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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(jī)器人設(shè)計 學(xué) 院： 機(jī)械工程學(xué)院
專業(yè)、班 級： 名：
指導(dǎo)教
一、選題依據(jù)
1. 論文(設(shè)計)題目：
基于Arduino樹干噴漆機(jī)器人設(shè)計
2. 研究領(lǐng)域：
機(jī)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(jī)器人是集機(jī)械、電子、控制、計算機(jī)、傳感器、人工智能等多學(xué)科先進(jìn) 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(jī)器人以來，機(jī)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(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)的自動化工具。廣泛采用工業(yè)機(jī)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(qiáng)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(jī)、 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一樣，工業(yè)機(jī)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(jī)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(jī)器人得到了廣泛的應(yīng)用。如在毛坯制造、機(jī)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(jī)器人都已 逐步取代了人工作業(yè)。隨著工業(yè)機(jī)器人向更深更廣方向的發(fā)展以及機(jī)器人智能化水 平的提高，機(jī)器人的應(yīng)用范周還在不斷地擴(kuò)大，已從汽車制造業(yè)推廣到其他制造業(yè)， 進(jìn)而推廣到機(jī)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(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人、分配機(jī)器人、裝配機(jī)器 人、噴漆機(jī)器人及搬運(yùn)機(jī)器人等工業(yè)機(jī)器人都已被大量采用。機(jī)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(qiáng)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(jī)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(jìn)步，目前技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，并且在汽車、手機(jī)、 五金衛(wèi)浴等行業(yè)應(yīng)用廣泛。
噴涂機(jī)器人又叫噴漆機(jī)器人(spray painting robot)，是可進(jìn)行自動噴漆或噴涂其 他涂料的工業(yè)機(jī)器人。噴涂機(jī)器人具備四大優(yōu)點(diǎn)，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(hù)，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(dá)90%-95%。噴涂機(jī)器人的大量運(yùn)用 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(jī)器人是集智能化、現(xiàn)代化于一身的先進(jìn)工業(yè)設(shè)備，將運(yùn) 動學(xué)、動力學(xué)、能源、機(jī)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(jī)器人能夠研制出來，對人類在體力勞動的解放，用機(jī)器 取代體力勞動，代替人去在復(fù)雜的環(huán)境下進(jìn)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(xiàn)。
總結(jié)，機(jī)器人的發(fā)展很快，對人類雙手的解放做出了杰出的貢獻(xiàn)。噴漆機(jī)器人可 以在復(fù)雜環(huán)境下代替人類去工作，既可以實(shí)現(xiàn)高效率、高質(zhì)量的工作，同時起到了保 護(hù)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(jī)器人又稱為噴漆機(jī)器人(spray painting robot)，是可進(jìn)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(tuán))發(fā)明。噴涂機(jī)器 人主要由機(jī)器本體，計算機(jī)控制系統(tǒng)等組成，通過液壓、氣壓或電機(jī)進(jìn)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(yùn)動空間，可以進(jìn)行復(fù)雜的軌跡運(yùn)動，其執(zhí)行 機(jī)構(gòu)即腕部有2—3個自由度，可以靈活運(yùn)動。噴漆機(jī)器人廣泛運(yùn)用于汽車、儀表、 電器、搪瓷等工藝部門。
噴涂機(jī)器人具備四大優(yōu)點(diǎn)，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(hù)，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(dá)90%-95%。
