垂直面绘画机器人的机械系统设计开题报告.docx

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垂直面绘画机器人的机械系统设计
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目录
1选题的目的和意义 1
2绘画写字机器人的发展现状 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主要研究内容 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设计思路 13
7进度安排 14
8设计的预期结果 14
9参考文献 14

1选题的目的和意义
机器人技术是当今高技术研究的一个重要方向，普遍受到各国政府的关注。2014年中国工业机器人市场销量达5.7万台，同比增长55%，约占全球市场总销量的四分之一，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，2005至2014年的十年间，我国工业机器人市场销量的年均复合增长率高达32.9％。预计到2017年，工业、服务和特种机器人市场规模将达到750亿美元，并带动相关产业上千亿美元的增长。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的制高点，各主要国家纷纷出台机器人发展战略规划。
2015年11月下旬，2015世界机器人大会在北京召开。IEEE机器人与自动化学会主席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的关注。如今人们普遍意识到，我们正在见证一场信息技术带来的新革命，然而另一场革命也在进行，它的征兆在几年间一直若隐若现，这便是技术引发的革命，这也是行动的科学。”
众所周知，劳动力密集曾一度是中国制造业发展的绝对优势。此前，中国制造依靠人工成本优势赢得了“世界工厂”的称号，近年来随着我国人口红利逐渐下降，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的国家开设工厂，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代替人工劳动的工具，它还是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的机械电子装置。其特点是，即有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作的、准确度高、抗恶劣环境的能力。它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可或缺的自动化设备[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》的演讲，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”的机器人将是中国的机会，也是应当着力突破的方向。“机器人是智能制造的支撑设备，必将助力中国的智能制造发展，满足中国的民生需求。与人共融是下一代机器人的本质特征。各个学科的交叉结合将为机器人带来新的发展机会。所以我们应该关心它、抓住它为我们服务。”
机器人与人类的生活的联系越发紧密，对机器人研究得越发深入，在探索各个领域机器人的过程中，人们渐渐的倾向于研究能够模仿人类特定行为的类人机器人。《机器人产业十三五发展规划》的草案当中提到家庭辅助类机器人将以更高的性价比解放人类双手。书写与绘画是人类的重要特征之一，因此研制能模仿人类的书写和绘画功能的机器人是人类的愿望之一。对其的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。
写字和绘画的机器人可运用于教学、科普和日常生活当中。在研究方面，可涉及到理论力学、驱动与控制、轨迹规划等领域[1]。在教学方面可为高等学府的机械、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，可以陈列于各种城市科学馆、少年馆，作写字绘画表演，激发新一代青少年对机器人的兴趣等[2]。在日常生活方面可以进行大面积的壁画和围墙的绘画和写字作业等。以下将“写字和绘画机器人”简称为“绘画机器人”。
2绘画写字机器人的发展现状
国内外对于绘画机器人的研究历史很短、参与研究的人员也并不是很多。上世纪 90 年代，国外绘画机器人开始起步，而国内研究则相对更晚，香港中文大学近年率先开展了相关研究。在图源获取方面，从最初单纯的轨迹规划生成图画发展到基于图像处理技术。在轨迹控制方面，一是从原先的 3 自由度发展到 6 自由度机械臂控制；二是由二维平面的图画绘制发展到了 2.5D 以及 3D 绘图[3]。在机械方面，执笔器的改变，由一开始的机械固定到后来的控制类人手部握笔。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。综合以上所述的国内外绘画机器人的发展和现状，本文按照以下的方式对绘画机器人进行不同的分类以说明。
2.1按工作对象性质分类
按绘画机器人的工作对象可以分为水平面工作的机器人、垂直面工作的机器人、多平面工作的机器人和多维空间工作的机器人。
（1）水平面
是指工作空间在水平面的机器，模拟了人伏案写作时的姿态同时又能围绕自己的底座在360°的任意空间内进行绘制和写字。各杆件的移动空间大，相互间更易配合。

图2.1水平面作业的机械手臂

图2.2水平面作业的机器人
（2）垂直面
是指工作空间在垂直面的机器人，模拟人在黑板或墙壁上的姿势。各杆件的移动空间较狭窄，对杆件的长度和各杆件间的配合要求较高。手部（即末端执行器，以下简称“手部”）所受合力平行于工作面。

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

图2.4多平面作业的机械手臂
（4）2.5D，3D
可以不仅只在以XY为坐标的二维平面内作业，可以延伸到2.5维或3维，例如3D打印机。
2.2按机器人平台分类
绘画机器人按工作平台的不同可分为悬挂式、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轴的执笔器组成。图2.5为早期的绘画机器人Aaron正在绘制抽象风格的水彩画，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
单臂式的绘画机器人机械系统采用的是机械手的方式，它的灵活性更大，也可以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的Chyi-Yeu Lin设计制作的七自由度绘画机器人。图2.7是一个完整的单臂式三自由度绘画机器人。

图2.6台湾科技大学的机器人在作业

图2.7 三自由度的机械手臂CP robot
（3）悬挂单臂式
往后发展，制作出了悬挂于单臂相结合的悬挂单臂式绘画机器人。在保证手部可以大面积覆盖的同时又增加了灵活性，使这种绘画机器人所做出的图形和字体更为精确和逼真。

