第40卷?第3期?2018-03?
【9】
水下机器人的机械手臂设计与仿真
Simulation and design of manipulator of remote operated vehicle
张 吉1，田军委1，王 沁1，熊靖武1，史珂路2
ZHANG Ji 1, TIAN Jun-wei 1, WANG Qin 1, XIONG Jing-wu 1, SHI Ke-lu 2
（1.西安工业大学 机电工程学院，西安 710021；2.西安工业大学 电子信息工程学院，西安 710021）摘 要：针对水下机器人(ROV)应用于水下工作的要求，设计了一款在水深300M以下工作的四关节机械手臂。为了保证机械手臂可靠性，在对ROV的机械手臂在水下进行实际测试之前，我们完
成对机械手臂关节单元进行力学分析以及扭矩计算，并对机械手臂的驱动模块选型和详细的密封。同时，通过SoildWorks进行机械手臂的三维建模，并对机械手抓进行有限元分析仿真实验。实验结果表明本设计的机械结构强度满足工作要求。
关键词：水下机器人；机械手臂；可靠性；SoildWorks建模中图分类号：TH122 文献标识码：B 文章编号：1009-0134(2018)03-0009-04
收稿日期：2017-09-06
基金项目：陕西省科技统筹创新工程（2015KTZDGY-02-01）；陕西省工业科技攻关项目（2016GY-175）
作者简介：张吉（1991 -），男，山西朔州人，硕士研究生，研究方向为框架式水下机器人的设计与控制系统。
0 引言
ROV 广泛应用于水下救援、水下目标搜索、水下设备检查维护、水下考古、水下科研等领域。它可以代替人类在水下完成各种复杂的作业任务。而在此过程中ROV 必须配备机械臂才能完成水下作业任务[1]。水下机械臂必须满足以下要求：由于工作环境在水下，机械臂材料需要耐腐蚀性强、密封好、抗压性高；更具操作者的指令能够准确的定位完成水下作业；由于ROV 的本体很小，机械臂需要材质很轻。操作要灵活，操作范围不小于300mm ，抓取重量不低于1kg ，操作角度不低于60°。
1 整体结构设计说明与性能参数
1）机械臂的坐标形式与自由度的配置：考虑到ROV 在水下工作环境复杂，可能有杂物，礁石，动物和水草等物体，对机械臂的控制造成影响，并且需要机械臂具有非常好的壁障性，应对水下的复杂环境，完成抓取物体的任务[6,7]。因此选择关节坐标式机械臂，且采用双目视觉技术，就像人的眼睛控制双手抓取物体。机械臂自由度的个数是由其用途决定的；本文设计的机械手臂工作环境为水下，考虑到水下机械臂的设计要求和操作范围，将采用转动关节式结构，且将机械臂设定为四个自由度。机械臂自由度布置如图1所示。机械臂整体形态仿照人手臂设计，为方便实现手抓姿态调整，实现对目标的抓取动作，将机械臂自由度设定为关节1为水平面的旋转运动、关节2为竖直平面的小幅度转动，关节3为竖直平面的转动，关节四为竖直平面的摆动。四个自由度可以使机械臂能够更加容易抓取到水下的
物体。
图1 机械臂自由度设置
2）安装方式的确定：装于潜水器上的机械臂在水下进行作业时，应具备两方面的能力：为完成作业任务，提供必要的操作；保持潜水器有稳定的方位，因为机械手作业受到的反作用力会影响ROV 方位的稳定；故两只机械臂别设置在艇首头部的左、右两侧[5,8]。可以保证潜水器的平衡。
3）材料选型与性能参数：由于潜水器的本体非常小，所以要求安装的机械手臂必须满足轻型化、耐高压等要求。在负载允许的情况下采用密度小耐腐蚀的铝作为机械手臂的材料。经过运动分析发现双机械臂的运动最远可以达到如下位置，此时机械臂的关节2的运动角度为30°，而双目视觉测距模仿人眼观察物体，故机械臂的末端必须在视线范围内，再加上机械臂的操作角度不低于60°，因此关节1的转动角度定位60°。其中机械臂极限位置如图2所示。舵机的转动角度有90°、120°、180°、360°，其余各个关节的转动角度可以根据舵机的角度选取。
天津大学 毕业设计 中文题目：物料搬运机器人手部系统的设计 英文题目：Material handling system design robot Hand department 学生姓名 系别机电 专业班级 2 指导教 成绩评定 2010年6月
目录 1 引言 (1) 1.1 机器人概述 (1) 1.2 机器人的研究历史及现状 (1) 1.3 机器人的发展趋势 (2) 2 手部的设计与计算 (3) 2.1 手部的设计 (3) 2.2 驱动方式 (3) 2.3 手部夹紧力的计算 (5) 2.4 弹簧的计算[6] (5) 2.5 手部电机选择原则【7】........................... 错误！未定义书签。 2.5.1 一般执行电机的选择原则...................... 错误！未定义书签。 2.5.2 电机的选用.................................. 错误！未定义书签。 2.6 手部电机参数计算.............................. 错误！未定义书签。 2.7 电机转速与夹紧力速度几何关系的确定............ 错误！未定义书签。 3 手臂的设计与计算............................... 错误！未定义书签。 3.1 手臂结构设计.................................. 错误！未定义书签。 3.2 手部质量计算.................................. 错误！未定义书签。 3.2.1 爪子的质量计算.............................. 错误！未定义书签。 3.2.2 手部外壳质量计算............................ 