基于 Arduino樹干噴涂機器人設(shè)計

基于 Arduino樹干噴涂機器人設(shè)計,基于,Arduino樹干噴涂機器人設(shè)計,arduino,樹干,噴涂,機器人,設(shè)計 大大連大大學學2017屆屆學學生生畢業(yè)論文文(設(shè)計)中中期期檢查表表題目樹干噴涂機器人設(shè)計指導(dǎo)教師李洋流職稱講師學生姓名唐磊生閱讀文獻數(shù)19初稿完成時間2017-05-08工 作 量較少 適中 較多出勤情況較好一般 較差 工作進度快按進度進行 慢 任 務(wù) 書有開題報告有中期工作結(jié)論優(yōu)調(diào)整情況無教研室主任意見同意教研室主任(簽名)：賈衛(wèi)平日期：2017-04-25學院意見同意教學院長(簽名)：賈衛(wèi)平日期：2017-04-25畢業(yè)論文(設(shè)計)任務(wù)書 論文(設(shè)計)題目：樹干噴涂機器人設(shè)計 工作日期：2016年12月05日 ~ 2017年06月05日 1.選題依據(jù): 噴涂機器人又叫噴漆機器人（spray painting robot）， 是可進行自動噴漆或噴涂其他涂料的工業(yè)機器人。噴漆機器人主要由機器人本體、計算機和相應(yīng)的控制系統(tǒng)組成，液壓驅(qū)動的噴漆機器人還包括液壓油源，如油泵、油箱和電機等。多采用5或6自由度關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，手臂有較大的運動空間，并可做復(fù)雜的軌跡運動，其腕部一般有2～3個自由度，可靈活運動。噴漆機器人一般采用液壓驅(qū)動，具有動作速度快、防爆性能好等特點。 2.論文要求(設(shè)計參數(shù)): 以電機驅(qū)動小車底盤，小車前部裝有超聲波傳感器，對樹干區(qū)域進行檢測，同時對樹干所在位置進行定位。在底盤上設(shè)計噴涂機械手臂，模擬樹干噴涂過程，實現(xiàn)手臂回轉(zhuǎn)，機器人主體即機座、臂部、腕部和終端執(zhí)行機構(gòu)，是一個帶有旋轉(zhuǎn)連接和服電機的一系列的機械連接，使用輪系型減速器。實現(xiàn)噴涂機器人的噴涂動作。 3.個人工作重點: 噴涂機器人的噴涂效果與物體表面形狀、噴涂過程參數(shù)等諸多因素有關(guān)。為了達到新的噴涂作業(yè)標準,實現(xiàn)高效低成本的生產(chǎn)目標,對新噴涂建模的分析以及高性能噴涂機器人軌跡優(yōu)化算法。 4.時間安排及應(yīng)完成的工作: 第1周：收集研究方向相關(guān)資料、研究資料。第2周：閱讀參考文獻，確定研究內(nèi)容。 第3周：撰寫開題報告，擬訂總體設(shè)計方案。第4周：修改、完善開題報告；完成文獻翻譯。第5周：完成系統(tǒng)總體方案設(shè)計。 第6周：主要器件選型，主要結(jié)構(gòu)搭建。 第7周：繪制系統(tǒng)原理圖，控制電路功能設(shè)計。第8周：各模塊搭建實現(xiàn)。 第9周：設(shè)計程序流程框圖和主要算法。第10周：完成程序編制、編譯。 第11周：進行調(diào)試，發(fā)現(xiàn)問題并總結(jié)。第12周：進行調(diào)試，發(fā)現(xiàn)問題并總結(jié)。 第13周：完善設(shè)計內(nèi)容，準備撰寫設(shè)計說明書。第14周：完成畢業(yè)論文。 第15周：修改畢業(yè)論文及準備答辯。 第16周：準備答辯內(nèi)容，參加畢業(yè)答辯。 5.應(yīng)閱讀的基本文獻: [1] 潘元驍. 基于Arduino的智能小車自動避障系統(tǒng)設(shè)計與研究[D]. 長安大學 2015 [2] 丁小妮. 基于Arduino&Android小車的倉儲搬運研究[D]. 長安大學 2015 [3] 侯亮,王浩倫,賈鴻翅. 支持產(chǎn)品平臺創(chuàng)新的知識分類及其本體建模研究[J]. 機電工程. 2010(11) [4] 陳永亮,焦明生. 基于產(chǎn)品平臺和機械總線的爬行機器人可適應(yīng)設(shè)計[J]. 工程設(shè)計學報. 2005(05) [5] 紀欣然. 基于Arduino開發(fā)環(huán)境的智能尋光小車設(shè)計[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù). 2012(15) [6] 蔡睿妍. 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Production Engineering . 2013 (4) 大 連 大 學 本科畢業(yè)論文 (設(shè)計 )開題報告 論 文 題 目： 基于 Arduino 樹干噴漆機器人設(shè)計 學 院： 機械工程學院 專 業(yè) 、班 級： 機械設(shè)計制造及自動化機英 133 班 學 生 姓 名： 唐磊生 指導(dǎo)教師（職稱）： 李洋流 （ 講師 ） 2016 年 12 月 26 日填 2 一、選題依據(jù) 1論文（設(shè)計）題目： 基于 Arduino 樹干噴漆機器人設(shè)計 2研究領(lǐng)域： 機器人結(jié)構(gòu)及傳感系統(tǒng)設(shè)計 3論文（設(shè)計）工作的理論意義和應(yīng)用價值 工業(yè)機器人是集機械、電子、控制、計 算機、傳感器、人工智能等多學科先進 技術(shù) 于一體的現(xiàn)代制造業(yè)重要的自動化裝 備。自從 1962 年美國研制出世界上第一臺 工業(yè)機器人以來，機器人技術(shù)及其產(chǎn)品發(fā)展很快，已成為柔性制造系統(tǒng) (FMS)、自動 化工廠 (FA)、計算機集成制造系統(tǒng) (CIMS)的自動化工具。廣泛采用工業(yè)機器人，不僅 可提高產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量，而且對保障人身安全，改善勞動環(huán)境，減輕勞動強度，提 高勞動生產(chǎn)率，節(jié)約原材料消耗以及降低生產(chǎn)成本，有著十分重要的意義。和計算機、 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一樣，工業(yè)機器人的廣泛應(yīng)用正在日益改變著人類的生產(chǎn)和生活方式。 經(jīng)過五十多年的發(fā)展，工業(yè)機器人已在越來越多的領(lǐng)域得到了應(yīng)用。在制造業(yè)中， 尤其是在汽車產(chǎn)業(yè) 中，工業(yè)機器人得到了廣泛的應(yīng)用。 如在毛坯制造、機械加工、 焊接、熱處理、表面 涂覆、上下料、裝配、檢測及倉庫堆垛等作業(yè)中，機器人都已 逐步取代了人工作業(yè)。 隨著工業(yè)機器人向更深更廣方向的發(fā)展 以及機器人智能化水 平的提高，機器人的應(yīng)用范周還在不斷地擴大，已從汽車制造業(yè)推廣到其他制造業(yè)， 進而推廣到機械加工行業(yè)、電子電氣行業(yè)、橡膠及塑料工業(yè)、食品工業(yè)、木材與家具 制造業(yè)等領(lǐng)域中。在工業(yè)生產(chǎn)中，弧焊機器人、點焊機器人、分配機器人、裝配機器 人、噴漆機器人及搬運機器人等工業(yè)機器人都已被大量采用。機器人正在為提高人類 的生活 質(zhì)量發(fā)揮著重要的作用。 人類的演變長河中，凡是對工作強度大，對人體健康有損害的工種最終都會被高 科技設(shè)備所替代。噴涂，正是這樣一個由機器人替代人工的例子。 1969 年，挪威一家 公司最先嘗試開發(fā)，經(jīng)過數(shù)十年的進步，目前技術(shù)已經(jīng)相當成熟，并且在汽車、手機、 五金衛(wèi)浴等行業(yè)應(yīng)用廣泛。 噴涂機器人又叫噴漆機器人（ spray painting robot）， 是可進行自動噴漆或噴涂其 他涂料的工業(yè)機器人。噴涂機器人具備四大優(yōu)點，其一是柔性大。工作范圍大大；其 二是提高噴涂質(zhì)量和材料使用率；其三是易于操作和維護，可離線編程，大 大的縮短 現(xiàn)場調(diào)試時間；其四是設(shè)備利用率高，利用率可達 90%-95%。噴涂機器人的大量運用 3 極大地解放了在危險環(huán)境下工作的勞動力，也極大提高了汽車制造企業(yè)的生產(chǎn)效率， 并帶來穩(wěn)定的噴涂質(zhì)量，降低成品返修率，同時提高了油漆利用率，減少廢油漆、廢 溶劑的排放，有助于構(gòu)建環(huán)保的綠色工廠。 從理論價值來說，噴漆機器人是集智能化、現(xiàn)代化于一身的先進工業(yè)設(shè)備，將運 動學、動力學、能源、機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、電器控制及一身的新型設(shè)備。 