2014年哈工大继续教育机械工程专业课作业第1部分参考

第一篇：2014年哈工大继续教育机械工程专业课作业第1部分参考

2014年黑龙江省专业技术人员继续教育知识更新培训

机械工程专业作业参考1-3题

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性，且机械手不能抓取地面上的物体，缩小了机械手的操作空间。

B方案该方案改进了方案A的机械手不能抓取到地面的缺点，但Z轴转动只能靠小车的转动来实现，耗能

多，不符合“多动小关节、少动大关节”原则，而且需要控制车轮方能实现，车轮依靠步进电机控制，从而给编程和后期调试带来不便。

C方案该方案在基座处又加了一个电机，改进了方案B的缺点，在球形果偏离预定位置时仍能通过腰关机的转动来实现作业，增强了机械手的灵活性,并能实现预定工作空间。

经过分析比较我们最终选定方案C。

3、结构设计方案题：试从机械结构、回转精度、关节位置全闭环控制等角度论述机器人关节结构方案设计与构成问题，可辅以结构图并结合文字叙述加以说明。

答:臂力的确定

目前使用的机械手臂的臂力范围较大，国内现有的机械手的臂力最小为0.15N，最大为8000N。本液压机械手的臂力为N臂=1650（N），安全系数K一般可在1.5~3，本机械手臂取安全系数K=2，定位精度为±1mm。工作范围的确定

机械手的工作范围根据工艺要求和操作运动的轨迹来确定。一个操作运动的轨迹是几个动作的合成，在确定的工作范围时，可将轨迹分解成单个的动作，由单个动作的行程确定机械手的最大行程。本机械手的动作范围确定如下： 手腕回转角度±115°手臂伸长量150mm手臂回转角度±115°手臂升降行程170mm手臂水平运动行程100mm.确定运动速度.机械手各动作的最大行程确定之后，可根据生产需要的工作拍节分配每个动作的时间，进而确定各动作的运动速度。工业机器人抓取手臂要完成整个工作过程，需完成夹紧工件、手臂升降、伸缩、回转，平移等一系列的动作，这些动作都应该在工作拍节规定的时间内完成，具体时间的分配取决于很多因素，根据各种因素反复考虑，对分配的方案进行比较，才能确定。

机械手的总动作时间应小于或等于工作拍节，如果两个动作同时进行，要按时间长的计算，分配各动作时间应考虑以下要求：

②

第二篇：2014年哈工大继续教育机械工程专业课作业第2部分参考

2014年黑龙江省专业技术人员继续教育知识更新培训

机械工程专业作业参考4-5题

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

4.试述轮式移动机器人的位置控制精度远不如操作臂型机器人定位精度，为实现大范围内灵活移动和较高操作定位精度，试给出采用轮式移动机器人与操作臂型机器人联合创新设计的方案及完成作业控制策略。

机器人如何知道自己所在的位置？

移动机器人一边移动一边知道自己所处的位置是非常重要的而且也是必须的。移动机器人是用计算机控制来工作的。计算机对所有的信息进行数字处理，移动机器人的位置和姿态是用数字表示的。即在地面上建立二维坐标系，将移动机器人坐标位置与方向用数值表示即可以了。机器人的移动环境地图可以描述在同一坐标系中，从当前的位置姿态来看立即就能明白移动机器人在地图上位于何处。

测程法：是移动机器人推定当前所处位置和姿态常用的方法，是对车体速度积分的方法。车体的速度是根据车轮单位时间转过的角度求得的。因此，由单位时间内车轮转角的积分就可以计算出移动机器人当前所的位置和姿态。这些物理量当然能够有传感器测得。

上述有关移动机器人位置和姿态推算的测和法是最基本的方法。可是，当机器人车轮一旦产生滑移，如上所述方法中积分挖法就会产生误差。行走距离越远产生的误差就越大。

车轮的回转角、角速度的测量方法

独立二轮驱动型移动机器人的行进方向速度V和回转角速度ω可用公式计算出来。因此为用测程法计算行进方向速度V和回去转角速度ω，测量回转轴转角的传感器除上述提到的光电编码器外，还有测速电机、电位计等等。