汽車噴涂：按是否具有沿著車身輸送鏈運(yùn)行方向水平移動的功能，分為帶軌道式 和固定安裝式機(jī)器人；按安裝位置的不同，分為落地式和懸臂式機(jī)器人。落地式機(jī)器 人具有易于維護(hù)清潔的優(yōu)點(diǎn)。帶軌道式機(jī)器人則具有工作范圍相對較大的優(yōu)點(diǎn)。而懸 臂式機(jī)器人則可減少噴房寬度尺寸，達(dá)到減少能耗的作用。機(jī)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(kuò)大。
(1) 點(diǎn)焊：汽車零件點(diǎn)焊是機(jī)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(jī)器人點(diǎn)焊，已占點(diǎn)焊工作量的80 %以上。這是由于，機(jī)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(dá)士 0.1mm。同時，與其配套的焊裝夾具的定位精 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(yùn)：上下料搬運(yùn)是汽車工業(yè)機(jī)器人的第二大應(yīng)用領(lǐng)域。上下料機(jī) 器人是固定的，而搬運(yùn)機(jī)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(jī)器人現(xiàn)在 從單機(jī)使用走向了生產(chǎn)線使用。
（4） 裝配：現(xiàn)在裝配機(jī)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(jī)器人的研究：
噴漆是目前我國汽車工業(yè)中應(yīng)用機(jī)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TOK1OCO.ARMSTAR噴漆機(jī)器人（加長臂）和一臺往 復(fù)機(jī)，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(yùn)轉(zhuǎn)了 4年，平均無故障時間達(dá)10Oh以上（如不計人為因素，則 平均無故障時間達(dá)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(jī)器人、兩臺頂噴機(jī)兩臺日本IWATA公司的側(cè)噴機(jī)，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(jī)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(jī)器人，北京汽車 制造廠有1臺ROBOTPJ 一 1和1臺TRALLFA噴漆機(jī)器人,南京汽車廠有1臺自制的五 軸噴漆機(jī)器人。
汽車工業(yè)中，國產(chǎn)機(jī)器人的數(shù)量增加和技術(shù)進(jìn)步都很快。目前，我國機(jī)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(dá)士 0 .5 mm左右，運(yùn)動 學(xué)和動力學(xué)特性基本能夠滿足生產(chǎn)需要（但機(jī)器人手臂的材質(zhì)不過關(guān),影響了機(jī)器抓 重級和工作精度）。通過引進(jìn)與消化國外先進(jìn)技術(shù),使微型驅(qū)動電機(jī)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(jī)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(jī)器人主要是單機(jī)生產(chǎn),價格一直很高;且維修服務(wù)和用 戶技術(shù)培訓(xùn)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(diǎn)。
發(fā)展趨勢
目前世界上所有發(fā)達(dá)國家如美國、日本、蘇聯(lián)、西德等，都把發(fā)展機(jī)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(jī)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(jī)器人需要外，還給予價格補(bǔ)貼, 以彌補(bǔ)機(jī)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(dá)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(dá)國家采取一系列鼓勵政策，機(jī)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(shí)驗(yàn)室正研制一種最復(fù)雜最尖端的計算機(jī)控制 的酷似真人的機(jī)器人。這個取名為曼尼的機(jī)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(yùn)動，現(xiàn) 在正處于第三次革新浪潮中，估計到本世紀(jì)末將可能卷入到以“機(jī)器人革命”為基礎(chǔ)的 浪潮中去，這必將以第五代計算機(jī)的實(shí)用化為轉(zhuǎn)機(jī)，迎來一場“向機(jī)械電子人接近”的 風(fēng)暴。智能機(jī)器人進(jìn)工廠、農(nóng)場、戰(zhàn)場、太空、商店及家庭的時代為期不遠(yuǎn)了。現(xiàn)在 就主要工業(yè)發(fā)達(dá)國家機(jī)器人技術(shù)發(fā)展概況分述于后。
自工業(yè)機(jī)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(jī)器人 UNIMAT就安裝在美國通用汽車公司。機(jī)器人應(yīng)用早期，汽車工業(yè)對機(jī)器人的需求量 占機(jī)器人市場份額的50 %以上,目前占3 5 %。自機(jī)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(jī)器人，發(fā)展到數(shù)控式機(jī)器人或智能化機(jī)器人。其控制系統(tǒng) 已由簡單的機(jī)械裝置發(fā)展到復(fù)雜的電子計算機(jī)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(kuò)展。機(jī)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(jī)器人尚屬第一、第二代機(jī)器人。而第三代機(jī)器人正是當(dāng) 前主攻的方向，一旦第五代計算機(jī)研制成功，則機(jī)器人的智能化程度更高、功能更完 善。