從應(yīng)用價值來說，噴漆機器人能夠研制出來，對人類在體力勞動的解放，用機器 取代體力勞動，代替人去在復(fù)雜的環(huán)境 下進行高危作業(yè)。不但可提高工作效率，提高 工作質(zhì)量，而且在構(gòu)建綠色工廠上做出巨大貢獻。 總結(jié)，機器人的發(fā)展很快，對人類雙手的解放做出了杰出的貢獻。噴漆機器人可 以在復(fù)雜環(huán)境下代替人類去工作，既可以實現(xiàn)高效率、高質(zhì)量的工作，同時起到了保 護人類健康的作用。 4目前研究的概況和發(fā)展趨勢 研究概況 噴涂機器人又稱為噴漆機器人 （ spray painting robot），是可進行噴涂油漆或者其 他材料的工業(yè)設(shè)備。 1969 年由挪威 Trallfa 公司（后并入 ABB 集團）發(fā)明。噴涂機器 人主要由機器本體，計算機控制系統(tǒng)等 組成，通過液壓、氣壓或電機進行驅(qū)動，多采 用 5 6 個關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，手臂有較大的運動空間，可以進行復(fù)雜的軌跡運動，其執(zhí)行 機構(gòu)即腕部有 2 3 個自由度，可以靈活運動。噴漆機器人廣泛運用于汽車、儀表、 電器、搪瓷等工藝部門。 噴涂機器人具備四大優(yōu)點，其一是柔性大。工作范圍大大；其二是提高噴涂質(zhì)量 和材料使用率；其三是易于操作和維護，可離線編程，大大的縮短現(xiàn)場調(diào)試時間；其 四是設(shè)備利用率高，利用率可達 90%-95%。 汽車噴涂：按是否具有沿著車身輸送鏈運行方向水平移動的功能，分為帶軌道式 和固定安裝式機器人；按安裝位置的不同，分 為落地式和懸臂式機器人。落地式機器 人具有易于維護清潔的優(yōu)點。帶軌道式機器人則具有工作范圍相對較大的優(yōu)點。而懸 臂式機器人則可減少噴房寬度尺寸，達到減少能耗的作用。機器人在其它焊接、切割 , 鑄件的清理、加工及表面處理等方面的應(yīng)用 , 也在擴大。 (1)點焊：汽車零件點焊是機器人應(yīng)用得最早和最多的領(lǐng)域之一。汽車工業(yè)中的 機器人點焊 ,已占點焊工作量的 80 %以上。這是由于 ,機器人本身的位置重復(fù)精度高 , 一般為士 0.5 士 1.0mm,最好的甚至達士 0.lmm。同時 ,與其配套的焊裝夾具的定位精 4 度也很高 ,能滿足技術(shù)要求 ,且 焊接質(zhì)量好 ,生產(chǎn)效率高。 （ 2）上下料搬運：上下料搬運是汽車工業(yè)機器人的第二大應(yīng)用領(lǐng)域。上下料機 器人是固定的，而搬運機器人是移動的，主要有自移動式、吊裝積木式等。 （ 3）噴漆：汽車噴漆的主要部位是車身、汽車底盤、車箱等。噴漆機器人現(xiàn)在 從單機使用走向了生產(chǎn)線使用。 （ 4）裝配：現(xiàn)在裝配機器人在汽車的裝配車間廣泛的應(yīng)用，其因其裝配精度高， 裝配速度快等優(yōu)勢，很快占據(jù)汽車裝配市場。 下面我們主要介紹下噴漆機器人的研究： 噴漆是目前我國汽車工業(yè)中應(yīng)用機器人最多的領(lǐng)域。主要噴漆部位是車身和箱。 第二汽車制造廠車箱廠采用 兩臺日本 TOK10CO.ARMSTAR噴漆機器人 (加長臂 )和一臺往 復(fù)機，它們能完成全部噴漆工作量的 75% 90%(可噴底漆、面漆等 )。在兩班工作制 情況下 ,它們已成功地運轉(zhuǎn)了 4 年 ,平均無故障時間達 10Oh 以上 (如不計人為因素 ,則 平均無故障時間達 300h 以上 )。第二汽車制造廠車身廠使用了北京自動化研究所研制 的 7 臺噴漆機器人、兩臺頂噴機兩臺日本 IWATA 公司的側(cè)噴機 ,它們可完成車身噴漆 工作量的 80%以上 ,且配有電視監(jiān)督系統(tǒng)。此外 ,第一汽車制造廠車箱廠有 1臺 TRALLFA 型噴漆機器人 ;北京吉普車公司有 1臺北京自 動化研究所研制的噴漆機器人 ,北京汽車 制造廠有 l 臺 ROBOTPJ 一 1 和 1 臺 TRALLFA 噴漆機器人 ,南京汽車廠有 1 臺自制的五 軸噴漆機器人。 汽車工業(yè)中 ,國產(chǎn)機器人的數(shù)量增加和技術(shù)進步都很快。目前 ,我國機器人本體技 術(shù)設(shè)計與制造水平同國外相比 ,差距不大。其位置重復(fù)精度可達士 0 .5 mm 左右 ,運動 學和動力學特性基本能夠滿足生產(chǎn)需要 (但機器人手臂的材質(zhì)不過關(guān) ,影響了機器抓 重級和工作精度 )。通過引進與消化國外先進技術(shù) ,使微型驅(qū)動電機和電液伺服閥等元 器件的研制和生產(chǎn)得到迅速發(fā)展。我國對機器人人工智能的研究比較重視 ,現(xiàn)已經(jīng)取 得了一定成果。但由于國產(chǎn)機器人主要是單機生產(chǎn) ,價格一直很高 ;且維修服務(wù)和用 戶技術(shù)培訓等配套措施跟不上 ,所以普遍存在故障率高、精度低、操作速度慢等缺點。 發(fā)展趨勢 目前世界上所有發(fā)達國家如美國、日本、蘇聯(lián)、西德等 , 都把發(fā)展機器人技術(shù)或 智能自動化控制技術(shù)擺在科技發(fā)展戰(zhàn)略中最優(yōu)的地位推廣。各國政府都在采取一切 鼓勵措施 ,對機器人技術(shù)的開發(fā)與利用給予極大的關(guān)注。譬如在捷克斯洛伐克 ,對生產(chǎn) 單位國家除撥給專款 ,改造和更新設(shè)備使之適合生產(chǎn)機器人需要外 ,還給予價格補貼 , 5 以彌補機器人的生產(chǎn)成本與售價之間的差額 。采用單位可獲得價格優(yōu)惠 ,并可得到年息 低于 4%的貨款 ,貸款可長達 5 年之久 , 還可加快折舊提成 ,企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)和設(shè)計人員可獲 得物質(zhì)獎勵。由于各工業(yè)發(fā)達國家采取一系列鼓勵政策 ,機器人技術(shù)發(fā)展很快。如美國 華盛頓州里奇蘭的巴特爾太平洋西北實驗室正研制一種最復(fù)雜最尖端的計算機控制 的酷似真人的機器人。這個取名為曼尼的機器人 ,從四肢、軀干到整個形體的大小部位 都與人體非常類似。它能摸擬人體的復(fù)雜活動如姿態(tài)、呼吸、體內(nèi)體表溫度和出汗等。 人類發(fā)展到今天 , 經(jīng)歷了一段長期曲折的道路 ,大約每隔 100 年就有一次革新運動 ,現(xiàn) 在正處于第三 次革新浪潮中 ,估計到本世紀末將可能卷入到以“機器人革命”為基礎(chǔ)的 浪潮中去 ,這必將以第五代計算機的實用化為轉(zhuǎn)機 ,迎來一場“向機械電子人接近”的 風暴。智能機器人進工廠、農(nóng)場、戰(zhàn)場、太空、商店及家庭的時代為期不遠了?，F(xiàn)在 就主要工業(yè)發(fā)達國家機器人技術(shù)發(fā)展概況分述于后。 自工業(yè)機器人出現(xiàn)以來 , 汽車工業(yè)就一直是其最重要的市場。第一臺工業(yè)機器人 UNIMAT 就安裝在美國通用汽車公司。機器人應(yīng)用早期 , 汽車工業(yè)對機器人的需求量 占機器人市場份額的 50 %以上 ,目前占 3 5 %。自機器人誕生以來的三十年中，它已由 一般 性可編程示教再現(xiàn)式機器人 , 發(fā)展到數(shù)控式機器人或智能化機器人。其控制系統(tǒng) 已由簡單的機械裝置發(fā)展到復(fù)雜的電子計算機控制 ; 結(jié)構(gòu)型式由單級發(fā)展到多級結(jié) 構(gòu) ; 應(yīng)用領(lǐng)域也有了很大擴展。機器人在汽車工業(yè)中的應(yīng)用有著很大優(yōu)勢和廣闊的 前景。 目前世界各國所使用的機器人尚屬第一、第二代機器人。而第三代機器人正是當 前主攻的方向 , 一旦第五代計算機研制成功 , 則機器人的智能化程度更高、功能更完 善。 (一 ) 從機器人工業(yè)這方面來說有三種趨勢： 1、大型化趨勢：大型化是指機器人制造廠經(jīng)調(diào)整組合 , 主要制造廠家規(guī)模越來越 大。 如瑞典 ASEA 公司在 15 個國家設(shè)有機器人中心 ,并在美國、西班牙和法國設(shè)立分 廠 ,機器人銷售額達 7 千萬美元。近年來機器人制造業(yè)出現(xiàn)兼并現(xiàn)象。如世界著名的噴 漆機器人生產(chǎn)廠 挪威的 Trallfa 公司被瑞典的 AsEA 公司兼并 ,美國 uinmaiton 公司可 控制美國機器人市場的 50 %。有關(guān)專家預(yù)言到 1996 年世界將有大批機器人工廠倒閉 , 機器人本體生產(chǎn)將集中在幾家大公司。 