垂直面绘画机器人的机械系统标准设计开题报告.docx

垂直面绘画机器人机械系统设计
目录
1选题目标和意义 1
2绘画写字机器人发展现实状况 2
2.1按工作对象性质分类 3
2.2按机器人平台分类 5
2.3按绘制工具分类 6
3关键研究内容 8
3.1机械设计 8
3.2运动分析 8
3.3仿真 8
4方案选择 9
4.1整体结构 9
4.2执笔器 11
4.3电机 12
4.4减速器 12
4.5传动装置 13
5预定要求 13
6设计思绪 13
7进度安排 14
8设计预期结果 14
9参考文件 14

1选题目标和意义
机器人技术是当今高技术研究一个关键方向，普遍受到各国政府关注。中国工业机器人市场销量达5.7万台，同比增加55%，约占全球市场总销量四分之一，连续两年成为全球第一大工业机器人市场。据国际机器人联合会统计，至十年间，中国工业机器人市场销量年均复合增加率高达32.9％。估计到，工业、服务和特种机器人市场规模将达成750亿美元，并带动相关产业上千亿美元增加。种种迹象表明：机器人技术和应用已成为各国必争领域和未来竞争制高点，各关键国家纷纷出台机器人发展战略计划。
11月下旬，世界机器人大会在北京召开。IEEE机器人和自动化学会主席Raja Chatila致辞道：“今天，世界机器人大会在北京召开，彰显了世界各国对机器人技术关注。现在大家普遍意识到，我们正在见证一场信息技术带来新革命，然而另一场革命也在进行，它征兆在几年间一直若隐若现，这便是技术引发革命，这也是行动科学。”
众所周知，劳动力密集曾一度是中国制造业发展绝对优势。以前，中国制造依靠人工成本优势赢得了“世界工厂”称号，多年来伴随中国人口红利逐步下降，不少企业开始转向越南、泰国、菲律宾等东南亚人口成本较低国家开设工厂，而伴随机器人时代来临，“机器代人”成为大势所趋，并逐步倒逼中国制造业转型，上述格局终将被打破。
机器人不只是简单意义上替换人工劳动工具，它还是综合了人专长和机器专长一个拟人机械电子装置。其特点是，即有些人对环境状态快速反应和分析判定能力，又有机器可长时间连续工作、正确度高、抗恶劣环境能力。它是工业和非产业界关键生产和服务性设备，也是优异制造技术领域不可或缺自动化设备[1]。
机器人技术国家工程研究中心主任、中国工程院院士王天然作了题为《机器人助力中国智能制造》演讲，提出中国要实现智能制造离不开机器人，而下一代“人机共融”机器人将是中国机会，也是应该着力突破方向。“机器人是智能制造支撑设备，必将助力中国智能制造发展，满足中国民生需求。和人共融是下一代机器人本质特征。各个学科交叉结合将为机器人带来新发展机会。所以我们应该关心它、抓住它为我们服务。”
机器人和人类生活联络越发紧密，对机器人研究得越发深入，在探索各个领域机器人过程中，大家逐步倾向于研究能够模拟人类特定行为类人机器人。《机器人产业十三五发展计划》草案当中提到家庭辅助类机器人将以更高性价比解放人类双手。书写和绘画是人类关键特征之一，所以研制能模拟人类书写和绘画功效机器人是人类愿望之一。对其深入研究也是在传承中国文化和艺术，以高新技术为载体发扬华夏文明。
写字和绘画机器人可利用于教学、科普和日常生活当中。在研究方面，可包含到理论力学、驱动和控制、轨迹计划等领域[1]。在教学方面可为高等学府机械、电子、计算机、软件等专业开出机器人写字试验、绘图试验、机器人机构学试验、计算机应用试验、机器人数控编程试验等。在科普方面，能够陈列于多种城市科学馆、少年馆，作写字绘画演出，激发新一代青少年对机器人爱好等[2]。在日常生活方面能够进行大面积壁画和围墙绘画和写字作业等。以下将“写字和绘画机器人”简称为“绘画机器人”。
2绘画写字机器人发展现实状况
中国外对于绘画机器人研究历史很短、参与研究人员也并不是很多。上世纪 90 年代，国外绘画机器人开始起步，而中国研究则相对更晚，香港汉字大学多年率先开展了相关研究。在图源获取方面，从最初单纯轨迹计划生成图画发展到基于图像处理技术。在轨迹控制方面，一是从原先 3 自由度发展到 6 自由度机械臂控制；二是由二维平面图画绘制发展到了 2.5D 和 3D 绘图[3]。在机械方面，执笔器改变，由一开始机械固定到以后控制类人手部握笔。在绘制工具方面已经发展出喷涂式、硬笔式、软笔式、毛笔式等。综合以上所述中国外绘画机器人发展和现实状况，本文根据以下方法对绘画机器人进行不一样分类以说明。
2.1按工作对象性质分类
按绘画机器人工作对象能够分为水平面工作机器人、垂直面工作机器人、多平面工作机器人和多维空间工作机器人。
（1）水平面
是指工作空间在水平面机器，模拟了人伏案写作时姿态同时又能围绕自己底座在360°任意空间内进行绘制和写字。各杆件移动空间大，相互间更易配合。