（一）從機(jī)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(jī)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(jī)器人中心，并在美國、西班牙和法國設(shè)立分 廠，機(jī)器人銷售額達(dá)7千萬美元。近年來機(jī)器人制造業(yè)出現(xiàn)兼并現(xiàn)象。如世界著名的噴 漆機(jī)器人生產(chǎn)廠一挪威的Trallfa公司被瑞典的AsEA公司兼并，美國uinmaiton公司可 控制美國機(jī)器人市場的50 %。有關(guān)專家預(yù)言到1996年世界將有大批機(jī)器人工廠倒閉, 機(jī)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(jī)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) 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(jìn)入機(jī)器人產(chǎn)業(yè)中，開始成為機(jī) 器人產(chǎn)生中的主體。如1985年,日本機(jī)器人產(chǎn)業(yè)中,電子電器廠家占廠家總數(shù)的62%。
（二）機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展趨勢據(jù)專家預(yù)側(cè):機(jī)器人技術(shù)在未來15年內(nèi)將進(jìn)入一個 新時期，其發(fā)展趨勢為：
材料:機(jī)器人材料趨向輕型化和高強(qiáng)度化，包括有機(jī)材料和無機(jī)材料，而純金屬型 機(jī)器人將日益減少。形狀記憶合金新材料視為第三代機(jī)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(jī)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(jī)構(gòu)，并且形式多種多樣。傳 感器系統(tǒng):工作更可靠、準(zhǔn)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(jī)械加工方法 如激光來切割、焊接或其它高能加工法。
機(jī)器人驅(qū)動結(jié)構(gòu):將采用生物機(jī)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(jī)器人語言，其設(shè)計趨向標(biāo)準(zhǔn)化和簡單化。
集成系統(tǒng):實(shí)現(xiàn)人一機(jī)對話，更好地與外部設(shè)備相連接。
精密裝配機(jī)器人:主要用在汽車裝配、計算機(jī)、彩電、手表、大規(guī)模集成電路等 裝配線機(jī)器人。
據(jù)稱瑞典AsEA公司生產(chǎn)的IRB 一 100型精密裝配機(jī)器人是世界上最快速的機(jī)器 人。目前正努力使裝配機(jī)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(jī)器人：目前水下機(jī)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(yán)重地影響水下機(jī)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(jī)器人是當(dāng)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(jī)器人。
二、論文（設(shè)計）研究的內(nèi)容
1. 重點(diǎn)解決的問題
（1） 噴漆機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的搭建.
（2） 噴漆機(jī)器人噴漆工作的實(shí)現(xiàn)方式.
（3） 噴漆機(jī)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(jī)械系統(tǒng)的有機(jī)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(jī)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]o本研究主要從樹干噴涂機(jī)器人 的信息捕捉、信息處理、路線優(yōu)化、噴漆功能的實(shí)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(jìn)行推廣，把噴涂機(jī) 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(jī)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(jī)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(jī)選型
3.3車體尺寸設(shè)計
3.4噴涂機(jī)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
3.7本章小結(jié)
4. 系統(tǒng)三維建模及其功能
4.1機(jī)械系統(tǒng)架構(gòu)
4.2機(jī)械系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能
4.3傳感系統(tǒng)構(gòu)架
4.4傳感系統(tǒng)實(shí)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(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核
5.2運(yùn)動分析