错误！未定义书签。 3.2.3 手部主轴的质量计算.......................... 错误！未定义书签。 3.2.4 其它部件的质量估算.......................... 错误！未定义书签。 3.3 手臂计算及电机选择............................ 错误！未定义书签。 4 结论.......................................... 错误！未定义书签。【参考文献】................................... 错误！未定义书签。致谢............................................ 错误！未定义书签。附录1：英文文献 .................................. 错误！未定义书签。附录2：英文文献翻译 .............................. 错误！未定义书签。
水下机器人设计概述 摘要：由于海洋开发利用越来越受到人们重视，水下机器人有着广阔的应用前景。但是目前为止，还没有成熟固定的水下机器人设计方法。本文通过论述水下机器人的构成、水下机器人的构成、排水量的初步估算、艇形选择、重量重心的计算、浮力浮心的计算、阻力的测定与计算、有效功率的计算等阐明了水下机器人基本的设计思路。此外探讨了计算机在水下机器人设计中的应用。 关键字：水下机器人、设计、计算机辅助设计 一．水下机器人的构成 水下机器人由控制系统、载体、观通系统三大系统组成。控制系统是处理和分析内部和外部各种信息的综合系统，根据这些信息形成对载体的控制功能。观通系统是利用摄像机、照相机、照明灯、声纳、及多种传感器收集有关外界和系统工作的所有信息的装置。而载体则是装载控制系统和观通系统的基础和构架。 二．根据选择设备，初步估算排水量 跟据水下机器人的用途不同，水下机器的设备也有很大的差别。通常是根据设计任务书，分析各种性能参数，确定出合适的设备。选择设备应该使水下机器人的重量最轻，因为无论是从使用还是从经济性角度讲，排水量越小是越有利的。由于潜水器要保持重量和浮力的平衡，所以可以分别从重量和浮力两个不同的角度研究排水量与各主要要素间的关系。三．艇型选择 潜水器根据使命任务和技术要求的不同，其外型尺寸、结构型式都有很大的差异。由于潜水器的航速不高，阻力性能对其外形要求不高，因而除采用水滴形和常规型艇型之外，更多的潜水器外型设计是出于使用维修方便、布置合理等方面考虑，因此其外型可能显得不规则，特别是无人带线遥控潜水器，其典型形式是框架式结构。 四．耐压壳材料选择 常用的耐压壳有高强度刚、铝合金、钛合金、复合材料（包括玻璃、陶瓷、丙烯酸朔料等等）。由于水下机器人主要受到静水压力的作用，所以选择耐压壳要综合考虑下潜的深度、耐压壳的形状、材料特性等因素。另外由于海水腐蚀性强，耐压壳还要有一定的抗腐蚀的能力。 四．潜水器推进与操纵方式选择 潜水器由于任务不同，对推进和操纵的要求也不同。但综合起来，潜水器主要要求巡航、搜索和悬停三种水下运行方式。由于在水下有海流存在，为满足潜水器的使命任务，一般要求潜水器在悬停或近乎悬停状态下作6个自由度或者至少5个自由度运动，在水流作用下也能够作相应的机动，因此在选择推力系统时，必须考虑在要求的方向发出推力和力矩。例如其搭配方式可以为：两个可在垂直面内作3600旋转的导管推力器加水平舵和首推力器、并联可旋转的喷水推进器等等。 五．阻力的确定。 由于水下机器人的主体上搭载的附体较多，且有些机器人的艇形是框架式的，所以用计算流体力学是很难得出其所受的阻力，即便算出也会因为误差太大而无法应用。所以阻力的确定主要是通过试验的方法。如果试验条件限制，或者机器人体积过大，则需要进行模型试验。根据相似理论，满足主要影响因素，保证模型和实体的弗罗德数或者雷洛数相等，测出水下机器人的摩擦阻力系数、形状阻力系数经过换算，得出实体的阻力。
实验报告 （理工类） 课程名称: 机器人创新实验 课程代码: 6003199 学院(直属系): 机械学院机械设计制造系 年级/专业/班: 2010级机制3班 学生姓名: 学号: 实验总成绩: 任课教师: 李炜 开课学院: 机械工程与自动化学院 实验中心名称: 机械工程基础实验中心
一、设计题目 工业机器人设计及仿真分析 二、成员分工：（5分） 三、设计方案：（整个系统工作原理和设计）（20分） 1、功能分析 工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既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、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，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缺少的自动化设备。 本次我们小组所设计的工业机器人主要用来完成以下任务： （1）、完成工业生产上主要焊接任务； （2）、能够在上产中完成油漆、染料等喷涂工作； （3）、完成加工工件的夹持、送料与转位任务； （5）、对复杂的曲线曲面类零件加工；（机械手式数控加工机床，如英国DELCAM公司所提供的风力发电机叶片加工方案，起辅助软体为powermill，本身为DELCAM公司出品）