2 、微型化趨勢這種趨勢主要在日本體現(xiàn)明顯。日本的三百個機器人廠家中 ,資金 在 10 億以下的中小企業(yè)約占 60%。這些小企業(yè)雇員一般少于 12 人。小廠與大廠 在產(chǎn) 6 品上互相配合 ,才不會被大廠擠垮。 3 、電子化趨勢近年來 ,日、美的電子電器廠紛紛進入機器人產(chǎn)業(yè)中 , 開始成為機 器人產(chǎn)生中的主體。如 1985 年 ,日本機器人產(chǎn)業(yè)中 ,電子電器廠家占廠家總數(shù)的 62%。 （二）機器人技術(shù)的發(fā)展趨勢據(jù)專家預(yù)側(cè) :機器人技術(shù)在未來 15 年內(nèi)將進入一個 新時期 ,其發(fā)展趨勢為： 材料 :機器人材料趨向輕型化和高強度化 ,包括有機材料和無機材料 ,而純金屬型 機器人將日益減少。形狀記憶合金新材料視為第三代機器人的突破口。 功力 :趨于輕型能源。包括使用核能和燃料電池 ,以減輕重量提高機器人的靈活性。 傳 動構(gòu)件 :趨于高效、輕便和高度自動化傳動的控制機構(gòu) ,并且形式多種多樣。傳 感器系統(tǒng) :工作更可靠、準確 ,并將廣泛采用視覺、聽覺和觸覺傳感器 ,來提高辯識能力。 控制系統(tǒng) :趨于采用微電腦控制 ,大幅度降低研制成本。 通訊系統(tǒng) :日趨于遙控、采用光纜和無線電通訊。工作方式 :采用非機械加工方法 如激光來切割、焊接或其它高能加工法。 機器人驅(qū)動結(jié)構(gòu) :將采用生物機械設(shè)計概念 ,驅(qū)動結(jié)構(gòu)趨于擬人化和高級化。 軟件 : 發(fā)展專門機器人語言 ,其設(shè)計趨向標準化和簡單化。 集成系統(tǒng) :實現(xiàn)人 機對話 ,更好地與外部設(shè)備相連接。 精密裝配機器人 :主 要用在汽車裝配、計算機、彩電、手表、大規(guī)模集成電路等 裝配線機器人。 據(jù)稱瑞典 AsEA 公司生產(chǎn)的 IRB 一 100 型精密裝配機器人是世界上最快速的機器 人。目前正努力使裝配機器人能適應(yīng)工作節(jié)拍更快、環(huán)境有變化的、更精密的裝配線。 水下機器人：目前水下機器人多采用有纜遙控方式 ,通過系纜輸出能源和交換信 息。而系纜又嚴重地影響水下機器人的工作范圍與活動能力。因而研制各種無纜自治 式智能水下機器人是當今世界深潛器的發(fā)展方向。法國、英國和意大利等都研制出不 同程度的無纜水下機器人。 7 二、論文（設(shè)計）研究的內(nèi)容 1.重點解決 的問題 （ 1） 噴漆機器人機械結(jié)構(gòu)的搭建 . （ 2）噴漆機器人噴漆工作的實現(xiàn)方式 . （ 3）噴漆機器人的智能控制手段 （ 4） Arduino 控制系統(tǒng)的組成及其端口的應(yīng)用 . （ 5）控制系統(tǒng)與機械系統(tǒng)的有機結(jié)合 2.擬開展研究的幾個主要方面（論文寫作大綱或設(shè)計思路） 首先通過查閱大量的相關(guān)資料，在論文前面要突出地介紹一下樹干噴涂機械系 統(tǒng)；并說明其現(xiàn)在的研究成果以及今后的發(fā)展趨勢 25。本研究主要從樹干噴涂機器人 的信息捕捉、信息處理、路線優(yōu)化、噴漆功能的實現(xiàn)、系統(tǒng)的整體控制等方面著手工 作，最終做出相應(yīng)的產(chǎn)品。并在最 后在撰寫文章的時候可以對其進行推廣，把噴涂機 器人應(yīng)用到更廣泛的領(lǐng)域中去。 1緒論 1.1 課題研究背景 1.2 工業(yè)機器人 的國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀 1.3 課題研究內(nèi)容 1.4 本章小結(jié) 2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.1 機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)擬采用設(shè)計方案設(shè)計 2.2 傳感系統(tǒng)擬采用設(shè)計方案設(shè)計 2.3 控制系統(tǒng)擬采用設(shè)計方案設(shè)計 2.4 本章小結(jié) 3系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)計算 3.1 Arduino 控制系統(tǒng)簡介 3.2 電機選型 3.3 車體尺寸設(shè)計 3.4 噴涂機械手臂及龍門架設(shè)計 3.5 傳感器選型 3.6 傳感系統(tǒng)設(shè)計 8 3.7 本章小結(jié) 4系統(tǒng) 三維 建模 及其功能 4.1 機械 系統(tǒng)架構(gòu) 4.2 機械系統(tǒng)實現(xiàn)功能 4.3 傳感系統(tǒng)構(gòu)架 4.4 傳感系統(tǒng)實現(xiàn)功能 4.5 控制系統(tǒng)構(gòu)架 4.6 本章小結(jié) 5仿真分析 5.1 機械結(jié)構(gòu)強度校核 5.2 運動分析 5.3 運動仿真 5.4 系統(tǒng)測試 5.5 本章小結(jié) 6.畢業(yè)設(shè)計感想 7.附錄 3.本論文（設(shè)計）預(yù)期取得的成果 (1)噴涂機器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 (2)系統(tǒng)總體裝配圖及零件圖 (3)系統(tǒng)控制程序設(shè)計 9 三、論文（設(shè)計）工作安排 1.擬采用的主要研究方法（技術(shù)路線或設(shè)計參數(shù)） 第一步：通過 Solickworks 三維設(shè)計軟件，將機器人的整體結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。 第二步：基于工作室的平臺搭建機器人。 第三步：應(yīng)用 Arduino 控制系統(tǒng)對機器人進行控制檢測各方面的性能。 第四步：將超聲波傳感器、視覺傳感器等傳感器安裝在機器人上。 第五步：設(shè)置模擬日常樹干涂白工作環(huán)境，對機器人進行實際的檢驗。 第六步：撰寫研究成果報告。 2.論文（設(shè)計）進度計劃 第 一 周： 查 閱相關(guān)文獻，收集資料，了解設(shè)計內(nèi)容 。 第 二 周： 閱讀 參考 文獻 ， 明確 設(shè)計 內(nèi)容 及 方案 。 第三周 ： 總體方案設(shè)計，撰寫開題報告 。 第四周 ： 修改 及 完善 開題報告 ， 擬定 設(shè)計 方案 。 第五周 ： 分析 設(shè)計 方案 可行性 ， 并做 修改 。 第六周 ： 各機構(gòu) 具體 設(shè)計 方案 分析 。 第七周 ： 分塊 進行 機構(gòu) 設(shè)計 ， 完善 設(shè)計 方案 。 第八周 ： 對 設(shè)計 方案 進行 三維 構(gòu)圖 設(shè)計 。 第九周 ： 對 機構(gòu) 三維 設(shè)計 進行 分析 ， 檢查 功能 。 第十周 ： 進行 控制 部分 傳感器 選型 ， 及 三維 構(gòu)圖 。 第十一周 ： 將 控制 部分 與 機械 結(jié)構(gòu) 合并 。 第十二周 ： 對 這個 設(shè)計 進行 分析 ， 檢查 是否 能夠 完成 預(yù)定 功能 。 第十三周 ： 進行 運動 分析 ， 對 發(fā)現(xiàn)的 問題 做 修改 。 第十四周 ： 參照 系統(tǒng) ， 撰寫 畢業(yè)設(shè)計 論文 。 第十五周 ： 完善 畢業(yè) 論文 。 第十六 周 ： 準備 答辯 內(nèi)容 ， 參加 畢業(yè) 答辯 。 10 四、需要閱讀的參考文獻 1 熊宣明 江蘇省揚州技師學院 . 工業(yè)機器人的發(fā)展現(xiàn)狀與未來趨勢 J. 農(nóng)村經(jīng)濟 與科技 2016 年第 27 卷第 22 期（總第 402 期） 2 計時鳴，黃希歡 浙江工業(yè)大學 特種裝備制造與先進加工技術(shù)教育部 /浙江省重 點實驗室 . 工業(yè)機器人技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用綜述 J. 第 32 卷第 1 期 2015 年 1 月 . 3 張紅霞 武漢商學院機電工程與汽車服務(wù)學院 . 國內(nèi)外工業(yè)機器人發(fā)展現(xiàn)狀與趨 勢研究 J. 探索與觀察 4 陳榮祥 劉霄惠 渝州大學 自電系 .國外機器人技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展 J. 渝 州大學學 報（自然科學版）， 1990 年 第 1.2 期 . 5 王世禮 上海交通大學 來可偉 第二汽車制造廠 . 