根据下列情况确定。1) “登上长城”的队赢得比赛。2)在两队均未“登上长城” 的情况下,将所有得分相加扣除犯规分,得分多的队获胜。3)如果出现平局,比赛的获胜者将按以下顺序来决定。在主火炬的自己的燃料筒和绿色燃料筒中均添加了燃料的队获胜。在所有火炬中得分多的队获胜。如果按上述顺序仍不能选定优胜者,将由裁判确定。天津工程师范学院毕业设计 (说明书)第 9 页三、 “航母”机器人工作说明书本自动机器人名为“航母” ,设计及制造目的是在“第四届 CCTV 杯大学生机器人电视大赛”中完成本机器人的设计任务并配合其他机器人在大赛中尽力取得理想的成绩。“航母”机器人的设计任务主要由三个分别是:任务 1 运送自动机器人“好汉”到达预定地域,任务 2 对外围火炬准确投球,任务 3 对外围篝火准确投球;具体执行情况如下:任务 1,机器人“航母”最初放置于自动机器人启动区的中右半部分,此时自动机器人“好汉”放置在“航母”上;当比赛开始机器人启动后“航母 ”连同它所运载的“好汉”以圆弧轨迹运动,此时传感器不对引导线寻线,机器人的运动完全是执行预先编制的运动程序,依靠程序控制电机差动实现圆弧运动轨迹。采用圆弧运动轨迹的目的是在“航母”在把“好汉”运至烽火台时“航母”的轴线与烽火台轴线成一定的角度,使 “航母”和“好汉”面向烽火台中央的中央火炬,以便于好汉快速的采用直线运动轨迹到达中央火炬,这样的优点是同时省去了“好汉”和“航母”的寻线程序提高了机器人的运动速度,可以节省大量的时间,并且由于“好汉”不需要转弯可以省去一个驱动电机,这样可以减少一定的重量和资金,最重要的是节省了“好汉”寻线的程序可以减少出错的概率提高了机器人的可靠性。由于“好汉”有用于找正位置的机构所以航母的运动轨迹不需要特别的精确可以有一定的偏差。任务 2,当完成对“好汉”的输送后,本机器人倒退 1 米并转动 90º 在此过程中传感器开始寻线,完成倒退并转弯后机器人依靠寻线器加速以直线向外围火炬移动到达程序所编制的位置后开始投球。采用这样的运动方式是根据试验中机器人的转弯越多,所编制的程序越多并且控制时复杂且困难,因此尽量了避免机器人的转弯,提高了运动速度、争取了比赛时间。任务 3,完成外围火炬的投球后机器人“航母”继续直线运动直到到达场地中自动区的木制围栏触发行程开关后停止运动,接通外围篝火盘的投球程序,对外围篝火盘投球实现任务 3。天津工程师范学院毕业设计 (说明书)第 10 页四、 “航母”机器人的特点和功能根据“第四届 CCTV 杯大学生机器人电视大赛 ”的比赛规则,经过一段时间的设计及制作我们特设计了这台名为“航母”的自动机器人本机器人可靠性高,经济合理外形美观,体积、重量合理,能耗小,效率高,主要参数均符合设计要求,它可以实现以下方面功能:(一) 、行走:在电机带动下依靠寻线器对场地上的白色引导线的追踪可实现在场地中自由行走。(二) 、输送:将名为“好汉”的自动机器人运送至八边形烽火台上。(三) 、外围火炬投球:在自动控制下到达预定地域后通过手臂自动对外围火炬投球。(四) 、外围篝火盘投球:在自动控制下到达预定地域后又篝火盘投球装置对特定的外围篝火盘投球。五、设计方案的拟定:接到设计任务以后,我们进行了设计方案的拟定,对于本设计来说,我们首先应考虑该机器人能够实现以下三个功能,运送自动机器人“好汉”到达预定地域,对外围火炬准确投球和对外围篝火准确投球;同时在满足对尺寸及重量的限制的前提下,希望能够做到体积小、重量轻、能耗小、效率高、可靠性高、经济合理、外形美观。在使用方面要求机器人在场上工作时有较高的可靠性。并能始终正常工作(为保证在复赛中继续工作易损部件应装卸方便) ,从经济方面看,机器人制造成本应与性能相结合,获得较大的性能价格比,外观造型因比例协调,大方,尽量给人以美感。经过一段时间的设计分析与研究在指导教师的帮助下我选定如方案图所示的机器人方案。
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