5.3運(yùn)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(jī)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
10
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：
第二步：
通過Solickworks三維設(shè)計軟件，將機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。
基于工作室的平臺搭建機(jī)器人。
第三步：
第四步：
應(yīng)用Arduino控制系統(tǒng)對機(jī)器人進(jìn)行控制檢測各方面的性能。 將超聲波傳感器、視覺傳感器等傳感器安裝在機(jī)器人上。
第五步： 第六步：
設(shè)置模擬日常樹干涂白工作環(huán)境，對機(jī)器人進(jìn)行實(shí)際的檢驗(yàn)。
撰寫研究成果報告。
論文（設(shè)計）進(jìn)度計劃
第一周：
查閱相關(guān)文獻(xiàn)，收集資料，了解設(shè)計內(nèi)容。
第二周：
第三周：
閱讀參考文獻(xiàn)，明確設(shè)計內(nèi)容及方案。 總體方案設(shè)計，撰寫開題報告。
第四周：
第五周：
修改及完善開題報告，擬定設(shè)計方案。
分析設(shè)計方案可行性，并做修改。
第六周：
第七周：
各機(jī)構(gòu)具體設(shè)計方案分析。
分塊進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計，完善設(shè)計方案。
第八周：
第九周：
對設(shè)計方案進(jìn)行三維構(gòu)圖設(shè)計。 對機(jī)構(gòu)三維設(shè)計進(jìn)行分析，檢查功能。
第十周：
進(jìn)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(jī)械結(jié)構(gòu)合并。
第十二周：對這個設(shè)計進(jìn)行分析，檢查是否能夠完成預(yù)定功能。
第十三周：進(jìn)行運(yùn)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(zhǔn)備答辯內(nèi)容，參加畢業(yè)答辯。
四、需要閱讀的參考文獻(xiàn)
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文獻(xiàn)綜述
1. Arduino平臺簡介
Arduino是源自意大利的一個教學(xué)用開源硬件項(xiàng)目，主要是為希望嘗試創(chuàng)建交互 式物理對象的實(shí)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(fèi)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(jī)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(jī)開發(fā)的，并且大量應(yīng)用通用和標(biāo)準(zhǔn)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(jī)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(jī)開發(fā)，并且大量應(yīng)用通用和標(biāo)準(zhǔn)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(jiān)實(shí)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(dá)環(huán)境給予的各類刺激。
3. 工業(yè)機(jī)器人發(fā)展
自工業(yè)機(jī)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(jī)器 人UNIMAT就安裝在美國通用汽車公司。機(jī)器人應(yīng)用早期，汽車工業(yè)對機(jī)器人的需求 量占機(jī)器人市場份額的50 %以上，目前占3 5 %。自機(jī)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(jī)器人，發(fā)展到數(shù)控式機(jī)器人或智能化機(jī)器人。其 控制系統(tǒng)已由簡單的機(jī)械裝置發(fā)展到復(fù)雜的電子計算機(jī)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(kuò)展。機(jī)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(jī)器人尚屬第一、第二代機(jī)器人。而第三代機(jī)器人正是 當(dāng)前主攻的方向，一旦第五代計算機(jī)研制成功，則機(jī)器人的智能化程度更高、功能 更完善。
4. 噴漆機(jī)器人簡介
噴涂機(jī)器人又稱為噴漆機(jī)器人(spray painting robot)，是可進(jìn)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(tuán))發(fā)明。噴 涂機(jī)器人主要由機(jī)器本體，計算機(jī)控制系統(tǒng)等組成，通過液壓、氣壓或電機(jī)進(jìn)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(yùn)動空間，可以進(jìn)行復(fù)雜的軌跡運(yùn)動, 其執(zhí)行機(jī)構(gòu)即腕部有2—3個自由度，可以靈活運(yùn)動。噴漆機(jī)器人廣泛運(yùn)用于汽車、 儀表、電器、搪瓷等工藝部門。
噴涂機(jī)器人具備四大優(yōu)點(diǎn)，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(hù)，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(dá)90%-95%。