機器人技術(shù)在汽車工業(yè)中的應(yīng) 用 J. 6 楊書評，宮迎輝，王海丹，王思斯 北京機械工業(yè)自動化所 . 機器人自動化及生 產(chǎn)線關(guān)鍵標準研究 J. 中圖分類號： TP242 7 趙俊英 ,戈美凈 ,王青云 ,溫國強天津中德職業(yè)技術(shù)學院 . 機器人自動噴涂系統(tǒng)的 方案設(shè)計與三維建模 M. 中圖分類號： TP242.2. 8 張麗娟 蘭州工業(yè)學院 .基于凱恩方法的 6 機器人動力學建模與仿真 .自動化與 儀器儀表 2016 年第 4 期 ( 總第 198 期 ). 9 ABB 機器人部供稿 . 綠色機器人 以機器人為基礎(chǔ)的自動化幫助塑料工業(yè)實現(xiàn)增 效節(jié)能 . 10 戢磷 樂山職業(yè)技術(shù)學院 .面向中國制造 2025 的先進制造技術(shù)課程教學研究 培養(yǎng)掌握新型工業(yè)機器人應(yīng)用與維修技術(shù)的高職人才 民普新技 2015年 11 吳孝園 國家機械工業(yè)委員會第四設(shè)計院。噴涂機器人 涂料工業(yè) J 1988 年 12 梅江平 ,楊志永 ,張大衛(wèi) .天津大學 機械工程學院 ,噴漆機器人尺寸優(yōu)化設(shè)計及控 制系統(tǒng)總體規(guī)劃 13. 郭 武 .第二汽車制造廠車箱廠 . 噴漆機器人的功能、選型及應(yīng)用 J 機器人 1990 年 14 徐其元，欒尊祿，孫漢旭 . 北京實驗工廠 .噴漆機器人關(guān)節(jié)模 型的閉環(huán)參數(shù)辨識 15 A motion sensing-based framework for robotic manipulation . Hao Deng1,2, Zeyang Xia1,2* , Shaokui Weng1,2, Yangzhou Gan1,2, Peng Fang1,2 and Jing Xiong1 Deng et al. Robot. Biomim. (2016) 3:23 16 Gantry Robot with Extended Workspace for Pavement Sign Painting Operations. Daehie Hong Journal of Mechanical Science and Technology (KSME Int. J.) 17 孟慧杰，尹志新 .廣西大學機械工程學院 噴漆機器人工藝分析及優(yōu)化研究 J設(shè) 計與研究 18 王育哲 . 上海大眾汽車有限公司 . 噴漆機器人在汽車車身涂裝中的應(yīng)用 J china-coating 2007 年 4 月 11 19 呂永軍，劉 峰，鄭飂默，孫一蘭 . 通用和修正 D-H 法在運動學建模 中的應(yīng) 用分析 . 計算機系統(tǒng)應(yīng)用 2016 年第 25 卷 第 5 期 20 王小剛，紀慎之 . 中科院沈陽自動化研究所 . 我國機器人產(chǎn)品的研制與開發(fā) . 中國工程師 1995 年 2 月 21 陳欠根， 1, 2,彭南華 .中南大學現(xiàn)代復(fù)雜裝備設(shè)計與極端制造教育部重點實驗室 一種經(jīng)濟型噴漆機器人設(shè)計與運動學分析 . 現(xiàn)代制造工程 22 A Novel Trajectory Planning Scheme for Parallel Machining Robots Enhanced with NURBS Curves Javad JahanpourMehdi Motallebi Mojtaba Porghoveh J Intell Robot Syst (2016) 82:257 275 23 On Events in Multi-Robot Patrol in Adversarial Environments Noa Agmon 24 OPTIMAL VELOCITY TRAJECTORY GENERATION FOR SPRAY PAINTING ROBOT IN OFFLINE MODE ， Mayur V Andulkar Shital S Chiddarwar Anshul K Paigwa， Department of Mechanical Engineering, Visvesvaraya National Institute of Technology, Nagpur 25 Workspace and dynamic performance evaluation of the parallel manipulators in a spray-painting equipment, Jun Wu, Ying Gao , Binbin Zhang,Li Pi wang, Robotics and Computer-Integrated Manufacturing 44 (2017) 199 207 12 文獻綜述 1.Arduino 平臺 簡介 Arduino 是源自意大利的一個教學用開源硬件項目，主要是為希望嘗試創(chuàng)建交互 式物理對象的實踐者、喜歡創(chuàng)造發(fā)明的人及藝術(shù)家所構(gòu)建的，它秉承開源硬件思想， 程序開發(fā)接口免費下載，也可依需求自己修改。其硬件系統(tǒng)是高度模塊化的，通過 USB 接口與計算機連接，包括 14 通道數(shù)字輸入 /輸出，其中包括 6 通道 PWM 輸出、 6 通道 10 位 ADC 模擬輸入 /輸出通道，電源電壓主要有 5V 和 3.3V。在核心控制板的外 圍，有開關(guān)量輸入輸出模塊、各種模擬量傳感器輸入模塊、總線類傳感器的輸入模 塊，還有網(wǎng)絡(luò)通信模塊，只要在核心控制板上增加網(wǎng)絡(luò)控制模塊，就可以容易地與 互聯(lián)網(wǎng)連接。 Arduino 還提供了自己的開發(fā)語言，支持 Windows、 Linux、 MacOS 等 主流的操作系統(tǒng)。 Arduino 系統(tǒng)是基于單片機開發(fā)的，并且大量應(yīng)用通用和標準的電 子元器件，包括硬件和軟件在內(nèi)的整個設(shè) 計，代碼均采用開源方式發(fā)布，因此采購 的成本較低，在各種電子制作競賽、電子藝術(shù)品創(chuàng)意設(shè)計等越來越多地使用 Arduino 作為開發(fā)平臺。甚至可以接受 Macromedia Flash 軟件制作的動畫發(fā)送的信號 , 并由 此來控制一些動作器件 (如舵機等 )。 2.Arduino 互動媒體開發(fā) 正是由于 Arduino 易于使用，才能使用戶或開發(fā)者把精力關(guān)注于設(shè)計本身。 Arduino 甚至提供了自己的開發(fā)語言，這種借鑒了 C/C+和 Java 的語言，對于有一 定 Flash 的 ActionScript 腳本的開發(fā)者也相對容易掌握。再次， Arduino 基于單片 機開發(fā)，并且大量應(yīng)用通用和標準的電子元器件，包括硬件和軟件在內(nèi)的整個設(shè)計， 代碼均采用開源方式發(fā)布，因此采購的成本較低。由于開源（ open source）的緣故， Arduino 周邊聚集豐富的外圍軟件庫和硬件控制器、傳感器。另外， Arduino 可以支 持 Windows、 Linux、 MacOS 等主流的操作系統(tǒng)。綜上所述，互動媒體的制作者擁有 更多的自由度，為互動媒體的創(chuàng)作奠定堅實的基礎(chǔ)。利用 Arduino 提高 Flash 的互 動能力的途徑有很多，比如利用聲音傳感器、紅外傳感器、重力傳感器等。作為互 動媒體 而言，其主要特征是通過與周圍環(huán)境的交流、反饋來展現(xiàn)自身內(nèi)容，而各種 類型的傳感器能很好地傳達環(huán)境給予的各類刺激。 3.工業(yè)機器人發(fā)展 自工業(yè)機器人出現(xiàn)以來 , 汽車工業(yè)就一直是其最重要的市場。第一臺工業(yè)機器 人 UNIMAT 就安裝在美國通用汽車公司。機器人應(yīng)用早期 , 汽車工業(yè)對機器人的需求 13 量 占機器人市場份額的 50 %以上 ,目前占 3 5 %。自機器人誕生以來的三十年中， 它已由一般性可編程示教再現(xiàn)式機器人 , 發(fā)展到數(shù)控式機器人或智能化機器人。其 控制系統(tǒng) 已由簡單的機械裝置發(fā)展到復(fù)雜的電子計算機控制 ; 結(jié)構(gòu)型式由單 級發(fā) 展到多級結(jié)構(gòu) ; 應(yīng)用領(lǐng)域也有了很大擴展。機器人在汽車工業(yè)中的應(yīng)用有著很大優(yōu) 勢和廣闊的 前景。 目前世界各國所使用的機器人尚屬第一、第二代機器人。