水下作业型机械手的关键技术及发展趋势研究 水下机械手可以协助水下HOV、ROV、AUV完成海洋中的勘察、钻探、搬运等工作，为探索海洋，开发海洋提供支持。文章主要通过介绍国内外典型水下机械手的实例，分析了水下机械手的发展现状和关键技术，并对未来水下作业机械手发展趋势做出展望。 标签：水下机械手；水下作业；关键技术；发展趋势 Abstract：Underwater manipulator can assist underwater HOV，ROV，AUV to complete the exploration，drilling，transportation and other work in the ocean，and provide support for exploring and developing the ocean. This paper mainly introduces the examples of typical underwater manipulator at home and abroad，analyzes the development status and key technology of underwater manipulator，and makes a prospect on the development trend of underwater manipulator in the future. Keywords：underwater manipulator；underwater operation；key technology；development trend 引言 海底资源的探索、发掘与开采都离不开水下作业工具，随着国际竞争日趋从陆地过渡到深海，海洋已逐渐成为世界各国利益争夺的主要战场，各种水下作业工具应运而生[1]。水下作业工具的主要功能“作业功能”的实现离不开水下机械手的配合。而搭载着各种专业水下机械手的水下机器人可以完成例如采样，捕捉，挖掘等工作。本文通过介绍国内外典型水下机械手的实例，对水下机械手的发展现状和关键技术进行分析，并对未来水下作业机械手发展趋势做出展望。 1 水下机械手发展现状 美国在上世纪60年代首先研制出深海载人潜水器“阿尔文”号，开创了人类探测海洋资源的历史。它在海洋4500米的深度中可以进行科学考察，尤其针对海底的资源，例如矿流，可采取非常精准的取样。它的水下作业系统是由美国NOSC公司主持研制的WSP机械手，此水下机械手的综合水平在现在来说都是比较成功和具有典型性的。它设计为三只机械手，其中两只机械手主要实现抓握功能，另一只机械手设计为灵巧的作业机械手。此航行器作业时可直接在水下自动更换工具而不需要返回水面[2]。 1989年，日本制造出了名为“深海6500”的深海载人潜水器，此水下作业装置的下潜深度可以达到水深6500 米。工作人员可以利用它装载的水下机械手配合其携带的可旋转采样篮进行取样作业[3]。图1为“深海6500”载人潜水器搭载的水下作业机械手。
机器人机械手机构设计 1、搬运机器人手臂机构设计 毕业论文任务书 工作原理及工艺过程： 机械人手臂机构是模仿人的手臂设计的，这种机器人有肩、肘、腕三个关节自由度，有大臂、小臂两根连杆以及一个机械手组成。臂杆部分是开式连杆系，臂杆主要用于对物体的抓取、搬运、放置工作。 任务： （1）根据工艺动作顺序和协调要求给出拟定总体结构方案 （2）进行大臂机构、小臂机构以及机械手机构设计 （3）给出主要零件图以及总体装配图 （4）编写设计说明书 (5) 机械手三维建模工作仿真动画
2、堆垛机器人机械手臂机构设计 工作原理及工艺过程： 机械人手臂机构是模仿人的手臂设计的，这种机器人有肩、肘、腕三个关节自由度，有大臂、小臂两根连杆以及一个机械手组成。臂杆部分是开式连杆系，臂杆主要用于对物体的抓取、搬运、放置工作。 任务： （1）根据工艺动作顺序和协调要求给出拟定总体结构方案 （2）进行大臂机构、小臂机构以及机械手机构设计 （3）给出主要零件图以及总体装配图 （4）编写设计说明书 (5) 机械手三维建模工作仿真动画 3、喷涂机器人手臂机构设计
工作原理及工艺过程： 喷涂机器人又叫喷漆机器人，是可进行自动喷漆或喷涂其他涂料的工业机器人喷漆机器人主要由机器人本体、计算机和相应的控制系统组成。多采用5或6自由度关节式结构，手臂有较大的运动空间，并可做复杂的轨迹运动，其腕部一般有2～3个自由度，可灵活运动。 任务： （1）根据工艺动作顺序和协调要求给出拟定总体结构方案 （2）进行大臂机构、小臂机构以及机械手机构设计 （3）给出主要零件图以及总体装配图 （4）编写设计说明书 (5) 机械手三维建模工作仿真动画 4、装配机器人手臂机构设计 工作原理及工艺过程： 机械手由机座、机械臂、手爪、PLC 可编程控制器及气源等部分组成。可以完成水平臂的摆动和伸缩、垂直臂的伸缩、手爪的旋转和抓取物料等动作, 准确地把物料送到指定位置。 任务： （1）根据工艺动作顺序和协调要求给出拟定总体结构方案 （2）进行大臂机构、小臂机构以及机械手机构设计 （3）给出主要零件图以及总体装配图 （4）编写设计说明书 (5) 机械手工作仿真动画
水下机器人 一、摘要 摘要:无人遥控潜水器，也称水下机器人。一种工作于水下的极限作业机器人，能潜入水中代替人完成某些操作，又称潜水器。水下环境恶劣危险，人的潜水深度有限，所以水下机器人已成为开发海洋的重要工具。本文从过去、现在、未来三个时间段介绍了水下机器人，并且就其中的关键技术也简要做了介绍，全方面的认识了水下机器人。 