图2.1水平面作业机械手臂

图2.2水平面作业机器人
（2）垂直面
是指工作空间在垂直面机器人，模拟人在黑板或墙壁上姿势。各杆件移动空间较狭窄，对杆件长度和各杆件间配合要求较高。手部（即末端实施器，以下简称“手部”）所受协力平行于工作面。

图2.3垂直平面作业机械手臂
（3）多平面
工作空间不止一个平面，应用愈加广泛，对整个机械结构灵活性和稳定性要求更高。

图2.4多平面作业机械手臂
（4）2.5D，3D
能够不仅只在以XY为坐标二维平面内作业，能够延伸到2.5维或3维，比如3D打印机。
2.2按机器人平台分类
绘画机器人按工作平台不一样可分为悬挂式、单臂式和悬挂单臂式。
（1）悬挂式
其工作原理类似于激光打印机，由X轴导轨、Y轴导轨和Z轴执笔器组成。图2.5为早期绘画机器人Aaron正在绘制抽象风格水彩画，它由英国抽象派画家Harold Cohen教授设计制造[4]。

图2.5悬挂式绘画机器人Aaron在作业
（2）单臂式
单臂式绘画机器人机械系统采取是机械手方法，它灵活性更大，也能够安装在服务型机器人身上[5]。图2.6是由来自台湾科技大学Chyi-Yeu Lin设计制作七自由度绘画机器人。图2.7是一个完整单臂式三自由度绘画机器人。

图2.6台湾科技大学机器人在作业

图2.7 三自由度机械手臂CP robot
（3）悬挂单臂式
往后发展，制作出了悬挂于单臂相结合悬挂单臂式绘画机器人。在确保手部能够大面积覆盖同时又增加了灵活性，使这种绘画机器人所做出图形和字体更为正确和逼真。

图2.8香港汉字大学在高交会上展示绘画机器人
2.3按绘制工具分类
（1） 硬笔型绘画机器人

（2）软笔型绘画机器人

3关键研究内容
3.1机械设计
（1）各杆件长度
（2）电机和减速器
（3）执笔器
3.2运动分析
（1）运动学分析
机器人机械系统运动学问题研究机械手末端实施器（即手部）相对参考坐标系位置、姿态和速度和各关节变量间关系，包含运动学正问题和运动学逆问题。运动学正问题是已知关节位置和速度，求得末端实施器位置、姿态和速度；反之，已知末端实施器位置、姿态和速度，需求关节位置和速度，以驱动各关节电机旋转，使手部位姿要求得到满足，这一工程称为运动学逆问题。本课题是已知末端实施器在垂直面运动轨迹，包含是求解运动学逆问题。
（2）动力学分析
机器人机械系统动力学问题分为逆向问题和前向问题。逆向动力学问题属于纯代数问题，其本质上是对机器人末端实施器计算扭矩控制。前向动力学问题应用于机器人末端实施器计算机仿真和设计。本课题是可知某时刻机器人末端实施器位置、速度和加速度求解各关节所需驱动力或力矩，包含是动力学逆向问题。
3.3仿真
（1）工作空间仿真。
依据已知工作空间确定各杆件初始长度，利用MATLAB进行工作空间仿真，确定现在方案是否有空洞或空腔存在。假如存在，则需要微调杆件长度以提升工作空间覆盖率。
（2）运动学仿真
利用ADAMS进行仿真分析，求得各关节位移、速度、加速度。
（3）轨迹仿真
用多项式插值法进行轨迹计划计算，用MATLAB进行仿真，得到角速度数据导入ADAMS进行动力学仿真。
（4）动力学仿真
在考虑质量和外力作用下，进行更符合实际情况仿真分析，一样利用ADAMS进行仿真分析。
4方案选择
4.1整体结构
编号
种类
优点
不足
方案一
悬挂式
结构简单，控制简单，易于做出实物
结构太大，
实用性不强
方案二
车载悬挂式
体积小，
便于移动和运输
吸附难实现，
控制和定位较复杂，
调试耗时久
方案三
机械手臂
灵活性高，
系统扩展空间大
自由度越多控制越难
方案一：由导轨滑台为关键构件，以步进电机为驱动元件，直观简单地实现整个黑板全方面覆盖。
1. X轴电机 2. 固定座 3. X轴丝杠
4. 执笔器（滑台） 5. Y轴丝杠 6. Y轴电机
方案二：在方案一基础上发展，将导轨滑台装置安装在四个车轮上，并缩小其体积，使得本方案体积小，轻巧便携优点得到突出。将作业区域模块化，在控制方面，导轨和小车各自拥有一套算法。