而第三代機器人正是 當前主攻的方向 , 一旦第五代計算機研制成功 , 則機器人的智能化程度更高、功能 更完善。 4.噴漆機器人簡介 噴涂機器人又稱為噴漆機器人 （ spray painting robot），是可進行噴涂油漆或 者其他材料的工業(yè)設(shè)備。 1969 年由挪威 Trallfa 公司（后并入 ABB 集團）發(fā)明。噴 涂機器人主要由機器本體，計算機控制系統(tǒng)等組成，通過液壓、氣壓或電 機進行驅(qū) 動，多采用 5 6 個關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，手臂有較大的運動空間，可以進行復(fù)雜的軌跡運動， 其執(zhí)行機構(gòu)即腕部有 2 3 個自由度，可以靈活運動。噴漆機器人廣泛運用于汽車、 儀表、電器、搪瓷等工藝部門。 噴涂機器人具備四大優(yōu)點，其一是柔性大。工作范圍大大；其二是提高噴涂質(zhì) 量和材料使用率；其三是易于操作和維護，可離線編程，大大的縮短現(xiàn)場調(diào)試時間； 其四是設(shè)備利用率高，利用率可達 90%-95%。 汽車噴涂機器人：按是否具有沿著車身輸送鏈運行方向水平移動的功能，分為 帶軌道式和固定安裝式機器人；按安裝位置的不同，分為落地式和懸臂式機 器人。 落地式機器人具有易于維護清潔的優(yōu)點。帶軌道式機器人則具有工作范圍相對較大 的優(yōu)點。而懸臂式機器人則可減少噴房寬度尺寸，達到減少能耗的作用。機器人在 其它焊接、切割 , 鑄件的清理、加工及表面處理等方面的應(yīng)用 , 也在擴大。 5.噴涂機器人機構(gòu)設(shè)計 主體噴涂機構(gòu)由噴涂機械手臂、龍門架及對應(yīng)的支撐運動等部分組成。其中噴 涂機械手臂是噴涂部分的主要結(jié)構(gòu)，其上裝有紅外線傳感器和噴頭，在俯仰關(guān)節(jié)的 帶動下，噴涂機械手臂可以進行俯仰運動從而實現(xiàn)噴涂機械手臂的收放，以便在行 走過程中放下手臂，減少機構(gòu)的空間占用。噴涂機械手臂可以 在縱向運動機構(gòu)帶動 下與龍門架一起，實現(xiàn)噴涂機械手臂伸縮運動以調(diào)整機器人與樹木之間的距離；噴 涂機械手臂也在鏈條的帶動下沿龍門架上的導(dǎo)軌上下運動，在上下運動過程中對樹 14 進行噴涂。主體噴涂機構(gòu)安裝在帶有四輪的移動小車上，小車具有避震機構(gòu)，其轉(zhuǎn) 向利用左右輪速差實現(xiàn)。 6.傳感器選型 紅外線又稱紅外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性質(zhì)。任何物質(zhì)， 只要它本身具有一定的溫度 (高于絕對零度 )，都能輻射紅外線。紅外線傳感器測量 時不與被測物體直接接觸，因而不存在摩擦，并且有靈敏度高，反應(yīng)快等優(yōu)點。 紅外線傳感器包 括光學系統(tǒng)、檢測元件和轉(zhuǎn)換電路。光學系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)不同可分 為透射式和反射式兩類。檢測元件按工作原理可分為熱敏檢測元件和光電檢測元件。 熱敏元件應(yīng)用最多的是熱敏電阻。熱敏電阻受到紅外線輻射時溫度升高，電阻發(fā)生 變化 (這種變化可能是變大也可能是變小，因為熱敏電阻可分為正溫度系數(shù)熱敏電阻 和負溫度系數(shù)熱敏電阻 )，通過轉(zhuǎn)換電路變成電信號輸出。光電檢測元件常用的是光 敏元件，通常由硫化鉛、硒化鉛、砷化銦、砷化銻、碲鎘汞三元合金、鍺及硅摻雜 等材料制成。 紅外線傳感器依動作可分為 : (1) 將紅外線一部份變換為熱，藉熱取出電阻值變化 及電動勢等輸出信號之熱 型。 (2) 利用半導(dǎo)體遷徙現(xiàn)象吸收能量差之光電效果及利用因 PN 接合之光電動勢 效果的量子型。 15 審 核 意 見 指導(dǎo)教師評閱意見 （對選題情況、研究內(nèi)容、工作安排、文獻綜述等方面進行評 閱） 簽字： 年 月 日 教研室主任意見 簽字： 年 月 日 學院教學指導(dǎo)委員會意見 簽字： 年 月 日 公章： 開題報告 論 文 題 目： 基于 Arduino 樹干噴漆機器人設(shè)計 學 院： 專 業(yè) 、班 級： 學 生 姓 名： 指導(dǎo)教師（職稱）： 2016 年 12 月 26 日填 一、選題依據(jù) 1．論文（設(shè)計）題目： 基于 Arduino 樹干噴漆機器人設(shè)計 2．研究領(lǐng)域： 機器人結(jié)構(gòu)及傳感系統(tǒng)設(shè)計 3．論文（設(shè)計）工作的理論意義和應(yīng)用價值 工業(yè)機器人是集機械、電子、控制、計 算機、傳感器、人工智能等多學科先進 技術(shù) 于一體的現(xiàn)代制造業(yè)重要的自動化裝備。自從 1962 年美國研制出世界上第一臺 工業(yè)機器人以來，機器人技術(shù)及其產(chǎn)品發(fā)展很快，已成為柔性制造系統(tǒng)(FMS)、自動 化工廠(FA)、計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)的自動化工具。廣泛采用工業(yè)機器人，不僅可提高產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量，而且對保障人身安全，改善勞動環(huán)境，減輕勞動強度，提高勞動生產(chǎn)率，節(jié)約原材料消耗以及降低生產(chǎn)成本，有著十分重要的意義。和計算機、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一樣，工業(yè)機器人的廣泛應(yīng)用正在日益改變著人類的生產(chǎn)和生活方式。 經(jīng)過五十多年的發(fā)展，工業(yè)機器人已在越來越多的領(lǐng)域得到了應(yīng)用。在制造業(yè)中，尤其是在汽車產(chǎn)業(yè)中，工業(yè)機器人得到了廣泛的應(yīng)用。 如在毛坯制造、機械加工、焊接、熱處理、表面 涂覆、上下料、裝配、檢測及倉庫堆垛等作業(yè)中，機器人都已逐步取代了人工作業(yè)。隨著工業(yè)機器人向更深更廣方向的發(fā)展 以及機器人智能化水平的提高，機器人的應(yīng)用范周還在不斷地擴大，已從汽車制造業(yè)推廣到其他制造業(yè)，進而推廣到機械加工行業(yè)、電子電氣行業(yè)、橡膠及塑料工業(yè)、食品工業(yè)、木材與家具制造業(yè)等領(lǐng)域中。在工業(yè)生產(chǎn)中，弧焊機器人、點焊機器人、分配機器人、裝配機器人、噴漆機器人及搬運機器人等工業(yè)機器人都已被大量采用。機器人正在為提高人類的生活 質(zhì)量發(fā)揮著重要的作用。 人類的演變長河中，凡是對工作強度大，對人體健康有損害的工種最終都會被高 科技設(shè)備所替代。噴涂，正是這樣一個由機器人替代人工的例子。1969 年，挪威一家 公司最先嘗試開發(fā)，經(jīng)過數(shù)十年的進步，目前技術(shù)已經(jīng)相當成熟，并且在汽車、手機、 五金衛(wèi)浴等行業(yè)應(yīng)用廣泛。 噴涂機器人又叫噴漆機器人（spray painting robot）， 是可進行自動噴漆或噴涂其 他涂料的工業(yè)機器人。噴涂機器人具備四大優(yōu)點，其一是柔性大。工作范圍大大；其 二是提高噴涂質(zhì)量和材料使用率；其三是易于操作和維護，可離線編程，大大的縮短 現(xiàn)場調(diào)試時間；其四是設(shè)備利用率高，利用率可達 90%-95%。噴涂機器人的大量運用 2 極大地解放了在危險環(huán)境下工作的勞動力，也極大提高了汽車制造企業(yè)的生產(chǎn)效率， 并帶來穩(wěn)定的噴涂質(zhì)量，降低成品返修率，同時提高了油漆利用率，減少廢油漆、廢 溶劑的排放，有助于構(gòu)建環(huán)保的綠色工廠。 從理論價值來說，噴漆機器人是集智能化、現(xiàn)代化于一身的先進工業(yè)設(shè)備，將運 動學、動力學、能源、機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、電器控制及一身的新型設(shè)備。 從應(yīng)用價值來說，噴漆機器人能夠研制出來，對人類在體力勞動的解放，用機器 取代體力勞動，代替人去在復(fù)雜的環(huán)境下進行高危作業(yè)。不但可提高工作效率，提高 工作質(zhì)量，而且在構(gòu)建綠色工廠上做出巨大貢獻。 總結(jié)，機器人的發(fā)展很快，對人類雙手的解放做出了杰出的貢獻。噴漆機器人可 以在復(fù)雜環(huán)境下代替人類去工作，既可以實現(xiàn)高效率、高質(zhì)量的工作，同時起到了保 護人類健康的作用。 