关键字：水下机器人、潜水器、海洋 Abstract :No one remote control submersibles, also called the underwater robot. A kind of work in the limit of the underwater robot homework, can submerge instead of people finish some operating, and calls the scuba machine. Underwater environments are dangerous, the person's diving depth is limited, so underwater robot has become an important tool development of ocean. This article from the past, present, and future three time underwater robot is introduced, and the key technology is briefly introduced, all aspects of the understanding of the underwater obot. Key words: underwater robot、scuba machine、ocean 二、引言 海洋这一广阔的水域，蕴藏着丰富的矿产资源、海洋生物资源和能源，是人类社会可持续发展的重要财富。研究和合理开发海洋，是对人类的经济和社会发展具有重要的意义。随着科学技术的发展，人类已经进入了开发和利用海洋的时代。在各种海洋技术中，作为用在一般潜水技术不可能到达的深度进行综合考察和研究并能完成多种作业的水下机器人，使海洋开发进入了新时代。 从20世纪30年代，美国研制出了第一台现代意义上的潜水器开始，无人遥控潜水器，也称水下机器人，开始进入人类的发展史，虽然只有短短的几十年，但其却发挥了极大的作用，为人类在海洋等水域的探索开发提供了有力的支持。由于水下机器人目前多用于海洋，故也可称为海洋机器人。而且水下作业对于人来说是一项危险作业，特别是在深海作业更加的危险，在10000米深的深海中，其压力是地面压力的1000倍，那里是迄今为止人类难以到达的地方。海底，特别是深海海底对人类还是一个未知世界。水下机器人主要用于海洋开发、打捞、扫雷、侦察、援潜、救生等。 而在近几十年，水下机器人的发展是非常迅速的。在信息技术的支持下，其发展趋势向着以下几个方面发展：一是水深普遍在6000米；二是操纵控制系统多采用大容量计算机，实
摘要 状配是产品生产的后续工序, 在制造业中占有重要地位, 在人力、物力、财力消耗中占有很大比例，所以为了节约装配时间，实现装配的自动化，装配机器人应运而生。本文介绍了装配机器人的设计过程，其中绪论中介绍了设计的背景和意义，还有简要的设计要求，然后根据设计要求先进行机器人的总体设计，接着针对每个部分进行了具体的结构设计，最后为该机器人设计了一套单片机控制系统。所设计的机器人为关节型机器人，自由度为六个；应用步进电机来驱动每个关节的运动；在减速器设计中应用了结构紧凑的谐波齿轮减速；在传动过程应用了同步带传动；机器人的控制系统为基于单片机STC89C52的控制步进电机的控制系统。 关键词：工业机器人；谐波齿轮减速；单片机控制；生产线
Abstract Assembly is a follow-up production processes in the manufacturing sector, which plays an important role in the manufacturing. It takes a large proportion in the consumption of human, material and financial, so in order to save assembly time, to achieve the automation of the assembly, the assembly robot came into being. This article describes the design process of the assembly robot. There are the background and significance of the design in the introduction, which followed by a brief design requirements. And then it is described the overall design of the robot according to the requirements, and then the concrete structure design. Finally, a microcomputer control system for the robot is designed. The robot is articulated robot of 6 degrees of freedom. Stepper motor is applied in driving the movement of each joint. The harmonic gear is applied in the compact design. Timing belt is used in the transmission process. The control system which mainly controls the stepper motors is based on microcontroller STC89C52 Keywords: Industrial robots; harmonic gear; microcomputer control;
