慧鱼工业机器人.docx
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慧鱼工业机器人
摘要
随着社会的进步和科技的发展,机器人产品开始进入到生产过程和日常生活中,各种类型的机器人在特定的工作环境下发挥着越来越重要的作用。
但是目前对于移动式机器人多采用轮式移动机构,在适应复杂地形时无法满足路况的要求,由此设计一种灵活的、行走平稳和对路况适应性强的机器人成为解决此类问题的关键。
根据昆虫运动时采用的三角步态走法设计了机器人的腿部五连杆行走机构,并对其进行了占空比、稳定性、转弯状态等分析，由程序来控制机器人的动作。
关键词：
慧鱼机器人，工业机器人，仿生机器人
1.绪论3
1.1课程设计背景3
1.2课程设计意义目的…………………………………………………………………………………………………………………………..4
1.3课程设计原理……………………………………………………………………………………………………………………………………4
2.慧鱼机器人…………………………………………………………………………………………………………………………………..………………6
2.1慧鱼创意教学组合模型简介…………………………………………………………………………………………………………6
2.2慧鱼工业机器人分析………………………………………………………………………………………………..……………………6
2.2.实验原理分析…………………………………………………………………………………………………………………………….7
2.2.2机器人机构组成…………………………………………………………………………………………………………………….7
2.2.3机器人工作空间形式.................................................................................................................7
2.2.4机器人机械传动方式……………………………………………………………………………………………………………7
2.2.5机器人位移速度控制方式…………………………………………………………………………………………………..12
2.2.6机器人模型图绘制……………………………………………………………………………………………………………….13
3移动机器人........................................................................................................................................................16
4仿生机器人……………………………………………………………..……………….………………………………………………………………….17
5移动机器人…………………………………………………………………………………………………………………………….……………………18
6.总结20
7.任务分工20
8.参考文献20
1·绪论
1.1课程设计背景
机器人这个词，第一次出现在CarelCapek1923年的小说《Golem》（有生命的假人）中，这个人造的主人公因其高超的本领代替了人。
上个世纪的三四十年代，机器人多少更像一种自动机器。
以至于今天，当我们回顾人们曾用闪光灯作为机器人的眼睛从而使其具有人类特点的种种尝试，总会让人忍俊不禁。
这些机器几乎没有什么“智能化”或者“灵活性”可言。
随着控制学对机器人技术的影响日益深刻，机器人的设计也伴随电子电路的出现而越发接近现实了。
直到今天，机器人的智能化仍然是许多公司、科研院所和高等学校不断研究和探索的重要课题。