4．目前研究的概況和發(fā)展趨勢 研究概況 噴涂機器人又稱為噴漆機器人（spray painting robot），是可進行噴涂油漆或者其 他材料的工業(yè)設(shè)備。1969 年由挪威 Trallfa 公司（后并入 ABB 集團）發(fā)明。噴涂機器 人主要由機器本體，計算機控制系統(tǒng)等組成，通過液壓、氣壓或電機進行驅(qū)動，多采 用 5—6 個關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，手臂有較大的運動空間，可以進行復(fù)雜的軌跡運動，其執(zhí)行 機構(gòu)即腕部有 2—3 個自由度，可以靈活運動。噴漆機器人廣泛運用于汽車、儀表、 電器、搪瓷等工藝部門。 噴涂機器人具備四大優(yōu)點，其一是柔性大。工作范圍大大；其二是提高噴涂質(zhì)量 和材料使用率；其三是易于操作和維護，可離線編程，大大的縮短現(xiàn)場調(diào)試時間；其 四是設(shè)備利用率高，利用率可達 90%-95%。 汽車噴涂：按是否具有沿著車身輸送鏈運行方向水平移動的功能，分為帶軌道式 和固定安裝式機器人；按安裝位置的不同，分為落地式和懸臂式機器人。落地式機器 人具有易于維護清潔的優(yōu)點。帶軌道式機器人則具有工作范圍相對較大的優(yōu)點。而懸 臂式機器人則可減少噴房寬度尺寸，達到減少能耗的作用。機器人在其它焊接、切割, 鑄件的清理、加工及表面處理等方面的應(yīng)用, 也在擴大。 (1)點焊：汽車零件點焊是機器人應(yīng)用得最早和最多的領(lǐng)域之一。汽車工業(yè)中的 機器人點焊,已占點焊工作量的 80 %以上。這是由于,機器人本身的位置重復(fù)精度高, 一般為士 0.5—士 1.0mm,最好的甚至達士 0.lmm。同時,與其配套的焊裝夾具的定位精 3 度也很高,能滿足技術(shù)要求,且焊接質(zhì)量好,生產(chǎn)效率高。 （2）上下料搬運：上下料搬運是汽車工業(yè)機器人的第二大應(yīng)用領(lǐng)域。上下料機器人是固定的，而搬運機器人是移動的，主要有自移動式、吊裝積木式等。 （3）噴漆：汽車噴漆的主要部位是車身、汽車底盤、車箱等。噴漆機器人現(xiàn)在從單機使用走向了生產(chǎn)線使用。 （4）裝配：現(xiàn)在裝配機器人在汽車的裝配車間廣泛的應(yīng)用，其因其裝配精度高，裝配速度快等優(yōu)勢，很快占據(jù)汽車裝配市場。 下面我們主要介紹下噴漆機器人的研究： 噴漆是目前我國汽車工業(yè)中應(yīng)用機器人最多的領(lǐng)域。主要噴漆部位是車身和箱。第二汽車制造廠車箱廠采用兩臺日本 TOK10CO.ARMSTAR 噴漆機器人(加長臂)和一臺往復(fù)機，它們能完成全部噴漆工作量的 75% —90%(可噴底漆、面漆等)。在兩班工作制情況下,它們已成功地運轉(zhuǎn)了 4 年,平均無故障時間達 10Oh 以上(如不計人為因素,則 平均無故障時間達 300h 以上)。第二汽車制造廠車身廠使用了北京自動化研究所研制的 7 臺噴漆機器人、兩臺頂噴機兩臺日本 IWATA 公司的側(cè)噴機,它們可完成車身噴漆工作量的 80%以上,且配有電視監(jiān)督系統(tǒng)。此外,第一汽車制造廠車箱廠有 1 臺 TRALLFA 型噴漆機器人;北京吉普車公司有 1 臺北京自動化研究所研制的噴漆機器人,北京汽車制造廠有 l 臺 ROBOTPJ 一 1 和 1 臺 TRALLFA 噴漆機器人,南京汽車廠有 1 臺自制的五軸噴漆機器人。 汽車工業(yè)中,國產(chǎn)機器人的數(shù)量增加和技術(shù)進步都很快。目前,我國機器人本體技術(shù)設(shè)計與制造水平同國外相比,差距不大。其位置重復(fù)精度可達士 0 .5 mm 左右,運動學和動力學特性基本能夠滿足生產(chǎn)需要(但機器人手臂的材質(zhì)不過關(guān),影響了機器抓重級和工作精度)。通過引進與消化國外先進技術(shù),使微型驅(qū)動電機和電液伺服閥等元器件的研制和生產(chǎn)得到迅速發(fā)展。我國對機器人人工智能的研究比較重視,現(xiàn)已經(jīng)取得了一定成果。但由于國產(chǎn)機器人主要是單機生產(chǎn),價格一直很高;且維修服務(wù)和用戶技術(shù)培訓等配套措施跟不上,所以普遍存在故障率高、精度低、操作速度慢等缺點。 發(fā)展趨勢 目前世界上所有發(fā)達國家如美國、日本、蘇聯(lián)、西德等, 都把發(fā)展機器人技術(shù)或 智能自動化控制技術(shù)擺在科技發(fā)展戰(zhàn)略中最優(yōu)的地位推廣。各國政府都在采取一切 鼓勵措施,對機器人技術(shù)的開發(fā)與利用給予極大的關(guān)注。譬如在捷克斯洛伐克,對生產(chǎn) 單位國家除撥給?？?改造和更新設(shè)備使之適合生產(chǎn)機器人需要外,還給予價格補貼, 4 以彌補機器人的生產(chǎn)成本與售價之間的差額。采用單位可獲得價格優(yōu)惠,并可得到年息 低于 4%的貨款,貸款可長達 5 年之久, 還可加快折舊提成,企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)和設(shè)計人員可獲 得物質(zhì)獎勵。由于各工業(yè)發(fā)達國家采取一系列鼓勵政策,機器人技術(shù)發(fā)展很快。如美國 華盛頓州里奇蘭的巴特爾太平洋西北實驗室正研制一種最復(fù)雜最尖端的計算機控制 的酷似真人的機器人。這個取名為曼尼的機器人,從四肢、軀干到整個形體的大小部位 都與人體非常類似。它能摸擬人體的復(fù)雜活動如姿態(tài)、呼吸、體內(nèi)體表溫度和出汗等。 人類發(fā)展到今天, 經(jīng)歷了一段長期曲折的道路,大約每隔 100 年就有一次革新運動,現(xiàn) 在正處于第三次革新浪潮中,估計到本世紀末將可能卷入到以“機器人革命”為基礎(chǔ)的 浪潮中去,這必將以第五代計算機的實用化為轉(zhuǎn)機,迎來一場“向機械電子人接近”的 風暴。智能機器人進工廠、農(nóng)場、戰(zhàn)場、太空、商店及家庭的時代為期不遠了?，F(xiàn)在 就主要工業(yè)發(fā)達國家機器人技術(shù)發(fā)展概況分述于后。 自工業(yè)機器人出現(xiàn)以來 , 汽車工業(yè)就一直是其最重要的市場。第一臺工業(yè)機器人 UNIMAT 就安裝在美國通用汽車公司。機器人應(yīng)用早期, 汽車工業(yè)對機器人的需求量 占機器人市場份額的 50 %以上,目前占 3 5 %。自機器人誕生以來的三十年中，它已由 一般性可編程示教再現(xiàn)式機器人, 發(fā)展到數(shù)控式機器人或智能化機器人。其控制系統(tǒng) 已由簡單的機械裝置發(fā)展到復(fù)雜的電子計算機控制; 結(jié)構(gòu)型式由單級發(fā)展到多級結(jié) 構(gòu); 應(yīng)用領(lǐng)域也有了很大擴展。機器人在汽車工業(yè)中的應(yīng)用有著很大優(yōu)勢和廣闊的 前景。 目前世界各國所使用的機器人尚屬第一、第二代機器人。而第三代機器人正是當 前主攻的方向, 一旦第五代計算機研制成功, 則機器人的智能化程度更高、功能更完 善。 (一) 從機器人工業(yè)這方面來說有三種趨勢： 1、大型化趨勢：大型化是指機器人制造廠經(jīng)調(diào)整組合, 主要制造廠家規(guī)模越來越 大。如瑞典 ASEA 公司在 15 個國家設(shè)有機器人中心,并在美國、西班牙和法國設(shè)立分 廠,機器人銷售額達 7 千萬美元。近年來機器人制造業(yè)出現(xiàn)兼并現(xiàn)象。如世界著名的噴 漆機器人生產(chǎn)廠—挪威的 Trallfa 公司被瑞典的 AsEA 公司兼并,美國 uinmaiton 公司可 控制美國機器人市場的 50 %。有關(guān)專家預(yù)言到 1996 年世界將有大批機器人工廠倒閉, 機器人本體生產(chǎn)將集中在幾家大公司。 2 、微型化趨勢這種趨勢主要在日本體現(xiàn)明顯。日本的三百個機器人廠家中,資金 在 10 億以下的中小企業(yè)約占 60%。這些小企業(yè)雇員一般少于 12 人。小廠與大廠在產(chǎn) 5 品上互相配合,才不會被大廠擠垮。 3 、電子化趨勢近年來,日、美的電子電器廠紛紛進入機器人產(chǎn)業(yè)中, 開始成為機 器人產(chǎn)生中的主體。如 1985 年,日本機器人產(chǎn)業(yè)中,電子電器廠家占廠家總數(shù)的 62%。 （二）機器人技術(shù)的發(fā)展趨勢據(jù)專家預(yù)側(cè):機器人技術(shù)在未來 15 年內(nèi)將進入一個 新時期,其發(fā)展趨勢為： 材料:機器人材料趨向輕型化和高強度化,包括有機材料和無機材料,而純金屬型 機器人將日益減少。