1. X轴电机 2. 车轮 3. 固定座 4. X轴丝杠
5. Y轴电机 6. Y轴丝杠 7.执笔器（滑台）
方案三：采取机械手臂形式，模拟人类动作完成作业。

1.底座 2. 电机I 3. 连杆I 4.连杆II
5连杆III 6. 执笔器 7.连杆IV 8.电机IV 9.电机III 10.电机II
结合本身爱好综合考虑后，选择方案三。
4.2执笔器
（1）纯机械固定
① 卡箍螺栓固定
② 过盈固定
（2）机电固定[6]

（3）机械手自主抓握固定
结合本身能力综合考虑选择机电固定。
4.3电机
种类
特点
适用场所
直流有刷电机+减速箱+编码器
开启转矩大，成本低，速度和转矩比较适中
通常控制场所

直流无刷电机+减速箱+编码器
寿命长，控制简单，稳定性好，速度上限高
对精度、速度、稳定性等综合要求高场所
步进电机+减速箱
即使是开环但控制精度能够做到很高，控制成本较低；轻易丢步使得转矩和速度特征全部很通常
通常控制场所
伺服电机+减速箱
相对于步进电机转矩更大，精度更高，成本高
要求较高控制场所
直接驱动电机
含有较高刚性，
几乎无摩攘
机械手臂

4.4减速器
机器人常见减速器有以下多个：
编号
种类
优点
不足
适用场所
方案一
谐波减速器
承载能力高，传动比大，体积小，重量轻，传动效率高，寿命长
柔轮刚度偏低
载荷要求不大关节
方案二
RV减速器
刚度高，抗冲击能力强，结构紧凑，减速比大，传动精度高
价格较贵
载荷要求较大
精度要求较高
方案三
行星减速器
高刚性、高精度、重量轻、体积小、传动比范围大、效率高、运转平稳、噪声低适应性强。
对同心度要求十分高
适适用于起重运输、工程机械、石油化工、轻工纺织、医疗器械、仪器仪表等工业部门
机器人用减速器必需要满足体积小、精度高、重量轻、减速比大、刚度高等要求。靠近末端关节可采取谐波减速器，靠近底座关节应采取RV或行星减速器。但因为本课题包含绘画机器人属于轻型机器人，在满足条件情况下可采取成本低、结构简单方案三——谐波减速器【7】。该减速机构也可完成旋转传动。
4.5传动装置
查阅手册，结合轻型机械手实际情况，机械手直线运动由同时带来实现。同时带用于传输平行轴间运动或将回转运动转换成直线运动。
机械手旋转运动可由自带减速器、编码器电机直接驱动，可有谐波齿轮带动。
5预定要求
（1）各关节电机安装
（2）电机驱动力矩
（3）机械结构方案设计
（4）机械结构设计及受力
（6）运动分析
6设计思绪

7进度安排
1
经过广泛调研相关书籍、（中国、国外）文件，熟悉黑板绘画机器人工作原理及相关动作，确定确定分析和处理问题步骤、内容，写出分析和处理问题方案和开题汇报，参与开题答辩
1月11号～3月10号
2
对机械结构方案进行具体设计
3月11号～3月16号
3
依据所设计具体方案进行机械设计计算
3月17号～3月22号
4
建立机械结构模型，出工程图，进行机构运动仿真运行
3月23号～5月13号
5
对原有参数进行校准和验算，完善工程图
5月14号～5月20号
6
完成毕业论文, 英语翻译分散到以上时间里
5月21号～5月29日
7
完成论文正稿编写、外文文件翻译，提交毕业论文全部资料
5月30日～6月05日

8设计预期结果
（1）含有分析计算过程、具体步骤符合任务书要求毕业论文一份。
（2）模拟机械手臂工作时运动仿真动画。
（3）累计工作量为1.5张A0图纸工程图。
9参考文件
[1] 马晓花. 四自由度串联机械手轨迹计划研究[D].内蒙古工业大学,.
[2] 王光建,廖志勇,陈雪华. 机器人写字技术及其运动参数[J]. 重庆大学学报(自
科学版),,12:6-9.
[3] 邱桂林. 绘画机器人执笔器设计和控制方法[D].沈阳工业大学,.
[4] Harold Cohen.The Robot as an Artist. .
[5] Chyi-Yeu Lin, Li-Wen Chuang, and Thi Thoa Mac.Human Portrait Generation System for Robot Arm Drawing Insertion of Pause in Drawing from Babbling for Robot's Developmental Imitation Learning. IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent MechatronicsSuntec Convention and Exhibition CenterSingapore, July 14-17,
[6] 张学文. 四自由度教学型机器人运动轨迹控制技术研究[D].重庆大学,.
[7] 类延超. 五自由度写字机器人系统研究[D].山东大学,.
[8] Ka Wai Kwok; Sheung Man Wong; Ka Wah Lo; Yeung Yam.Genetic Algorithm-Based Brush Stroke Generation for Replication of Chinese Calligraphic Character. IEEE Congress on Evolutionary Computation, Sheraton Vancouver Wall Centre Hotel, Vancouver, BC, Canada, July 16-21, :1057~1064.
[9] Gazeau Jean-Pierre, Zeghloul SaId.The Artist Robot_A robot drawing like a human artist. IEEE International Conference on Industrial Technology (ICIT), Athens,: 486 – 491.