工业机器人内部结构及基本组成原理详解 工业机器人详解 你对工业机器人有着什么样的了解？关于工业机器人，我们过去也反反复复推送了很多的文章，在这一次，我们将尝试解决有关---在工业环境中使用的最常见的机器人和作业时经常会遇到的问题。关于工业机器人定义什么可以被 认为是一个工业机器人？什么不能被称为工业机器人？工业机器人直到最近才能避开这种混乱。不是在工业环境中使 用的每个机电设备都可以被认为是机器人。根据国际标准组织的定义，工业机器人是一种可编程的三自由度或多轴自动控制的可编程多用途机械手。这几乎是在谈论工业机器人时被接受的定义。工业机器人自中年以来发生了什么变化？越来越多的工程师和企业家正在寻找越来越多的机器人技术，帮助在工业环境中优化工作流程的方式。随着时代的发展和机器人技术的进步，机器人手臂必须为诸如仓储中使用的群组AGV等新手铺路。我们经常说典型的工业机器人 由工具，工业机器人手臂，控制柜，控制面板，示教器以及其他外围设备组成。那么这些是什么？这些部分通常都在一起，控制柜类似于机器人的大脑。控制面板和示教器构成用户环境。工具（也称为末端执行器）是为特定任务设计的设备（例如焊接或喷涂）。机器人手臂基本上是移动工具的
东西。但并不是每个工业机器人都像一个手臂。不同机器人有不同类型的结构。控制面板--- 操作员使用控制面板来执行一些常规任务。（例如：改变程序或控制外围设备）。应用“机器人工人” --------- 什么时候应该使用工业机器人而不是人工？相信这个问题大家思考的次数并不少了。理想情况下，这应该是双赢的。想快速看到效果，你需要知道什么是别人最不喜欢的工作。想得最多的是那些重复的，乏味的工作，需要从工作人员那边进行大量单调的行动，这个思考是正确的，因为正是如此，例如从一个输送机到另一个输送机。如果总是相同的任务，您可以使用专门针对您的需求量身定制的自动化解决方案。工厂的工作处理需要越来越灵活，在这些情况下，正确的解决方案是：可以试用用于不同任务的可重新编程的机器人进行任务操作。此外，就是那些对人类工作有害的任务。（例如：用危险化学品进行表面处理，这是在有害环境中工作。在许多情况下，长期使用机器人比聘用工人更聪明和便宜。）当然，还有的是人类难以操作的工作。（例如：举或搬运重物或在不适合人类生活的条件下工作。）同样，在许多这些情况下，可以应用特定的自动化解决方案。然而，如果任务需要灵活性处理，还需要考虑要用到的机器人。以下是最常见的机器人应用程序列表：电弧焊、部件、涂层、去毛刺、压铸、造型、物料搬运、选择、码垛、打包、绘画、点焊、运输，仓储关于工业机器人的
浙江工贸职业技术学院 毕业设计（论文）课题名称：机器人手臂机构
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期： 指导教师签名：日期： 使用授权说明 本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名：日期：
学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名：日期：年月日 导师签名：日期：年月日
中国海洋大学工程学院 机械电子工程研究生课程考核论文 题目： AUV水下机器人运动控制系统研究报告课程名称：运动控制技术 姓名：李思乐 学号： 21100933077 院系：工程学院机电工程系 专业：机械电子工程 时间：2010-12-26 课程成绩： 任课老师：谭俊哲
AUV水下机器人运动控制系统设计 摘要：以主推加舵控制的小型自治水下机器人为研究对象，建立了水下机器人的数学模型并进行了分析。根据机器人结构的特点，对模型进行了必要的简化。设计了机器人的运动控制系统。以成功研制的无缆自治水下机器人(AUV) 为基础，对其航行控制和定位控制方法进行了较详细的分析. 同时介绍了它的推进器布置、控制系统结构、推力分配等方法。最后展示了它的运行实验结果。 关键词：水下机器人；总体设计方案；运动控制系统；电机仿真 1 引言 近年来国外水下机器人技术发展迅速，技术水平较高。其中，具有代表性的产品有：美国Video Ray 公司开发出的Scout、Explorer、Pro 等系列遥控式水下机器人，美国Seabotix公司研发的LBV-ROV 系列，英国AC-CESS 公司的AC-ROV系列。 随着海洋开发、探测的需求越来越强，水下机器人成为全世界研究的热门课题。小型自治水下机器人具有低成本、小型化、操作灵活等特点成为近年来国内外研究的热点。自治水下机器人（Autonomous Underwater Vehicles, AUV）,载体采用模块化设计思想, 可根据需要适当增减作业或传感器模块, 载体采用鱼雷状流线外形, 总长约2 m, 外径25 cm, 基本模块包括推进器模块、能源模块、电子舱模块、传感器模块以及GPS、无线电通讯模块, 基本传感器有姿态传感器、高度计、深度计和视觉传感器, 支持光纤通讯, 载体可外挂声学设备, 通过光纤系统进行遥控操作可实现其半自主作业, 也可在预编程指令下实现自主作业。系统基本模块组成设计如图1-1所示[1]。它具有开放式、模块化的体系结构和多种控制方式（自主/半自主/遥控），自带能源。这种小型水下机器人可在大范围、大深度和复杂海洋环境下进行海洋科学研究和深海资源调查，具有更广泛的应用前景。在控制系统的设计过程中充分考虑了系统的稳定性和操纵性。控制器具有足够的鲁棒性来克服建模误差，以及水动力参数变化。 图1-1 系统基本模块组成设计 2机器人物理模型 2.1 AUV 物理模型 为了研究AUV 的运动规律，确定运行过程中AUV 的位置和姿态，需要建立AUV 的动力学模型。为了便于分析，建立适合于描述AUV 运动的两种参考坐标系，即固定坐标系Eξηζ 和运动坐标系Oxyz，如图2-1 所示：包含5 个推进器，分别是艉部的2 个主推进器、艉部的1 个垂向推进器和艏部的2 个垂向推进器。左右对称于纵中