形狀記憶合金新材料視為第三代機器人的突破口。 功力:趨于輕型能源。包括使用核能和燃料電池,以減輕重量提高機器人的靈活性。 傳動構(gòu)件:趨于高效、輕便和高度自動化傳動的控制機構(gòu),并且形式多種多樣。傳 感器系統(tǒng):工作更可靠、準確,并將廣泛采用視覺、聽覺和觸覺傳感器,來提高辯識能力。 控制系統(tǒng):趨于采用微電腦控制,大幅度降低研制成本。 通訊系統(tǒng):日趨于遙控、采用光纜和無線電通訊。工作方式:采用非機械加工方法 如激光來切割、焊接或其它高能加工法。 機器人驅(qū)動結(jié)構(gòu):將采用生物機械設(shè)計概念,驅(qū)動結(jié)構(gòu)趨于擬人化和高級化。 軟件: 發(fā)展專門機器人語言,其設(shè)計趨向標準化和簡單化。 集成系統(tǒng):實現(xiàn)人—機對話,更好地與外部設(shè)備相連接。 精密裝配機器人:主要用在汽車裝配、計算機、彩電、手表、大規(guī)模集成電路等 裝配線機器人。 據(jù)稱瑞典 AsEA 公司生產(chǎn)的 IRB 一 100 型精密裝配機器人是世界上最快速的機器 人。目前正努力使裝配機器人能適應(yīng)工作節(jié)拍更快、環(huán)境有變化的、更精密的裝配線。 水下機器人：目前水下機器人多采用有纜遙控方式,通過系纜輸出能源和交換信 息。而系纜又嚴重地影響水下機器人的工作范圍與活動能力。因而研制各種無纜自治 式智能水下機器人是當今世界深潛器的發(fā)展方向。法國、英國和意大利等都研制出不 同程度的無纜水下機器人。 6 二、論文（設(shè)計）研究的內(nèi)容 1.重點解決的問題 （1） 噴漆機器人機械結(jié)構(gòu)的搭建. （2）噴漆機器人噴漆工作的實現(xiàn)方式. （3）噴漆機器人的智能控制手段 （4）Arduino 控制系統(tǒng)的組成及其端口的應(yīng)用. （5）控制系統(tǒng)與機械系統(tǒng)的有機結(jié)合 2.擬開展研究的幾個主要方面（論文寫作大綱或設(shè)計思路） 首先通過查閱大量的相關(guān)資料，在論文前面要突出地介紹一下樹干噴涂機械系 統(tǒng)；并說明其現(xiàn)在的研究成果以及今后的發(fā)展趨勢[25]。本研究主要從樹干噴涂機器人 的信息捕捉、信息處理、路線優(yōu)化、噴漆功能的實現(xiàn)、系統(tǒng)的整體控制等方面著手工 作，最終做出相應(yīng)的產(chǎn)品。并在最后在撰寫文章的時候可以對其進行推廣，把噴涂機 器人應(yīng)用到更廣泛的領(lǐng)域中去。 1．緒論 1.1 課題研究背景 1.2 工業(yè)機器人的國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀 1.3 課題研究內(nèi)容 1.4 本章小結(jié) 2．系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.1 機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)擬采用設(shè)計方案設(shè)計 2.2 傳感系統(tǒng)擬采用設(shè)計方案設(shè)計 2.3 控制系統(tǒng)擬采用設(shè)計方案設(shè)計 2.4 本章小結(jié) 3．系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)計算 3.1 Arduino 控制系統(tǒng)簡介 3.2 電機選型 3.3 車體尺寸設(shè)計 3.4 噴涂機械手臂及龍門架設(shè)計 3.5 傳感器選型 3.6 傳感系統(tǒng)設(shè)計 7 3.7 本章小結(jié) 4．系統(tǒng)三維建模及其功能 4.1 機械系統(tǒng)架構(gòu) 4.2 機械系統(tǒng)實現(xiàn)功能 4.3 傳感系統(tǒng)構(gòu)架 4.4 傳感系統(tǒng)實現(xiàn)功能 4.5 控制系統(tǒng)構(gòu)架 4.6 本章小結(jié) 5．仿真分析 5.1 機械結(jié)構(gòu)強度校核 5.2 運動分析 5.3 運動仿真 5.4 系統(tǒng)測試 5.5 本章小結(jié) 6.畢業(yè)設(shè)計感想 7.附錄 3.本論文（設(shè)計）預(yù)期取得的成果 (1)噴涂機器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 (2)系統(tǒng)總體裝配圖及零件圖 (3)系統(tǒng)控制程序設(shè)計 8 三、論文（設(shè)計）工作安排 1.擬采用的主要研究方法（技術(shù)路線或設(shè)計參數(shù)） 第一步：通過 Solickworks 三維設(shè)計軟件，將機器人的整體結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。 第二步：基于工作室的平臺搭建機器人。 第三步：應(yīng)用 Arduino 控制系統(tǒng)對機器人進行控制檢測各方面的性能。 第四步：將超聲波傳感器、視覺傳感器等傳感器安裝在機器人上。 第五步：設(shè)置模擬日常樹干涂白工作環(huán)境，對機器人進行實際的檢驗。 第六步：撰寫研究成果報告。 2.論文（設(shè)計）進度計劃 第一周：查閱相關(guān)文獻，收集資料，了解設(shè)計內(nèi)容。第二周：閱讀參考文獻，明確設(shè)計內(nèi)容及方案。 第三周：總體方案設(shè)計，撰寫開題報告。 第四周：修改及完善開題報告，擬定設(shè)計方案。第五周：分析設(shè)計方案可行性，并做修改。 第六周：各機構(gòu)具體設(shè)計方案分析。 第七周：分塊進行機構(gòu)設(shè)計，完善設(shè)計方案。第八周：對設(shè)計方案進行三維構(gòu)圖設(shè)計。 第九周：對機構(gòu)三維設(shè)計進行分析，檢查功能。第十周：進行控制部分傳感器選型，及三維構(gòu)圖。第十一周：將控制部分與機械結(jié)構(gòu)合并。 第十二周：對這個設(shè)計進行分析，檢查是否能夠完成預(yù)定功能。第十三周：進行運動分析，對發(fā)現(xiàn)的問題做修改。 第十四周：參照系統(tǒng)，撰寫畢業(yè)設(shè)計論文。第十五周：完善畢業(yè)論文。 第十六周：準備答辯內(nèi)容，參加畢業(yè)答辯。 9 四、需要閱讀的參考文獻 [1] 熊宣明 江蘇省揚州技師學院. 工業(yè)機器人的發(fā)展現(xiàn)狀與未來趨勢[J]. 農(nóng)村經(jīng)濟與科技 2016 年第 27 卷第 22 期（總第 402 期） [2] 計時鳴，黃希歡 浙江工業(yè)大學 特種裝備制造與先進加工技術(shù)教育部/浙江省重點實驗室. 工業(yè)機器人技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用綜述[J]. 第 32 卷第 1 期 2015 年 1 月. 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[17] 孟慧杰，尹志新.廣西大學機械工程學院 噴漆機器人工藝分析及優(yōu)化研究[J]設(shè)計與研究 [18] 王育哲. 上海大眾汽車有限公司. 噴漆機器人在汽車車身涂裝中的應(yīng)用[J] china-coating 2007 年 4 月 10 [19] 呂永軍，劉 峰，鄭飂默，孫一蘭 . 通用和修正 D-H 法在運動學建模中的應(yīng)用分析. 計算機系統(tǒng)應(yīng)用 2016 年第 25 卷 第 5 期 [20] 王小剛，紀慎之. 中科院沈陽自動化研究所. 我國機器人產(chǎn)品的研制與開發(fā).中國工程師 1995 年 2 月 [21] 陳欠根，1, 2,彭南華.中南大學現(xiàn)代復(fù)雜裝備設(shè)計與極端制造教育部重點實驗室一種經(jīng)濟型噴漆機器人設(shè)計與運動學分析. 