自动化控制理论（Cybernetics）为解决这一问题带来了生机。
“自动化控制”一词来源于希腊语（Kybernetes）。
原意指的是希腊轮船上领航员，其任务是指挥航行方向并绘制到达目的地的航行路线。
无疑，自动化控制理论本来是要使机器人变聪明。
但是如何实现呢？
我们先用一个启发式实验进行说明。
我们可能都观察过飞蛾趋光的特点，飞蛾找到光源，向那里飞去，即使非常近的距离，也绝不会拍打到光源。
显然飞蛾之所以能够这样做，是因为它发觉光源，划出路线然后再向其扑去。
这本领是基于这种昆虫自身具备的机敏的行为模式。
现在我们将上述能力应用到一个技术系统中。
先用光学传感器探测到光源，马达执行动作，这样，我们必须在发现信号和执行信号之间建立一个合理的连接，即程序。
20世纪50年代，一位名叫沃特格雷（WalterGrey）的英国人将上述引人思考的实验付诸于实践。
借助于几个简单的传感器，马达和电路，他创作出多种自动化动物，可以准确模仿出飞蛾的动作。
左图所示的是“自动”海龟的复制品，展示在华盛顿的史密森博物馆里。
鉴于上述的奇思妙想，我们也要为我们的机器人建立起类似的行为并用程序来和机器人进行交流。
慧鱼创意组合模型体现不同学科知识点的各种组合包，不仅可以应用于中小学各个年级学科教学、还可以用于大学不同专业以及研究生工程实验和技术创新活动，现在以清华大学、上海交通大学为代表的一批高校建立的慧鱼创新实验室就是利用慧鱼模型组合包系列建立的工程技术实验室，是创新教育的一个全新平台。
通过慧鱼模型的使用，不仅可以让我们的孩子将多学科多领域的综合知识融会贯通于实践过程中，更重要的是培养了他们的创新意识和创新能力。
创新是一个民族进步的灵魂，而慧鱼创意组合模型就是我们期待的创新教育的理想学具！
慧鱼模型就是利用“六面可拼接体”这种开放的零件，来构建或者模拟现实发挥你的创意，来完成机电一体化的工业设计为主的模型组建，现在慧鱼模型在中国有众多的高校以及职业学校在使用，并且越来越受到大家的关注。
相信慧鱼会成为中国创新教育的理想教具。
1.2课程设计意义目的
1.为了对工业生产进一步了解，了解机器人工作原理。
2.由于组装复杂要求实践性更强，这样提高学生动手能力在传统实验里，主要是课程中的具体原理或理论的验证性实验，如再如机械设计中的带传动实验主要是为了验证带传动中的两个重要的现象——弹性滑动和打滑。
这些传统型实验对学生更好的理解课本的理论知识有很大的帮助，具有课本结合性强的特点。
3.安装过程中应用知识面更广，培养综合素质实验的内容涉及面极广，不仅包括传统机械相关的实验内容，而且还涉及到了能源（包括太阳能）、气动、遥控（如传感器技术）、自动控制（PLC控制、单片机控制）、软件编程（慧鱼公司自带的编辑软件LLWin3.01）等多学科的知识，最重要是它能够把这些很好地知识结合起来，并体现到某个模型中。
4.组建灵活性大，可以自行设计装配创新性高，增加学生研究性思维而在慧鱼实验中，学生不仅可以对教具所提供的样本模型进行验证式实验（通过这些模型实验可以使学生掌握机械、电子和自动化等的相关知识），而且可以把这些不同模型的特点结合起来，进行自主设计，设计出新的作品来，因此慧鱼实验具有较高的创新性。
1.3课程设计原理
机器人指的是可程式控制的机械，整体来说可分为两大部分，分别为机械架构及软体的控制的两大部分。
（一）机械架构
本设计移动机器人之机械构架采用德国慧鱼创意积木所组成，它的优点在于方便组装，能在设计阶段能起到一定的辅助作用，减少设计成本以及更好的观察到设计的可行性及其优缺点，以便更好改进设计中的缺点。
一般机械所用到的零组件如齿轮、马达、光电开关等，都可以在慧鱼创意积木中找到，且功能毫不逊色。
首先针对我们所需的机械架构做规划，收集所需用到之慧鱼创意积木零件，将其组装机械架构。