轮式移动机器人的控制方法：

由与位移成比例的操纵机构操纵的直线行走；

与位移、位移的时间微分成比例操纵方法的直线行走；

独立二轮驱动型移动机器人的直线行走。

直线行走控制方法的总结：

其控制系统构成要点如下：

a.测量偏离期望行走直线的θ和η过，以及移动机器人的回转角速度ω；

b.若为转向操纵车轮型移动机器人，用公式计算转向角的目标值。在该目标值下控制转向角。并以实现行进速度目标值σref进行速度控制。

c.若为独立二轮驱动型移动机器人，用公式计算机器人的目标回转角速度ωref。进一步地，由行进速度目标值vref和ωref，用公式求得左右驱动轮的回转角速度，控制左右驱动轮的回转角速度。

移动机器人作为机器人系统中的一个重要的分支,近年来已经成为机器人应用领域一个热点。开展机器人移动机构的开发和研制工作,根据不同工环境的要求开发了多种多样的移动机构。其中全方位移动机构因为其独特的优点,如高精度的定位性、原地自转功能以及二维平面上的全方位移动运动能力,成为了机器人移动机构研究的重点。设计一种基于Mecanum轮系的四轮全方位移动混联式操作臂机器人,深入研究了全方位移动机构的运动特性,并在此基础上对机构的控制方案进行设计与研究。首先从Mecanum轮的结构和基本运动原理,分析由4个Mecanum轮组成的全方位移动机构系统的运动规律,建立了该系统的运动学、动力学模型。根据Mecanum轮的运动原理,对辊子的轮廓形状进行了研究,获得轮廓的参数化方程,根据实际要求确定了全方位移动机构系统的机构的主要参数,完成了相应的结构设计。在移动平台的基础上,提出了一种新型基于差动驱动的串、并联操作机械臂,该机械臂结合了串、并联机器的优点,具有较大的抓取/自重比。建立了该机械臂的数学模型,对其进行了正、反运动学的分析,运用SolidWorks对机械臂个部件进行了3D详细设计,采用ADAMS软件对机器人系统进行运动学和动力学仿真分析。通过仿真分析验证了所提方案的正确性合理性。最后就机器人的控制系统提出总体设计思想,讨论了驱动电机的选择、调速以及驱动电路的实现等,并且通过Matlab/SimuLink模块完成电机以及PWM信号的仿真,为研发这种新型全方位移动混联式操作臂机器人提供了必要的基础。研究的机器人系统运动灵活、稳定、承载能力强,可以实现平面内的全方位移动,应用前景比较广阔,可用于空间较为狭小的清扫、搬运、装配等工作。

5.在可适用于轮式移动机器人的地面环境内，有需要上下多级台阶的作业需要机器人完成，试分析论述给出轮式移动机器人与双足（或四足、六足）步行机器人联合使用创新设计的方案和完成作业控制策略。

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。

它的优点：第一，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。

第二，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。

第三，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不必考虑

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。

未来多足步行机器人的研究方向有如下几个方面：

1）足轮组合式步行机器人，2）仿生步行机器人。实际上这三种机器人都有各自的特点和适用场合，可以互相拟补各自的不足，互相取长补短，可以进行联合创新设计以满足多种工艺美术品环境下的实际需要，扩大机器人作业范围、作业类型。

设计的机器人行走机构主要性能指标要求如下：

①总体机构尺寸；②自重；搭载重量；③峰值速度；正常速度m/s；④能爬越垂直高度，障碍，可爬越普通标准楼梯；⑤爬坡能力不小于。

小型轮式机器人为研究对象，结合当前轮式机器人技术的发展，提出所需要的功能和需要满足的性能和指标，设计出小型轮式机器人行走机构。小型轮式机器人行走机构可做为探测、侦查、以及防爆等作业的搭载平台。

通过对国内外轮式机器人的性能以及结构的研究概况的调查分析，将国内外几种典型的轮式机器人行走机构的研究比较，总结并综合了其各自的优缺点，结合本文所研究的机器人的功能，提出小型四轮和六轮机器人行走机构的虚拟样机模型。四轮机器人采用四轮驱动、独立悬架结构。六轮机器人采用六轮驱动、集中控制和前后轮升降系统的结构组成。