汽車噴涂機(jī)器人：按是否具有沿著車身輸送鏈運(yùn)行方向水平移動的功能，分為 帶軌道式和固定安裝式機(jī)器人；按安裝位置的不同，分為落地式和懸臂式機(jī)器人。 落地式機(jī)器人具有易于維護(hù)清潔的優(yōu)點(diǎn)。帶軌道式機(jī)器人則具有工作范圍相對較大 的優(yōu)點(diǎn)。而懸臂式機(jī)器人則可減少噴房寬度尺寸，達(dá)到減少能耗的作用。機(jī)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(kuò)大。
5. 噴涂機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計
主體噴涂機(jī)構(gòu)由噴涂機(jī)械手臂、龍門架及對應(yīng)的支撐運(yùn)動等部分組成。其中噴 涂機(jī)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(jī)械手臂可以進(jìn)行俯仰運(yùn)動從而實(shí)現(xiàn)噴涂機(jī)械手臂的收放，以便在行 走過程中放下手臂，減少機(jī)構(gòu)的空間占用。噴涂機(jī)械手臂可以在縱向運(yùn)動機(jī)構(gòu)帶動 下與龍門架一起，實(shí)現(xiàn)噴涂機(jī)械手臂伸縮運(yùn)動以調(diào)整機(jī)器人與樹木之間的距離；噴 涂機(jī)械手臂也在鏈條的帶動下沿龍門架上的導(dǎo)軌上下運(yùn)動，在上下運(yùn)動過程中對樹 進(jìn)行噴涂。主體噴涂機(jī)構(gòu)安裝在帶有四輪的移動小車上，小車具有避震機(jī)構(gòu)，其轉(zhuǎn) 向利用左右輪速差實(shí)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(diǎn)。
紅外線傳感器包括光學(xué)系統(tǒng)、檢測元件和轉(zhuǎn)換電路。光學(xué)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?yàn)闊崦綦娮杩煞譃檎郎囟认禂?shù)熱敏電阻 和負(fù)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、錯及硅摻雜 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。
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(xiàn)綜述等方面進(jìn)行評 閱）
簽字： 年 月 日
教研室主任意見
簽字： 年 月 日
學(xué)院教學(xué)指導(dǎo)委員會意見
簽字： 年 月 日
公章：
15
摘 要
本文將機(jī)器人自動控制技術(shù)與人機(jī)一體化技術(shù)結(jié)合起來，使用Solidworks、CAD分析等軟件設(shè)計研究樹干噴涂機(jī)器人，使其能夠完成樹干噴涂機(jī)器人的設(shè)計任務(wù)、理論分析任務(wù)、加工制作任務(wù)、控制系統(tǒng)檢測任務(wù)。在進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，充分利用Solidworks軟件的功能，使設(shè)計具有圖形化、模塊化、層次化的結(jié)構(gòu)，提高了設(shè)計效率。在進(jìn)行設(shè)計結(jié)構(gòu)分析過程中，充分利用有Solidworks、CAD軟件的功能，使分析過程更加合理，分析結(jié)果準(zhǔn)確。在設(shè)計完成后，進(jìn)行加工制造，發(fā)現(xiàn)加工過程中的問題，進(jìn)一步完善作品。最后使用Arduino控制板。對樹干噴涂機(jī)器人進(jìn)行了控制。所以本課題設(shè)計研究的樹干噴涂機(jī)器人，對于機(jī)電一體會技術(shù)的應(yīng)用、軟件的分析處理功能的應(yīng)用、制造過程中問題的解決都具有重要意義。
關(guān)鍵字：樹干噴涂技術(shù)，機(jī)電一體化技術(shù)，Solidworks，CAD，Arduino
ABSTRACT
In this paper, we combined The robot automatic control technology and man-machine integration technology combined with Solidworks, CAD analysis software design of trunk spraying robot, which can complete the design task of trunk spraying robot, task analysis, task processing, detection task control system. The mechanical structure design process, make full use of Solidworks software functions. The design has the graphical, modular, hierarchical structure and improve the design efficiency. In the course of structural analysis, make full use of Solidworks, the function of CAD software, make the analysis more Reasonable and accurate analysis results. Upon completion of the design, manufacturing, processing and found problems in the process, to further improve the work. Finally, using the Arduino control panel. The trunk spraying robot was controlled. So this topic design of trunk spraying robot, the application of mechatronic technology, application analysis software that is of great significance to solve the problems in the manufacturing process.