该架构主要是由两个丝杆与一个马达连接，两丝杆再平均接上传动齿轮实现此仿生机器人的运动及其开关所组成，而这个开关主要用于判断机器人的开关及其运动方向。
（二）软体控制
在控制软体方面，我们使用圆形式人机介面软体LLWin（LuckyLogicforWindows），LLWin是一种新控制语言，它的特色在于使用了创新的程式模块，你只需事先将机器人行动流程规划好，再配合所需用到的程式模块，将内部参数设定好即可，不但避问了以往繁杂的程式语言，更让使用者不再被要求学习程式语言的复杂语法，使之达到更为快速和方便的效果。
图1为智慧型微电脑界面板，它的主要功用在于储存LLWin之程式，使程式经由此介面板驱动机器人，达到预设之动作。
图1-1
智慧型微电脑介面板细部说明如下：
1、此装置是所有电脑控制套件的控制逻辑核心，他负责与PC间的通讯和运算，将电脑所编辑的程式转换成控制命令来控制马达等。
2、此装置有八个数位输入，两个类比输入可接收0~5欧姆的电阻值，四个可逆马达输出控制，控制马达dcrelay等。
3、电源供应电池或充电器的方式，大小为9伏特5瓦。
4、可在On-line（以传输线与PC连线），也可在Off-line（不需与电脑连线）
两种模式下作业。
5、与电脑连接时不需额外插卡，利用CMOM2通讯即可。
2·慧鱼机器人
2.1慧鱼创意教学组合模型简介
1964年，慧鱼创意教学组合模型（fischertechnik）诞生于德国，是由德国发明家ArthurFischer博士在1964年从其专利“六面拼接体”的基础上发明的。
它是技术含量很高的工程技术类智趣拼装模型，是展示科学原理和技术过程的理想教具，也是体现世界最先进教育理念的学具，为创新教育和创新实验提供了最佳的载体。
慧鱼创意组合模型的主要部件采用优质尼龙塑胶制造，尺寸精确，不易磨损，可以保证反复拆装的同时不影响模型结合的精确度；构件的工业燕尾槽专利设计使六面都可拼接，独特的设计可实现随心所欲的组合和扩充。
它由各种型号和规格的零件构成，类似于积木。
零件的种类很多，几乎包括了机械课程和日常生活中的所有零件，如机械零件：
连杆、凸轮、齿轮（普通齿轮、锥齿轮、斜齿轮、内啮合齿轮、外啮合齿轮等）、蜗轮、蜗杆、螺杆、铰链、带、链条、轴（直轴和曲轴）、联轴器、弹簧、减速器、齿轮箱、车轮等；电气零件：
直流电机、灯泡、电磁气阀、行程开关、传感器（光敏、热敏、磁敏、触敏）、可调直流变压器、电脑接口板、PLC接口板、红外线发射接收装置等；气动零件：
储气罐、汽缸、活塞、气弯头、手动气阀、电磁气阀、气管等。
由这些零件的不同组合便可构造出各式各样的模型，这些模型主要可分为两大类：
技术组和机器人组。
技术组又包括传感器技术组、气动技术组、汽车技术组、太阳能技术组、万能组合包。
机器人组又包括3D机器人、计算机器人、实验机器人、工业机器人、移动机器人和气动机器人。
学生在慧鱼实验过程中，通过对各类模型的认识和组装，从而可以熟悉并掌握各类机械设备和自动化装置的常用结构和工作原理。
在模型的组建中，学生将运用到机械加工、气动技术、电子电路和软件编程等知识，从而加深了对这些相关课程的理解。
另外通过慧鱼模型的搭建和组装也培养了学生的实际动手的能力、解决实际问题的能力和创新设计的能力。
2.2慧鱼机器人分析
此次创新设计项目，我们所完成的是慧鱼工业机器人中的三自由度机械手，它能够通过智能控制接口盒的编程控制实现三个自由度方向（旋转、水平、垂直）的夹取或放置物品，因此操作范围大，灵活性好。
2.2.1实验原理分析
三自由度机械手能够实现在不同的方向上抓取物体，其运动系统主要由4部分组成，分别为：
水平运动、垂直运动、旋转运动和手爪运动。
每一个运动系统的控制部分组成都是由一个直流电机、两个行程开关组成。
下面以垂直运动为例介绍三自由度机械手的工作原理。
垂直运动主要由三个主要部件组成：
电机、限位行程开关和计数行程开关。
