《第八章创新实例.ppt

第八章 创新实例 8.1 机器人的研制 8.2 新型内燃机的开发 8.3 自行车的演变与发展 1. 机器人简介 机器人是20世纪中后期发展起来的一个跨学科的高科技产品，它涉及到机构运动学、动力学、传感、控制、驱动、材料、人工智能等多门学科，已形成机器人工程这一专门研究领域。 机器人的“成长”过程就是计算机、传感器、和各种机构等系统的创造、改进与综合配置的过程。 （1）机器人的“大脑” 机器人的“大脑”就是计算机，或称电脑。现在广为使用的电脑属于具有逻辑思维能力的计算机，也就是说目前机器人的大脑仅具有逻辑思维能力。 但现在关于形象思维能力的计算机研制已经有所突破，即被称为神经计算机。若机器人采用了具有逻辑思维和形象思维的两种计算机，其大脑就会像人一样产生灵感、直觉和感情，就会成为高级智能机器人。 （2）机器人的手臂和手 机器人的手和手臂是机器人最早发展部位。它虽然没有人手灵活，但发展趋势其功能却会超过人手。因其手指可以设计成任意指数；其手臂可以设计成任意长度或节数；握力和臂力也可以根据实际要求进行设计；触觉与灵巧性也在不断提高。现在已经研制出三指九关节灵巧手，它可完成复杂、精密的装配，进行细微的操作。 （3）机器人的行走 机器人的行走方式有轮式、履带式和步行式。前两种适合较好路面，而后一种适合较差路面。为适应各种情况，可采用几种方式并行。 机器人虽处于学步阶段，但已显示出超越人的行走能力的特征。它可以在垂直平面上，天花板上行走。当然这种在壁面上行走要具备吸附功能与移动功能，目前吸附多采用真空吸附与电磁吸附。我国哈尔滨科技大学研制了一种永磁吸附轮、履带复合式移动机构。 （4）机器人的眼睛 研究机器人的眼睛有两种方法： 用摄像机输入图像，然后用计算机软件进行图像识别与分析； 建立模拟生物眼系统，这是与神经计算机相配合的视觉系统。硅视网膜是新型机器眼，硅视网膜由一系列光学传感器组成，每个传感器覆盖一小部分图像区，其功能与人眼的功能十分相似。 （5）机器人的鼻子 嗅觉研究难度较大，，因它不仅与探测的化学组成有关，还与环境有关，而环境是随时变化的。 但近几年已有所突破，现在开发的鼻子是依靠以电子芯片为基础的大量聚合物来鉴别各种气味，并给出数字显示的结果。它对每种气味都会产生独特的“鉴别图谱”，并以此作为判别各种气味的依据，而不必分析其化学成分。 2. 工业机器人概述 （1）工业机器人的组成 （2）工业机器人的结构特点 （3）工业机器人的基本参数及其特性 （4）工业机器人的坐标形式 （5）工业机器人关节 （6）工业机器人传动元件 机械系统 机械系统又称为操作系统，是工业机器人的执行机构。可分为基座、腰部、臂部、腕部、和手部（末端）。分析时可简化为连杆与关节。 末端即手部是直接参加工作部分，可以使用各种夹持器，也可以用各种工具，如焊枪、喷头等。工作不仅要求末端达到指定的位置，还要求具有正确的方向 控制系统 控制系统由计算机组成，一般分为两个部分： 一部分是控制计算机，他在系统软件的支持下，实现对应用软件的编译，相邻基点的差补运算，各点的运动学动力学综合，对操作及作业对象的信息采集处理，以及对整个系统的故障检测诊断和预报。 另一部分是伺服控制器，他接受位移、速度及驱动的指令，实现对臂杆的加速和闭环伺服控制。 驱动系统 包括驱动器和传动系统： 驱动器：电机驱动（直流伺服电机、 交流伺服电机、步进电机）；液压气动驱动。 传动系统：机器人对传动系统要求具有结构紧凑，体积小，质量轻，无间隙，反应快的特点。传动机构种类很多，安性能可分为：固定速比式和无极变速式；按运动方式可分为：回转——回转，回转——直线，直线——回转，直线——直线。 现代机器人除以上三大部分外，还应包括智能系统，它由感知和决策两部分组成。前者主要是传感器组，后者靠运行软件实现。 （2）工业机器人的结构特点（工业机器人的操作机可以简化为开式连杆机构） 操作机的结构刚度差。因为连杆系末端是无法加以支承的，并且随连杆系在空间位姿的变化而变化。 操作机的运动灵活。因为每个连杆都具有独立的驱动器，各连杆之间的运动各自独立，互不约束。 对传动系统的刚度、间隙和运动精度要求高。因为连杆的控制属于伺服控制型，连杆驱动转矩的瞬态过程的变化是非常复杂的，并且与执行件反馈信号有关。 极容易发生振动与不稳定现象。因为连杆的受力状态、刚度条件、和动态性能都随位姿的变化而变化。 机器人性能良好的体现 （抓重/自重）尽量大。人类：手臂质量为4~9kg，抓重为15~25kg，则（抓重/自重）=3~4。但机器人： （抓重/自重）=1/20 结构静态刚度尽可能好。有利于提高末端的定位精度，对编程轨迹的跟踪精度，降低对控制系统的要求与造价等。 尽量提高系统的固