一种码垛机器人的设计与仿真 节 1.01 摘要 21世纪，科学技术的发展可谓日新月异，各种信息技术的不断发展进步，推动着社会生产的各个领域的进步，尤其是自动化技术的应用。码垛技术是近年来活跃在物流自动化领域的一项新兴的技术。码垛技术的概念是指在日常的物流运输的过程中，为了实现实现物料的搬运、装卸等物流的活动，设计一定的物料的堆码成垛的模式，这种模式是基于集成单元化的思想之上的，这种堆码成垛实现物流运输的技术就是码垛技术。 我们在实现码垛技术的同时，发明了相关的码垛机器人。码垛机器人是基于码垛技术而产生的，它是一种具备特殊功能的机器人，具有垂直的多关节型的特点。码垛机器人自产生以来，已经广泛应用于社会生产的不同的专业领域，比如食品加工、石油化工等。对于不同的物流对于码垛要求参数的不同，码垛机器人可以通过自身的主计算机进行相应的参数的设置，从而进一步实现不同产品包装的码垛要求。现代物流的发展，对于码垛机器人的要求也呈现出越来越高的趋势，比如物料的码垛的精度的提高，是的码垛机器人必须具有一定的刚度和强度，防止搬运过程中出现差池。 本文主要是设计一种码垛机器人的机械部分，应用于自动化生产线的物料的码垛。在进行码垛机器人的设计的时候，主要是结果机械、电子以及码垛机器人的软件等方面，根据不同方面的特点进行综合的分析，实现码垛机器人的设计。 关键词：码垛技术，机器人，有限元分析，运动仿真 Abstract In the 21st century, the development of science and technology is changing, all kinds of the continuous development of information technology progress, push the progress of the various fields of social production, especially the application of automation technology. Stacking technology is active in recent years a new technology in the field of logistics automation. Stacking technology refers to the concept of in the daily logistics transportation process, in order to achieve the
目录 1 前言 (1) 1.1 工业机器人简介 (1) 1.2 世界机器人的发展 (2) 1.3 我国工业机器人的发展 (3) 1.4 本设计的内容和目的 (4) 1.4.1 臂力的确定 (4) 1.4.2 工作范围的确定 (4) 1.4.3 确定运动速度 (5) 1.4.4 手臂的配置形式 (6) 1.4.5 位置检测装置的选择 (6) 1.4.6 驱动与控制方式的选择 (6) 2 手部结构 (7) 2.1概述 (7) 2.2 设计时应考虑的几个问题 (7) 2.3 驱动力的计算 (8) 2.4 两支点回转式钳爪的定位误差的分析 (11) 3 腕部的结构 (13) 3.1 概述 (13) 3.2 腕部的结构形式 (14) 3.3 手腕驱动力矩的计算 (15) 4 臂部的结构 (18) 4.1 概述 (18) 4.2 手臂直线运动机构 (19) 4.2.1 手臂伸缩运动 (19) 4.2.2 导向装置 (20) 4.2.3 手臂的升降运动 (21) 4.5 臂部运动驱动力计算 (22) 4.5.1 臂水平伸缩运动驱动力的计算 (22) 4.5.2 臂垂直升降运动驱动力的计算 (24) 4.5.3 臂部回转运动驱动力矩的计算 (24) 5 液压系统的设计 (26)
5.1 液压系统简介 (26) 5.2 液压系统的组成 (26) 5.3 机械手液压系统的控制回路 (27) 5.3.1 压力控制回路 (27) 5.3.2 速度控制回路 (28) 5.3.3 方向控制回路 (28) 5.4 机械手的液压传动系统 (29) 5.4.1 上料机械手的动作顺序 (29) 5.4.2 自动上料机械手液压系统原理介绍 (30) 5.5 机械手液压系统的简单计算 (34) 5.5.1 双作用单杆活塞油缸 (34) 5.5.2 无杆活塞油缸（亦称齿条活塞油缸） (37) 5.5.3 单叶片回转油缸 (39) 5.5.4 油泵的选择 (41) 5.5.5 确定油泵电动机功率N (41) 6 结束语 (43) 致谢 (44) 参考文献 (45)
一种用于辅助外科手术的机械臂设计 摘要：本文主要针对机器人与计算机辅助外科手术系统，设计了一种可用于辅助立体定向手术的机械臂。机械臂由机械臂本体、关节制动器组成，文章分别对机械臂本体和关节制动器的结构进行了设计和计算，使得机械臂能够测量其测量范围内任意一点相对于它自身的位置并能够在任意位置固定不动，具有较高的测量精度。最后将机械臂应用与立体定向手术，取得了令人满意的效果。 关键词：机器人与计算机辅助外科手术系统、机械臂、立体定向手术 1、引言 近几年来，医疗机器人与计算机辅助医疗外科技术（Medical Robot and Computer—Assisted Surgery）已经成为在多学科交叉领域中兴起，并越来越受到关注的机器人应用前沿研究课题之一。它是基于计算层面扫描图象或核磁共振图象的三维医疗模型，对医疗外科手术进行规划和虚拟操作，最后实现多传感器机器人的辅助定位和操作。人们预计开展这方面的研究，不仅在手术精确定位、手术最小创伤、手术质量等方面将带来一系列的技术变革，而且将改变常规医疗外科的许多概念，对新一代手术设备的开发与研制产生深远的影响，并对智能机器人、计算机虚拟现实、微机械电子学等相关学科的理论与技术发展也将产生积极的推动作用[1-3]。 