对两种轮式机器人行走机构模型在如斜坡、台阶等障碍的非结构环境下进行了越障和转向等运动分析，在此前提下进行轮式机器人行走机构的结构尺寸设计，分别对机器人行走机构在平地和斜坡模式下所需的驱动电机功率进行计算，并根据结果对四轮机器人选用直流减速电机，对六

轮机器人选用了直流减速电机。根据电机和轮胎的尺寸对行走机构进行了包括驱动系统、链传动系统以及前后轮升降系统在内的机构设计，并使用建模软件UG完成了对轮式机器人行走机构零部件的三维参数化建模，绘出零件图。

在实验场地中，对小型四轮机器人进行了爬坡、爬楼梯、高台地形下的实验，测得数据，验证了四轮和六轮机器人行走机构运动速度、爬坡、爬楼梯的能力，能完成所提出的越障指标及性能。

第三篇：哈工大2010机械工程专业课作业

黑龙江省2010专业技术人员继续教育知识更新培训机械工程专业课作业

专业课作业：

11、PD控制方式的特点有哪些？适用于什么情况下？

答：对于各关节的独立使用PD这种线性反馈控制律可以保证渐进稳定性，且控制器容易设计。适用于工业机器人控制中。

12、基于位置控制的力控制系统、基于力矩控制的力控制系统分别适用于何种机器人操作臂？各有哪些特点？

答：分别适用于工业机器人大减速比操作臂和常用动力学研究的低减速比或者直接驱动（DD）型操作臂。其特点为：

（1）与既存在位置控制系统的整合性高，（2）与位置控制系统相独立的impedance特可容易地设定。

（3）无动力学补偿一般控制系统较简单。

（4）力控制系统（广义）性能为含稳定性的imer loop的位置控制系统频带、环境刚度所支配。

（5）若扩展位置控制系统带宽，受力传感器的动态影剧院响，容易造成、固定环境下的不稳定。

13、作为机器人控制基本的运动方式的动力学特征有哪些？

答：（1）M（q）的正定性：M（q）是对称且正定的矩阵。

（2）M（q）－2C（q,q）q的反对称性一适当地给定C(q,q)则其为反对称矩阵。

（3）参数显现的线性M（q）q+C（q，q）q+g（q）=Y（q，q）θ=τ。

（4）有线性存在适汉的Mm、MM、CM，GM，对于所有的qq有0＜Mm≤‖Mq‖《 MM‖ C（qq）‖《GM‖q‖‖g（q）‖《GM14、考虑实际机器人中存在不确定性的现实问题，模型的不确定性产生的根源有哪些？

答：（1）自身的机械制造、装配误差导致参数的不确定性。

（2）传动系统的刚度。

（3）齿轮舆论传动的；回差。

（4）啮合齿面间摩擦、轴承摩擦。

（5）机器人在操人过程中所受不可预知的外部扰动等等。

15、三种基本的双向控制类型各自特点、应用场合是什么？

答：对称型： 是由主从的位置偏差，面向修正该偏差的方向施加驱动力矩，不需要力检测器（力传感器）构成简单。但是受系统惯性力和摩擦力的影响。适用于主从臂质量都轻、低摩擦情况或者液压妪动系统。

力反射型：从臂由位置伺服系统构成，主臂是用从臂侧的力传感器检测出的反力来传递力的，从臂侧的反力易于获得，但是，通常情况下的机器人操作臂中，主臂的操作加重。适用于主臂质量轻、低摩擦情况。

力当还型：是力反射型的补充形式，主臂也位置伺服系统构成，主臂操作更容易实现，常用。

姓名：付昱飞

编号：101122010238

单位：哈尔滨辰能工大环保科技股份有限公司

第四篇：2013哈工大机械工程专业课作业2

9、利用橡胶弹性变形的微型气动驱动器的特点主要有：构造简单，易于小型化、无滑动部位，受摩擦影响较小、利用空气压力产生的力为表面力，力/自重比随着微小化将得以提高、随着微小化，作为橡胶构造体的固有频率上升，易于得到受振动影响小的稳定动作、柔软的构造，可动，作为微机械应用领域，有望在医疗、生物领域找到适用化背景。另外，用在管线内检查用机器人的情况下，1)不伤害管内壁；2)对于管道内径的变化有适用性等优点、不用电，有防爆性和耐水性。这非常适用于煤气管道、下水道、自来水管道等的检查作业，也适于体内检查作业等。