电机为垂直运动提供动力；这里所选用的电机为直流电机，通以9V电压，则开始旋转。
通以-9V电压，则反向旋转。
限位行程开关限制垂直运动的极限位置，也是垂直运动的起始位置；当机械手臂向上运动碰到上面的限位行程开关后，机械手臂停止运动。
计数行程开关是用来计量电机的旋转圈数的，从而可以精确的计算垂直运动的距离，起到定位的作用。
垂直运动具体的运动过程可分为两个阶段：
定位阶段和复位阶段。
定位阶段：
驱动电机使手臂从初始位置开始下降，通过定位行程开关计数使手臂到达指定位置停止。
复位阶段：
驱动电机反转使手臂上升，直到碰到限位行程开关结束。
垂直运动的工作原理：
垂直运动以“微型计算机”为核心，“智能接口板”为中介，主要由两大部分组成，数字输出和数字输入。
一方面，微型计算机发送指令，通过智能接口板输出给电机，使电机运动。
另一方面，行程开关的信号经由智能接口板输入到计算机中，根据信号的结果执行相应的动作。
限位行程开关和计数行程开关都是同一种行程开关。
行程开关是一个触发式的开关，当触头被按下时，则电路接地，此时通过智能接口板采集到的信号为低电平，数字信号为0；当触头悬置时，则电路断开，此时输出的数字信号为1。
计算机根据接受到的信号发出不同的命令，如使电机旋转或停止。
2.2.2机器人机构组成
如图1.1所示，该机器人为三自由度机械手，其机械手爪有夹紧和松开物件的功能，由三个电机驱动三个自由度的运动，由一个电机控制手爪的夹紧和松开。
可实现整体的旋转、水平、垂直运动及手爪的夹紧、松开运动。
该机械人可通过PC对控制芯片进行编程，从而输出控制信号到各电机，驱动机械人的运动方向或行程，从而夹取或放置物件。
图2.1机械手机构组成
2.2.3机器人工作空间形式
该机器人的工作空间形式主要有三个自由度的运动和机械手爪的夹松运动。
1、自由度一：
机械手基座的旋转运动，如图2.2所示
图2.2机械手基座的旋转运动
电机输出动能，经减速箱调节速度并传递到蜗杆，蜗杆与齿轮啮合传动，齿轮转动带动整个底座进行旋转运动。
2、自由度二：
机械手的水平运动，如图2.3所示
图2.3机械手的前后运动
电机输出动能，经减速箱调节速度并传递到丝杆，再通过链条和螺旋机构转化为工作台的前后运动。
3、自由度三：
机械手的垂直运动
图2.4机械手的上下运动
电机输出动能，经减速箱调节速度并传递到丝杆，再通过链条和螺旋机构转化为水平前后运动，最后经连杆机构转化为机械手的上下运动
4、机械手爪的夹紧与放松运动
图2.5机械手夹紧与放松运动
电机输出动能，经减速箱调节速度并传递到传动轴，不同轴线的各传动杆通过万向铰链进行连接并传递动力，最近将杆件的旋转运动通过螺旋机构转化为手爪的夹紧或松开运动。
2.2.4机器人机械传动方式
1、机械手基座的旋转运动
如下图所示，传动方式为：
控制信号—电机—减速箱—圆柱蜗杆传动—基座
图2.6机械手基座的旋转运动机构简图
2、机械手的水平运动
如下图所示，传动方式为：
控制信号—电机—减速箱—螺旋机构—机架
图2.7机械手的前后运动机构简图
3、机械手的垂直运动
如下图所示，传动方式为：
控制信号—电机—减速箱—螺旋机构—连杆机构—机架
图2.8机械手的垂直运动机构简图
4、机械手爪夹紧与放松运动
如下图所示，传动方式为：
控制信号—电机—减速箱—传动轴—万向铰链—传动轴—螺旋机构—连杆机构—手爪
图2.9机械手爪夹紧与放松运动机构简图
2.2.5机器人位移速度控制方式
该机器人整体与控制芯片盒连接，并通过PC的程序编制与载入，将控制信号输送到电机。
其中速度控制信号将控制电机的速度从而实现机器人的运动速度转变，并且时间控制信号将于速度控制信号配合实现机器人的运动位移量可调。
为了防止超出行程，各主要机械运动构件附近安装有限位行程开关，以限制运动的极限位置，同时也是运动的起始位置；当各运动构件运动碰到两边的限位行程开关后，机器人将停止运动。