現(xiàn)代制造工程 [22] A Novel Trajectory Planning Scheme for Parallel Machining Robots Enhanced with NURBS Curves Javad Jahanpour·Mehdi Motallebi· Mojtaba Porghoveh J Intell Robot Syst (2016) 82:257–275 [23] On Events in Multi-Robot Patrol in Adversarial Environments Noa Agmon [24] OPTIMAL VELOCITY TRAJECTORY GENERATION FOR SPRAY PAINTING ROBOT IN OFFLINE MODE ，Mayur V Andulkar Shital S Chiddarwar Anshul K Paigwa， Department of Mechanical Engineering, Visvesvaraya National Institute of Technology, Nagpur [25] Workspace and dynamic performance evaluation of the parallel manipulators in a spray-painting equipment, Jun Wu, Ying Gao , Binbin Zhang,Li Pi wang, Robotics and Computer-Integrated Manufacturing 44 (2017) 199–207 11 文獻綜述 1.Arduino 平臺簡介 Arduino 是源自意大利的一個教學用開源硬件項目，主要是為希望嘗試創(chuàng)建交互 式物理對象的實踐者、喜歡創(chuàng)造發(fā)明的人及藝術(shù)家所構(gòu)建的，它秉承開源硬件思想， 程序開發(fā)接口免費下載，也可依需求自己修改。其硬件系統(tǒng)是高度模塊化的，通過 USB 接口與計算機連接，包括 14 通道數(shù)字輸入/輸出，其中包括 6 通道 PWM 輸出、6 通道 10 位 ADC 模擬輸入/輸出通道，電源電壓主要有 5V 和 3.3V。在核心控制板的外 圍，有開關(guān)量輸入輸出模塊、各種模擬量傳感器輸入模塊、總線類傳感器的輸入模 塊，還有網(wǎng)絡(luò)通信模塊，只要在核心控制板上增加網(wǎng)絡(luò)控制模塊，就可以容易地與 互聯(lián)網(wǎng)連接。Arduino 還提供了自己的開發(fā)語言，支持 Windows、Linux、MacOS 等 主流的操作系統(tǒng)。Arduino 系統(tǒng)是基于單片機開發(fā)的，并且大量應(yīng)用通用和標準的電 子元器件，包括硬件和軟件在內(nèi)的整個設(shè)計，代碼均采用開源方式發(fā)布，因此采購 的成本較低，在各種電子制作競賽、電子藝術(shù)品創(chuàng)意設(shè)計等越來越多地使用 Arduino 作為開發(fā)平臺。甚至可以接受 Macromedia Flash 軟件制作的動畫發(fā)送的信號, 并由 此來控制一些動作器件(如舵機等)。 2.Arduino 互動媒體開發(fā) 正是由于 Arduino 易于使用，才能使用戶或開發(fā)者把精力關(guān)注于設(shè)計本身。 Arduino 甚至提供了自己的開發(fā)語言，這種借鑒了 C/C++和 Java 的語言，對于有一 定 Flash 的 ActionScript 腳本的開發(fā)者也相對容易掌握。再次，Arduino 基于單片 機開發(fā)，并且大量應(yīng)用通用和標準的電子元器件，包括硬件和軟件在內(nèi)的整個設(shè)計， 代碼均采用開源方式發(fā)布，因此采購的成本較低。由于開源（open source）的緣故， Arduino 周邊聚集豐富的外圍軟件庫和硬件控制器、傳感器。另外，Arduino 可以支 持 Windows、Linux、MacOS 等主流的操作系統(tǒng)。綜上所述，互動媒體的制作者擁有 更多的自由度，為互動媒體的創(chuàng)作奠定堅實的基礎(chǔ)。利用 Arduino 提高 Flash 的互 動能力的途徑有很多，比如利用聲音傳感器、紅外傳感器、重力傳感器等。作為互 動媒體而言，其主要特征是通過與周圍環(huán)境的交流、反饋來展現(xiàn)自身內(nèi)容，而各種 類型的傳感器能很好地傳達環(huán)境給予的各類刺激。 3.工業(yè)機器人發(fā)展 自工業(yè)機器人出現(xiàn)以來 , 汽車工業(yè)就一直是其最重要的市場。第一臺工業(yè)機器 人 UNIMAT 就安裝在美國通用汽車公司。機器人應(yīng)用早期, 汽車工業(yè)對機器人的需求 12 量 占機器人市場份額的 50 %以上,目前占 3 5 %。自機器人誕生以來的三十年中， 它已由一般性可編程示教再現(xiàn)式機器人, 發(fā)展到數(shù)控式機器人或智能化機器人。其 控制系統(tǒng) 已由簡單的機械裝置發(fā)展到復(fù)雜的電子計算機控制; 結(jié)構(gòu)型式由單級發(fā) 展到多級結(jié)構(gòu); 應(yīng)用領(lǐng)域也有了很大擴展。機器人在汽車工業(yè)中的應(yīng)用有著很大優(yōu) 勢和廣闊的 前景。 目前世界各國所使用的機器人尚屬第一、第二代機器人。而第三代機器人正是 當前主攻的方向, 一旦第五代計算機研制成功, 則機器人的智能化程度更高、功能 更完善。 4.噴漆機器人簡介 噴涂機器人又稱為噴漆機器人（spray painting robot），是可進行噴涂油漆或者其他材料的工業(yè)設(shè)備。1969 年由挪威 Trallfa 公司（后并入 ABB 集團）發(fā)明。噴涂機器人主要由機器本體，計算機控制系統(tǒng)等組成，通過液壓、氣壓或電機進行驅(qū)動，多采用 5—6 個關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，手臂有較大的運動空間，可以進行復(fù)雜的軌跡運動，其執(zhí)行機構(gòu)即腕部有 2—3 個自由度，可以靈活運動。噴漆機器人廣泛運用于汽車、儀表、電器、搪瓷等工藝部門。 噴涂機器人具備四大優(yōu)點，其一是柔性大。工作范圍大大；其二是提高噴涂質(zhì)量和材料使用率；其三是易于操作和維護，可離線編程，大大的縮短現(xiàn)場調(diào)試時間；其四是設(shè)備利用率高，利用率可達 90%-95%。 汽車噴涂機器人：按是否具有沿著車身輸送鏈運行方向水平移動的功能，分為帶軌道式和固定安裝式機器人；按安裝位置的不同，分為落地式和懸臂式機器人。落地式機器人具有易于維護清潔的優(yōu)點。帶軌道式機器人則具有工作范圍相對較大的優(yōu)點。而懸臂式機器人則可減少噴房寬度尺寸，達到減少能耗的作用。機器人在其它焊接、切割, 鑄件的清理、加工及表面處理等方面的應(yīng)用, 也在擴大。 5.噴涂機器人機構(gòu)設(shè)計 主體噴涂機構(gòu)由噴涂機械手臂、龍門架及對應(yīng)的支撐運動等部分組成。其中噴 涂機械手臂是噴涂部分的主要結(jié)構(gòu)，其上裝有紅外線傳感器和噴頭，在俯仰關(guān)節(jié)的 帶動下，噴涂機械手臂可以進行俯仰運動從而實現(xiàn)噴涂機械手臂的收放，以便在行 走過程中放下手臂，減少機構(gòu)的空間占用。噴涂機械手臂可以在縱向運動機構(gòu)帶動 下與龍門架一起，實現(xiàn)噴涂機械手臂伸縮運動以調(diào)整機器人與樹木之間的距離；噴 涂機械手臂也在鏈條的帶動下沿龍門架上的導(dǎo)軌上下運動，在上下運動過程中對樹 13 進行噴涂。主體噴涂機構(gòu)安裝在帶有四輪的移動小車上，小車具有避震機構(gòu)，其轉(zhuǎn) 向利用左右輪速差實現(xiàn)。 6.傳感器選型 紅外線又稱紅外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性質(zhì)。任何物質(zhì)， 只要它本身具有一定的溫度(高于絕對零度)，都能輻射紅外線。紅外線傳感器測量 時不與被測物體直接接觸，因而不存在摩擦，并且有靈敏度高，反應(yīng)快等優(yōu)點。 紅外線傳感器包括光學系統(tǒng)、檢測元件和轉(zhuǎn)換電路。光學系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)不同可分 為透射式和反射式兩類。檢測元件按工作原理可分為熱敏檢測元件和光電檢測元件。 熱敏元件應(yīng)用最多的是熱敏電阻。熱敏電阻受到紅外線輻射時溫度升高，電阻發(fā)生 變化(這種變化可能是變大也可能是變小，因為熱敏電阻可分為正溫度系數(shù)熱敏電阻 和負溫度系數(shù)熱敏電阻)，通過轉(zhuǎn)換電路變成電信號輸出。光電檢測元件常用的是光 敏元件，通常由硫化鉛、硒化鉛、砷化銦、砷化銻、碲鎘汞三元合金、鍺及硅摻雜 等材料制成。 紅外線傳感器依動作可分為: (1) 將紅外線一部份變換為熱，藉熱取出電阻值變化及電動勢等輸出信號之熱 型。 (2) 利用半導(dǎo)體遷徙現(xiàn)象吸收能量差之光電效果及利用因 PN 接合之光電動勢 效果的量子型。 14 指導(dǎo)教師評閱意見（對選題情況、研究內(nèi)容、工作安排、文獻綜述等方面進行評 閱） 審 核 教研室主任意見意 見  簽字： 年 月 日 簽字： 年 月 日 學院教學指導(dǎo)委員會意見 簽字： 年 月 日 公章： 15