图2.8香港中文大学在高交会上展示的绘画机器人
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主要研究内容
3.1机械设计
（1）各杆件长度
（2）电机与减速器
（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执行器（即手部）相对参考坐标系的位置、姿态和速度与各关节变量间的关系，包括运动学正问题和运动学逆问题。运动学正问题是已知关节的位置和速度，求得末端执行器的位置、姿态和速度；反之，已知末端执行器的位置、姿态和速度，需求关节的位置和速度，以驱动各关节的电机旋转，使手部的位姿要求得到满足，这一工程称为运动学逆问题。本课题是已知末端执行器在垂直面的运动轨迹，涉及的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执行器的计算扭矩控制。前向动力学问题应用于机器人末端执行器计算机仿真和设计。本课题是可知某时刻机器人末端执行器的位置、速度和加速度求解各关节所需的驱动力或力矩，涉及的是动力学逆向问题。
3.3仿真
（1）工作空间仿真。
根据已知的工作空间确定各杆件的初始长度，利用MATLAB进行工作空间仿真，确定目前的方案是否有空洞或空腔的存在。如果存在，则需要微调杆件长度以提高工作空间的覆盖率。
（2）运动学仿真
利用ADAMS进行仿真分析，求得各关节的位移、速度、加速度。
（3）轨迹仿真
用多项式插值法进行轨迹规划的计算，用MATLAB进行仿真，得到的角速度数据导入ADAMS进行动力学仿真。
（4）动力学仿真
在考虑质量和外力的作用下，进行更符合实际情况的仿真分析，同样利用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，
控制与定位较复杂，
调试耗时久
方案三
机械手臂
灵活性高，
系统的扩展空间大
自由度越多控制越难
方案一：由导轨滑台为主要构件，以步进电机为驱动元件，直观简单地实现整个黑板的全面覆盖。
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：在方案一的基础上发展，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，轻巧便携的优点得到突出。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：采用机械手臂的形式，模仿人类的动作完成作业。

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
结合自身兴趣综合考虑后，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
结合自身能力综合考虑选择机电固定。
4.3电机
种类
特点
适用场合
直流有刷电机+减速箱+编码器
启动转矩大，成本低，速度和转矩比较适中
一般控制场合

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的场合
步进电机+减速箱
虽然是开环的但控制精度可以做到很高，控制成本较低；容易丢步使得转矩和速度特性都很一般
一般控制场合
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
要求较高的控制场合
直接驱动电机
具有较高的刚性，
几乎无摩攘
机械手臂

4.4减速器
机器人常用的减速器有以下几种：
编号
种类
优点
不足
适用场合
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
柔轮的刚度偏低
载荷要求不大的关节
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
机器人用减速器必须要满足体积小、精度高、重量轻、减速比大、刚度高等要求。靠近末端的关节可采用谐波减速器，靠近底座的关节应采用RV或行星减速器。但因为本课题涉及的绘画机器人属于轻型机器人，在满足条件的情况下可采用成本低、结构简单的方案三——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，结合轻型机械手的实际情况，机械手的直线运动由同步带来实现。同步带用于传递平行轴间的运动或将回转运动转换成直线运动。
机械手的旋转运动可由自带减速器、编码器的电机直接驱动，可有谐波齿轮带动。
5预定要求
（1）各关节的电机安装
（2）电机驱动力矩
（3）机械结构的方案设计
（4）机械结构设计及受力
（6）运动分析
6设计思路

7进度安排
1
通过广泛调研有关书籍、（国内、国外）文献，熟悉黑板绘画机器人的工作原理及相关动作，确定拟定的分析和解决问题步骤、内容，写出分析和解决问题的方案和开题报告，参加开题答辩
1月11号～3月10号
2
对机械结构方案进行详细设计
3月11号～3月16号
3
根据所设计的详细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的时间里
5月21号～5月29日
7
完成论文正稿编写、外文文献翻译，提交毕业论文全部资料
5月30日～6月05日

8设计的预期结果
（1）含有分析计算过程、详细步骤的符合任务书要求的毕业论文一份。
（2）模拟机械手臂工作时的运动仿真动画。
（3）合计工作量为1.5张A0图纸的工程图。
9参考文献
[1] 马晓花. 四自由度串联机械手轨迹规划研究[D].内蒙古工业大学,2010.
[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),2003,12:6-9.
[3] 邱桂林. 绘画机器人执笔器设计与控制方法[D].沈阳工业大学,2012.
[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.2009 IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent MechatronicsSuntec Convention and Exhibition CenterSingapore, July 14-17, 2009
[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,2009.
[7] 类延超. 五自由度写字机器人系统研究[D].山东大学,2012.
[8] Ka Wai Kwok; Sheung Man Wong; Ka Wah Lo; Yeung Yam.Genetic Algorithm-Based Brush Stroke Generation for Replication of Chinese Calligraphic Character. 2006 IEEE Congress on Evolutionary Computation, Sheraton Vancouver Wall Centre Hotel, Vancouver, BC, Canada, July 16-21, 2006:1057~1064.
[9] Gazeau Jean-Pierre, Zeghloul SaId.The Artist Robot_A robot drawing like a human artist. 2012 IEEE International Conference on Industrial Technology (ICIT), Athens,2012: 486 – 491.

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