1、机械手基座的旋转运动位移速度控制
动力源（电机）接收到控制芯片的位移速度控制信号后动作，由于电机转速较高，通过减速箱的作用，调节电机转速到较低的合适量。
动力输出轴通过蜗轮机构将动力转换为基座齿轮的转动。
躯干的理论旋转范围为0°～360°。
2.机械手的水平运动位移速度控制
动力源（电机）接收到控制芯片的速度位移控制信号后动作，由于电机转速较高，通过减速箱的作用，调节电机转速到较低的合适量。
然后动力轴的转动通过螺旋机构转化为机架的水平前后运动。
3、机械手的垂直运动位移速度控制
动力源（电机）接收到智能控制接口盒的速度位移控制信号后动作，由于电机转速较高，通过减速箱的作用，调节电机转速到较低的合适量。
减速箱输出动力到丝杆，再通过螺旋机构转化为机架的前后水平运动，最后通过连杆机构转化为机械臂的上下摆动。
4、机械手爪夹紧与放松运动位移速度控制
动力源（电机）接收到控制芯片的速度位移控制信号后动作，由于电机转速较高，通过减速箱的作用，调节电机转速到较低的合适量。
减速箱输出动力到传动轴，各传动轴因轴线不在同一水平线上故需通过万向铰链连接，最后传递到螺旋机构，带动连杆机构从而形成机械手爪的夹紧与松开运动。
2.2.6机器人模型图绘制
下图为用UG所画的3D图：
图2.10机器人UG模型图
从图中可以容易得知该机械手的运动系统主要由4部分组成，分别为：
基座的旋转运动，机架的前后运动，机械臂的上下摆动和机械手爪运动。
每一个运动系统的控制部分组成都是由一个直流电机、两个行程开关组成。
以下为各运动的主要运动构件模型图：
1、机械手基座旋转运动
图2.11机械手基座旋转运动UG模型图
该运动主要构件有电动机、减速箱、蜗杆、齿轮。
2.机械手水平运动
图2.12机械手水平运动UG模型图
该运动主要构件有主要运动构件有电动机、减速箱、丝杆、螺旋传动块、导杆。
3、机械手垂直运动
图2.13机械手垂直运动UG模型图
该运动主要构件有主要运动构件有电动机、减速箱、丝杆、螺旋传动块、连杆机构
4、机械手爪夹紧与松开运动
图2.14机械手爪夹紧与松开运动UG模型图
该运动主要构件有主要运动构件有电动机、减速箱、传动轴、万向铰链、螺旋传动块、连杆机构。
2.2.7机器人计算机控制接口
计算机控制原理简图如下图所示：
机器人运动以“微型计算机”为控制核心，“智能接口板”为信号发送接收装置。
信号主要由两大部分组成，即控制信号和反馈信号。
一方面，微型计算机发送指令，通过智能接口板输出给电机，使电机运动。
另一方面，行程开关的信号经由智能接口板输入到计算机中，根据信号的结果执行相应的动作。
行程开关是一个触发式的开关，当触头被按下时，则电路接地，此时通过智能接口板采集到的信号为低电平，数字信号为0；当触头悬置时，则电路断开，此时输出的数字信号为1。
计算机根据接受到的信号发出不同的命令，如使电机旋转或停止。
图2.15机器人计算机控制接口原理图
3·移动机器人
机械部分设计
动力源的选择：
电动机械传动装置的确定：
齿轮传动；
机械执行部件的设计：
行走机构；
控制部分硬件选型：
接口电路板及PLC接口板；
行程开关：
控制部分软件的编制（LLWin.3.0软件）
设计的主要参数：
（1）双边单独驱动；
（2）驱动方式：
电机驱动；（3）运动参数：
移动范围：
线长；移动速度:
v（mPs）：
根据工作要求定；回转范围:
0°~360°；
工作原理
它有两个传感器来测量所行距离，都含有一个接触式开关和一个脉冲齿轮。
电动机通过齿轮传动，带动车轮转动。
同时有一个四齿齿轮与车轮相连，同时齿轮与一个极限开关相连，因此，当带轮转动一圈便会有4个脉冲产生并传向主板，从而控制电动机的运行。
当机器人碰撞东西时，相应部位会产生振动，激发传感器，从而反馈到程序模块，之后按照预定程序向相反的方向行进。
系统线路图
机器人结构简图
图片3.1
4·仿生机器人
