2014哈工大继续教育机械工程专业课作业

2014年黑龙江省专业技术人员继续教育知识更新培训

机械工程专业作业

说明：

中、高级职称学员“专业课作业”为论述题1-5题；同时提交3000字左右“学习心得”

一篇。

论述题

1.本课程分别着重讲述了移动机器人中具有代表性的轮式移动机器人创新设计基础理论与技

术。试分别论述轮式移动机器人、操作臂型机器人、足式步行机器人的实用化优缺点，并进一步思考论述可以互相拟补它们各自不足的创新设计新思路。

答：轮式移动机器人优点：同腿式步行机器人相比，加速快，以一定速度跑起来的话一般只需较小的驱动力，省能。能高速稳定的移动，能量利用率高，机构的控制简单，而且它可以能够借鉴日益完善的汽车技术和经验等。它的缺点是移动只限于平面，目前，需要机器人工作的场所，如果不考虑特殊环境和山地等自然环境，几乎都是人工建造的平地。轮式移动机构预期设计要求实现零半径回转，可调速，便于控制。车轮的旋转和转向是独立控制的，全方位移动机器人采用前后轮成对驱动来控制转向，以及控制每轮旋转来实现全方位移动。

操作臂型机器人的实用化优缺点

除轮式移动机器人外，机器人中最具代表性的还有操作臂型机器人和步行机器人。

在机器人领域，把类似人类手臂的、由关节和杆件构成的机构的机器人称为操作臂每个关节一般由伺服电机和减速器驱动关节回转或直线移动，操作臂的末端一般根据其用途不同安装不同的操作手或作业工具，通过关节的转动或移动由臂带动末端运动完成作业。操作臂是目前被使用的机器人中应用最为广泛的、最为普遍的中形态。其中在工厂内用于装配作业、焊接作业等等用途的产品化操作臂被称为工业机器人。

从理论和实践应用来看，工业机器人一般不具有人的外形和全部功能，它模拟了人类的部分感官功能和思维能力，延伸并超越了人类手臂或腿脚的作用，机器人操作臂具有精度高、速度快、柔性强的特点，特别适用于变通机器难以满足的多品种、小批量生产模式，目前机器人的应用情况已成为衡量工厂自动化程度的主要标准。

足式步行机器人的实用化优缺点

轮式移动机器人、步行机器人、操作臂型机器人作为机器人中具有代表性的机器人，各自具有不同的特点与用途。

步行机器人是仿生人类双足行走、动物四足或多足行走形态的步行机器人，其腿部机构是与构成操作臂机器人关节及杆件类似，一般是由各个连杆构件通过各关节连接而成的串联机构。每个关节一般由伺服电机和减速器驱动关节回转或直线移动，有的构件上有脚，如双足步行机器人是有脚的，但是也有的腿上无脚，如通常四足及多足步行机器人腿上一般是无脚。

同轮式移动机器人相比，四足、六足步行机器人具有步行稳定、可跨越障碍、上下台阶等特点，在室内、室外以及野外不平整地面都可等到稳定步行和越障的行走效果，可用于

搭载操作臂型机器人移动到作业位置由操作臂完成操作作业，也可运载物品或野外作业。

它的优点：

(1)足式机器人的运动轨迹是一系列离散的足印，轮式和履带式机器人的则是一条条连

续的辙迹。崎岖地形中往往含有岩石、泥土、沙子甚至峭壁和陡坡等障碍物，可以稳定支撑机器人的连续路径十分有限，这意味着轮式和履带式机器人在这种地形中已经不适用。而足式机器人对环境的破坏程度也较小。

(2)足式机器人的腿部具有多个自由度，例运动的灵活性大大增强。它可以通过调节腿

的长度保持身体水平，也可能通过腿的伸展程度调整重心的位置，因此，不易翻倒，稳定性更高。

(3)足式机器人的身体与地面是分离的，这使机器人的身体可以平衡地运动而必考虑地

面的粗糙程度和腿的旋转位置。当机器人需要携带科学仪器和工具工作时，首先将腿部固定，然后精确控制身体在三维空间中的运动，就可以达到对对象进行操作的目的。

存在缺点：

1）有些多足步行机器人体积和重量都很大。

2）大多数多足步行机器人研究平台的承载能力不强从而导致它们没有能力承载视觉设备。

3）步行敏捷性方面。其行走效率低，而且在机器人动步态步行方面的研究比较缺乏。

4）多足步行机器人的控制方法需要改进。

5）能源问题。寻求新型可靠的能源为机器人供电，实现机器人时间在户外行走的目标。

2、操作臂型机器人是最早用于工业生产中的实用化机器人类型并以取得广泛应用，试就自己所从事的行业论述操作臂型机器人可以实用化的设计方案（可选型现有工业机器人商品也可自行创新设计操作臂机器人方案）及应用操作臂机器人作业方案设计。

答：机器人技术是一个集环境感知、轨迹规划、机械手应用等功能于一体的机电一体化系统。它是集中了计算机、机构学、传感技术、电子技术、人工智能及自动控制等多科而形成的高新技术。本次课程设计的采摘机器人智能小车就是这种高新技术综合体的一种尝试。采摘机器人智能小车主要由机械系统，环境识别系统，运动控制系统及机械臂控制系统组成。小车以单片机为核心，附以外围电路，采用光电检测器进行检测故障和循迹，并用软件控制小车及机械臂的运动，从而实现小车的自动行驶、转弯、寻迹检测、避障、停止及采摘等功能的智能控制系统。

果实采摘是农业生产的重要环节，其季节性强、劳动量大且费用高。因而许多国家开始研发智能控制的果实采摘机器人。果实采摘机器人作为农业机器人的一种类型，目前在日本、美国与荷兰等国家已有研制和初步使用，主要用于采摘番茄、黄瓜、草莓、葡萄、西瓜、甜瓜、苹果、柑桔与甘蓝等蔬菜和水果，具有很大的发展潜力。各类果实采摘机器形式多样，但主要由机械手、末端执行器、视觉系统、控制系统与行走系统等部分组成。本文介绍了智能车及采摘机器人系统。它是在智能循迹小车的基础上，自主设计一个球形果采摘的机械手并装配到原有的智能小车上，完成采摘机电一体化系统的设计、制作，进行机器人运动控制规划，控制机器人完成一系列复杂动作，如手抓张合、车体回转，智能循迹避障、协同作业等任务。

机械手臂方案设计

设计方案有如下三种:

A方案。由于手臂要执行采摘作业，于是我们首先想到了平行四边行的稳定性，便设计了如下方案。该方案稳定性较好，使用电机数量也少，节约了成本，但它同时也限制了机械手的灵活