迄今为止，国内外已研究和开发了多种医用机器人系统，适用的范围也越来越广。据有关报道，1998年德国的T.C.Lueth研究了基于并联机器人机构的用于头部外科手术的机器人手术系统[4]；1998年美国的J.Kenneth Salisbury，Jr研究了心瓣修补手术的遥操作机器人系统[5]；1999年美国的S.Shankar.Sastry 研究了用于显微外科的微创伤机器人系统[6]。从资料上看，医用机器人系统的研究主要集中于西方发达国家，尽管已经取得了一些成果，但能真正用于临床应用的还不多。 相比而言，国内在此方面的研究多限于医疗图象的处理和识别方面。对于机器人辅助外科手术以前少有问津。近年来，清华、北航、哈工大和上海光机所分别在仿生器械、医疗外科机器人和微机器人等方面开展了初步研究。 值得一提的是北航机器人研究所和海军总医院神经外科中心联合开发的机器人与计算机辅助外科手术系统(CRAS-BH1系统)已经用于辅助立体定向手术[7]。该系统是一种用于立体定向手术的医疗外科机器人系统。立体定向外科手术是医生通过CT图片计算出病灶点在框架坐标系中的三维坐标位置(X,Y,Z)，然后在病人颅骨上钻一个小孔，将外科手术器械通过探针导管插入病人脑中，达到CT图像上定位的靶点，最后对病灶点进行切除操作的一项外科技术。开发机器人与计算机辅助外科手术系统的目的是利用机器人和计算机技术、医务人员借助图象导引辅助规划手术系统、确立手术方案。然后在机器人末端导向装置的导引下，将外科手术器械(如探针)引入脑内，辅助医务人员进行手术操作。 CRAS-BH1系统的总体结构框图如图1所示。该系统中PUMA262机器人和六自由度机械臂起到了相当重要的作用。PUMA262机器人主要作为手术辅助操作单元，六自由度机械臂主要用于控制图象。该系统经受了临床实验的考验，填补了我国在机器人辅助外科手术领域中的空白。但是，该系统在以下几个方面尚待改进： 第一，由于该系统包含价格昂贵的PUMA262机器人，使之在将来的推广应用中受到了极大的限制。 第二，现有的六自由度机械臂精度不高，难以满足使用要求。 第三，该系统中PUMA262机器人和六自由度机械臂其实都是“机器人”，但是由于其功能的局限性而不得不在此系统中采用了两个“机器人”。 就六自由度机械臂而言，其优势是各关节没有制动装置，因而操作灵活，可方便地应用于操作图象，这
? 117 ? ELECTRONICS WORLD? 技术交流 本文主要结合相关的研究背景设计了一种水下清洁机器人，作为一种水下设备的清洁维护的机器人，保障水下设备的正常运行。文章首先在引言部分对本文的研究背景及意义进行阐述，然后重点提出了水下清洁机器人运动控制系统的总体设计方案，并对其运动模型进行设计和仿真。 1 引言 海洋开发逐渐向特殊领域以及高深度领域转变，难度越来越大，人力开发已经完全不能够满足开发的需求，机器人开发已经成为了新趋势。本文主要在此背景下分析和研究水下清洁机器人的运动控制系统的设计。本文设计的水下清洁机器人主要是用于对水下的一些大型设备，例如海底搜救设备、勘测设备、取样设备等进行水下维护和修复等，能够在水下特殊环境中对海底设备进行维护和处理，能够较大程度上的促进海底开发技术的发展。 2 水下清洁机器人运动控制系统总体设计 2.1 水下清洁机器人运动控制流程 本文设计的水下清洁机器人的控制系统主要由主机、控制算法、控制电路、指令转换、机器人载体、采样设备等组成，具体的控制流程为：主机控制算法进行水下机器人的动力分配，并结合指令转换算法进行整理转换，结合控制电路开启操控箱，下达操作指令，机器人载体接到命令驱动机器人进行采样，采集样本之后将样本信息传递到主机处理系统当中，进行处理。 2.2 模拟运动控制平台结构设计 水下机器人的运动控制平台主要包括六个部分：步进电机、云台、安装板、推进器、U型板以及轴承等。其中云台主要实现的是2自由度的运动，包括水平和横向两个方向。本文模拟的控制平台主要实现的是3自由度的运动控制，除了上述2自由度之外，还包括前后摇摆自由度。由于多了一个自由度，因此需要对运动进行定位，该运动平台的定位主要由带套轴承和法兰轴组成固定左侧，由带套轴承和电机轴固定右侧，右侧的电机由法兰固定，由此就设计出了一个6自由度的模拟运动控制平台（边宇枢，高志慧，贠超，6自由度水下机器人动力学分析与运动控制：机械工程学报，2007）。 2.3 地面操控台结构设计 地面操控台主要是对上述的模拟运动控制平台进行控制，地面操控台主要包括显示器、操纵杆、按钮以及指示灯等。其中操纵杆有2个，一个用来控制云台的摄像机，一个用来控制模拟运动平台，面板主要是结合人体舒适度进行设计，角度定为70°（裴文良，郭映言，陈金山，申龙，水下机器人的研发及其应用：制造业自动化，2018）。 3 水下机器人运动模型及仿真分析 该部分主要对上述设计的水下机器人的运动模型以及仿真进行分析： 3.1 水下机器人的运动学建模 为了便于我们对机器人参数和变量的统一管理，可以定义以下 状态变量： 其中 ，，即用η1和η2分别表示稳定系下水下机器人的位置向量和方向向量，用v1和v2分别表示动态系下水下机器人的线速度和角度，用τ1和τ2表示在动态系下作用于水下机器人的力和力矩向量。 水下机器人的速度变量由稳定系转换成为动态系，从而通过动态控制器实现对运动的控制，同时要获得水下机器人的静态位置和姿态就必须要将水下机器人的速度变量由动态系转换成为稳定系，从而得到水下机器人的位置矢量。由此可知，在研究水下机器人状态时，需要分析和研究机器人速度变量的动态和静态的转变。 3.2 基于神经网络的轨迹控制器 本文主要设计了基于神经网络模型的水下机器人的运动轨迹控制器，具体的控制流程如下：当机体接收到信号后，传递到控制器，再通过执行器作用于机体，做出相应的动作，机器人本身还具有抗干扰的功能。输出与控制器之间用RBF网络连接。（朱大奇，陈亮，刘乾，一种水下机器人传感器故障诊断与容错控制方法：控制与决策，2009） 3.3 水下机器人神经网络轨迹控制的仿真 结合上述设计的基于神经网络模型的水下机器人的运动轨迹控制器，采用MATLAB进行仿真如下。该控制器设计的目的是实现对水下机器人运动状态的识别和跟踪，通过分析水下机器人的水下运动情况，结合轨迹参考实现了未知动力学的局部精确逼近和部分神经网络权值的收敛，从而奠定一定的学习控制器基础。 结合神经网络的训练实验得到，在神经网络权值的训练过程中，一些神经网络的权值最终收敛，可以作为神经网络的常数权值存储。在自适应神经网络控制器的作用下，将被控系统未知动态分量的局部精确逼近。 水下清洁机器人运动控制系统设计研究 （下转第121页）