仿生态六足机器人比传统的轮式机器人有更好的移动性，自动化程度高，具有丰富的动力学特性。
此外，足式机器人采用类似生物的爬行机构进行运动，比其他机器人具有更多的优点：
它可以较易的跨过比较大的障碍，并且机器人足所具有的大量自由度可以使机器人的运动更加灵活，对凹凸不平的地形的适应能力更强；足式机器人的立足点是离散的，跟地面的接触面较小，因而可以再可达到的地面上选择最优支撑点。
机械部分设计
动力源的选择：
电动
机械传动装置的确定：
齿轮传动;蜗轮蜗杆传动；
机械执行部件的设计：
行走机构；
控制部分硬件选型：
接口电路板及PLC接口板;行程开关；
控制部分软件的编制（LLWin.3.0软件）；
设计的主要参数：
（1）双边单独驱动；
（2）驱动方式：
电机驱动；
（3）运动参数：
移动范围:
线长；移动速度:
v（mPs）：
根据工作要求定；回转范围：
0°~360°。
工作原理
电动机将电能转换为机械能，并通过齿轮传动，使得贯穿于机器人的长轴转动，从而带动位于长轴上的蜗杆转动，通过涡轮蜗杆传动使得与涡轮相连的曲轴转动，而连杆机构再将曲轴的转动转换为机器人腿部的移动。
通过不同程序的驱动可以使两个电动机的运行情况不同，从而完成机器人的不同运动。
机器人头部有运动传感器，在机器人运动到极限位置时，有相关部件按下传感器的开关，通过主板的识别可以改变电动机的运转，从而达到极限位置的处理。
仿生机器人仿真程序示意
图片4.1
5·运动机器人
机械部分设计
动力源的选择：
电动；
机械传动装置的确定：
齿轮传动；
机械执行部件的设计：
履带行走机构；
控制部分硬件选型：
接口电路板及PLC接口板；行程开关及脉冲计数装置；
控制部分软件的编制（LLWin.3.0软件）；
设计的主要参数:
（1）双边单独驱动；
（2）驱动方式:
电机驱动；
（3）运动参数:
移动范围:
线长；
移动速度:
v（mPs），根据工作要求定；
回转范围:
0°~360°。
工作原理
电动机通过齿轮传动带动履带轮转动，从而带动履带转动，从而达到机器人的行走。
同时有一个四齿齿轮与履带轮相连，同时齿轮与一个极限开关相连，因此，当带轮转动一圈便会有4个脉冲产生并传向主板，从而控制电动机的运行。
系统线路图
运动机器人仿真程序示意图
图片9
6·总结
首先，通过对三自由度机械手的拼装，充分锻炼学生的动手能力，由于此实验包括的零件极多，结构比较复杂，因此学生在做实验前必须了解其结构特点，并按照实验步骤搭建，方能正确的组装此实验模型。
学生在组建模型的过程中，不仅锻炼了其动手能力，也充分理解了其结构特点，为以后进行类似的设计提供了设计依据.
其次，此实验充分拓宽了学生的知识面。
由于此实验不仅包括机械知识、电气知识，而且还包括计算机编程知识。
学生在调试模型时，首先要保证机械结构、电气部件联接没有错误，其次还要自己编制程序，最后运行程序检验机械手的运动是否与预想的一致。
只有实现了预先规定的功能，才算是调试结束。
学生在此实验过程中，要同时接触硬件和软件的知识，有利于其综合素质的培养。
最后，此实验充分体现了创新性。
而实验中所采用的行程开关计数来实现电机圈数控制即具有极高的创新性。
这很好的培养了学生的创新思维，也为学生将来从事研究性工作打下良好的创新思维基础。
作品在极限位置控制方面存在缺点，以机械手的定位实现原理为例，要想使机械手臂精确定位，必须严格控制电机的旋转圈数，由于实验中采用的是普通直流电机，通电就旋转，不好控制。
我在本次试验中学到了关于慧鱼机器人的一些知识，锻炼了动手能力，也培养了创新意识，也是对综合能力的考察，我深刻感到所学知识的局限性，懂得太少，因此以后我会努力学习这方面知识，使自己在这方面得到补充，学无之境啊！
7·任务分配
第四组成员：
组长：
赵武
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