10、臂式FMA的结构为：由呈扇形分布的三个压力室的纤维强化橡胶管组成。

11、纤维强化橡胶是一种纤维与橡胶合成的复合材料，在弹性特性上有很强的各向异性。因此，FMA的外壁沿L方向难以伸长，而沿着与其成直角的T方向易于伸长。

12、FMA的驱动控制方法是：作为压力控制方法，通过脉宽调制信号驱动高速电磁阀（开关阀）驱动、使用压力控制阀等即可以模拟量驱动FMA。

13、由FMA驱动特性及实验研究得知：FMA可应用于臂式操作手、机器人手爪、步行机器人、蛇形管内移动机器人等柔性驱动机器人上。

14、Bubbler驱动器可以设计制作成平板、圆筒型两种；该类驱动器作为移动机器人驱动机构具有如下特点：作为薄形驱动器结构使用、因其为柔软结构体，不损伤对象物体，还能适应形状、在水中及有粉尘等环境下也能使用、力/体积比大。

15、FMA的浇注加工一般步骤是：(1)材料（橡胶本体、硬化剂等）计量，搅拌，脱泡；(2)注型；(3)硬化（加硫）；(4)离型（脱模）。

第五篇：哈工大机械工程继续教育2013专业课作业二已完成

黑龙江省2013专业技术人员继续教育知识更新培训课程作业

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2013年作业

说明：

初级职称学员“专业课作业一”为第1-8题；“专业课作业二”为9-15题。

中、高级职称学员“专业课作业”为1-20题；同时提交3000字左右“学习心得”一篇。

所有学员均需按要求提交“公需课作业”。

作业提交时间：以网站通知为准。

9、利用橡胶弹性变形的微型气动驱动器的特点主要有：构造简单，易于小型化、无滑动部位，受摩擦影响较小、利用空气压力产生的力为表面力，力/自重比随着微小化将得以提高、随着微小化，作为橡胶构造体的固有频率上升，易于得到受振动影响小的稳定动作、柔软的构造，可动，作为微机械应用领域，有望在医疗、生物领域找到适用化背景。另外，用在管线内检查用机器人的情况下，1)不伤害管内壁；2)对于管道内径的变化有适用性等优点、不用电，有防爆性和耐水性。这非常适用于煤气管道、下水道、自来水管道等的检查作业，也适于体内检查作业等。

10、臂式FMA的结构为：由呈扇形分布的三个压力室的纤维强化橡胶管组成。

11、纤维强化橡胶是一种纤维与橡胶合成的复合材料，在弹性特性上有很强的各向异性。因此，FMA的外壁沿L方向难以伸长，而沿着与其成直角的T方向易于伸长。

12、FMA的驱动控制方法是：作为压力控制方法，通过脉宽调制信号驱动高速电磁阀（开关阀）驱动、使用压力控制阀等即可以模拟量驱动FMA。

13、由FMA驱动特性及实验研究得知：FMA可应用于臂式操作手、机器人手爪、步行机器人、蛇形管内移动机器人等柔性驱动机器人上。

14、Bubbler驱动器可以设计制作成平板、圆筒型两种；该类驱动器作为移动机器人驱动机构具有如下特点：作为薄形驱动器结构使用、因其为柔软结构体，不损伤对象物体，还能适应形状、在水中及有粉尘等环境下也能使用、力/体积比大。

15、FMA的浇注加工一般步骤是：(1)材料（橡胶本体、硬化剂等）计量，搅拌，脱泡；(2)注型；(3)硬化（加硫）；(4)离型（脱模）。

20、从微小SCARA机器人、1英寸/2英寸管内移动机器人等微小机器人系统试制可以得出：对于集成化微小型机器人的研发，从微型伺服驱动器、微型摄像机、微型手爪三个大方面的都需要考虑特殊设计、特殊加工、装配工艺的技术问题，从而不断推进微小机器人技术进步。