三自由度机械手臂设计 姓名：苏文杰班级：机自4班 学号：24121901188 序号：24 2015年6月3日
三自由度机械手臂设计 用途：在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，工业机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平，目前，工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取示教再现的方式。 本文将设计一台四自由度的工业机器人，用于给冲压设备运送物料。首先，本文将设计机器人的底座、大臂、小臂和机械手的结构，然后选择合适的传动方式、驱动方式，搭建机器人的结构平台；在此基础上，本文将设计该机器人的控制系统，包括数据采集卡和伺服放大器的选择、反馈方式和反馈元件的选择、端子板电路的设计以及控制软件的设计，重点加强控制软件的可靠性和机器人运行过程的安全性，最终实现的目标包括：关节的伺服控制和制动问题、实时监测机器人的各个关节的运动情况、机器人的示教编程和在线修改程序、设置参考点和回参考点。 该设计的目的是为了设计一台物料搬运机器人，利用现有已经报废的焊接机器人，本文的中结构设计主要偏向于对原有机构的改造和机械手的设计。 动力源 采用电源
驱动方式 该机器人一共具有四个独立的转动关节，连同末端机械手的运动，共需要五个动力源。机器人常用的驱动方式有液压驱动、气压驱动和电机驱动三种类型。 机器人驱动系统各有其优缺点，通常对机器人的驱动系统的要求有：1）．驱动系统的质量尽可能要轻，单位质量的输出功率要高，效率也要高； 2）．反应速度要快，即要求力矩质量比和力矩转动惯量比要大，能够进行频繁地起、制动，正、反转切换； 3）．驱动尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小； 4）．安全可靠； 5）．操作和维护方便； 6）．对环境无污染，噪声要小； 7）．经济上合理，尤其要尽量减少占地面积。 基于上述驱动系统的特点和机器人驱动系统的设计要求，本文选用直流伺服电机驱动的方式对机器人进行驱动。 传动方式 由于一般的电机驱动系统输出的力矩较小，需要通过传动机构来增加力矩，提高带负载能力。对机器人的传动机构的一般要求有： （1）结构紧凑，即具有相同的传动功率和传动比时体积最小，重量最轻； （2）传动刚度大，即由驱动器的输出轴到连杆关节的转轴在相同的
《认识平行四边形》说课稿 大家好!今天我要为大家讲的课题是《认识平行四边形》。首先，我对本节教材进行简单分析: 一、说教材 1、教材地位分析 《认识平行四边形》是义务教育课程标准实验教科书（苏教版）数学四年级下册的内容，是“平行四边形和梯形”的第一课时。这节课是在学生已经直观认识平行四边形，初步掌握了长方形、正方形的特征及垂直概念的基础上，通过一系列的探究实践活动继续认识平行四边形的特性、底和高，为以后学习平行四边形面积打基础，有利于提高学生动手能力，增强创新意识，进一步发展学生对“空间与图形”的学习兴趣。 2、教学目标 根据上述教材分析，考虑到学生已有的认知结构心理特征，我将本课的教学目标定为以下几点： 知识目标：使学生在图形具体的活动中认识平行四边形，知道它的基本特征；能正确判断平行四边形；认识平行四边形的底和高，能正确测量和画出它的高。 能力目标：使学生在观察、操作、比较、判断等活动中，经历探索平行四边形的基本特征的过程，进一步积累认识图形的经验，发展空间观念。 情感目标：使学生体会平行四边形在生活中的广泛应用，培养数学应用意识，增强认识平面图形的兴趣。 3、重点，难点 本着课程标准，在吃透教材的基础上，我确立了如下的教学重点、难点： 重点：掌握平行四边形的特征；认识平行四边形的底和高；会测量平行四边形底所对应的高。 难点：会画平行四边形底所对应的高。 二、说教法 新课标指出教无定法，贵在得法，就是教学活动必须建立在学生的认知发展水平和已有的知识经验基础之上。因此本节课，我将以学生为主体，发挥教师的组织、引导与合作的作用，运用以下教法组织教学： 1 1、直观演示法。 凡是需要知道的事物，都要通过事物本身来进行教学，由于小学阶段的学生的逻辑思维仍须以具体形象为支柱，所以在教学中我选用了长方形框架教具演示长方形渐变为平行四边形的过程、用各种生活中常见的图片使学生感知平行四边形。这样不仅把数学的抽象概念形象化了，而且还发展了学生的观察能力和思维能力。 2、活动体验法。 《课标》指出：“学生是数学学习的主人，教师是数学学习的组织者、引导者与合作者。”学生只有亲身经历知识的形成，才能真正理解知识和运用知识。在本节课中，通过“感知-猜想－操作－测量－演示－验证－结论”等一系列“做数学”的活动，让学生在体验中学会探究、学会创造。既锻炼了学生的动手操作能力，也使学生在学到数学知识的同时还体验到了成功的喜悦。 三、说学法