Key words: Trunk spraying technology, mechatronic technology, Solidworks, CAD, Arduino
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目 錄
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1. 緒論 1
1.1 課題的目的和意義 1
1.2 國內(nèi)外噴涂機(jī)器人發(fā)展概況 1
1.3 本論文研究的主要內(nèi)容 3
2. 樹干噴涂機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計 4
2.1 樹干噴涂機(jī)器人車身設(shè)計 4
2.2 樹干噴涂機(jī)器人石灰水箱設(shè)計 8
2.3 電機(jī)、車輪、水泵的選型 11
2.4 本章總結(jié) 15
3. 樹干噴涂機(jī)器人機(jī)械手設(shè)計 16
3.1 機(jī)械手設(shè)計 16
3.2機(jī)械手升降結(jié)構(gòu)設(shè)計 19
3.3 軸承的選型與設(shè)計 23
3.4 四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動示意圖 24
3.5 本章小結(jié) 24
4. 控制結(jié)構(gòu)設(shè)計 25
4.1 Arduino控制方案 25
4.2 控制程序設(shè)計流程圖 26
4.3 本章小結(jié) 27
5. 樹干噴涂機(jī)器人實(shí)物制作 27
5.1 制作過程中遇到的問題 27
5.2 問題的解決方案 27
5.3 實(shí)物展示 28
6. 結(jié)論 30
參考文獻(xiàn) 31
致謝 32
附錄1 外文翻譯 33
附錄2 外文原文 43
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樹干噴涂機(jī)器人設(shè)計
1.緒論
1.1 課題的的目的和意義
噴涂機(jī)器人又叫噴漆機(jī)器人（spray painting robot）， 是可以進(jìn)行自動噴漆工作或輔助其他設(shè)備進(jìn)行其他材料的噴涂。噴漆機(jī)器人具備四大優(yōu)點(diǎn)，其一是自身結(jié)構(gòu)柔性大，自身實(shí)現(xiàn)工作的范圍大；其二是相比人工噴涂它可提高噴涂質(zhì)量和材料使用率；其三是整體結(jié)構(gòu)易于操作和維護(hù)，可進(jìn)行離線編程，大大的縮短現(xiàn)場調(diào)試時間；其四是設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)利用率高，利用率可達(dá)90%-95%。噴涂機(jī)器人的大量運(yùn)用，使得在危險環(huán)境下工作的勞動力得以解放，同時也提高了汽車生產(chǎn)制造的生產(chǎn)效率，并保證了極高的噴涂質(zhì)量，降低成品返修率，同時使得油漆利用率得到提高，減少了廢油漆、廢溶劑的排放量，有助于構(gòu)建新型環(huán)保的綠色工廠。
樹干噴涂機(jī)器人與傳統(tǒng)的人力噴涂相比，它的工作效率很高，它自身攜帶大容量的石灰水箱，還有石灰水灌入機(jī)構(gòu)，可以勾兌石灰水，往自身的石灰水箱罐裝石灰水，提升了自身的作業(yè)時間，可以長時間工作。
樹干噴涂機(jī)器人未來如果推廣將迅速占領(lǐng)整個市場，將取代傳統(tǒng)的人工噴涂作業(yè)，用機(jī)器自主工作。在國內(nèi)隨處都可以看見很多大大小小的樹木，那么對其在冬天的涂白工作將是很繁重的工作，所以我們的樹干噴涂機(jī)器人將會迅速占領(lǐng)市場。
樹干噴涂機(jī)器人所帶來的經(jīng)濟(jì)效益是一筆巨大的財產(chǎn)。
1.2 國內(nèi)外噴涂機(jī)器人發(fā)展概況
國外工業(yè)機(jī)器人技術(shù)在當(dāng)今已經(jīng)相當(dāng)成熟，且在自動化生產(chǎn)過程中已裝備機(jī)器人數(shù)量龐大，從剛開始各類通用和專業(yè)機(jī)器人的研制生產(chǎn)，到現(xiàn)在發(fā)展成為一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備被工業(yè)界廣泛應(yīng)用。工業(yè)機(jī)器人及自動化生產(chǎn)線成套裝備，己成為高端裝備的重要組成部分，這也成為一種自動化生產(chǎn)的發(fā)展趨勢。在汽車生產(chǎn)線、機(jī)械加工行業(yè)、立體式自動停車庫、電子電氣行業(yè)、食品加工工業(yè)、物流、制造業(yè)等領(lǐng)域已經(jīng)廣泛應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人。在全球出現(xiàn)了一批有競爭力的知名機(jī)器人公司，包括：ABB Robotics、American Robot、KUKA、FANUC、S-T Robotics、YASKAWA、Adept Technology、Emerson等，這些世界級的公司進(jìn)行研發(fā)得時間早、目前技術(shù)成熟，它們開發(fā)的機(jī)器人已經(jīng)向高性能、結(jié)構(gòu)模塊化和可重構(gòu)化、可感知范圍越來越廣和人機(jī)交互功能更強(qiáng)等方面發(fā)展，其機(jī)器人大規(guī)模生產(chǎn)水平高，并能制造出先進(jìn)的自動化生產(chǎn)線，基本上壟斷了世界工業(yè)機(jī)器人市場。其中，日本擁有機(jī)器人的數(shù)量和產(chǎn)量最多，日本和德國的工業(yè)機(jī)器人及其生產(chǎn)線在全世界中生產(chǎn)應(yīng)用最廣、最為先進(jìn)。
面對國外成熟技術(shù)和國內(nèi)薄弱的機(jī)器人基礎(chǔ)，中國的機(jī)器人行業(yè)正面臨著如何與國際接軌、參與國際分工的巨大挑戰(zhàn)。因此加快進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人的研究、開發(fā)與生產(chǎn)是我國從制造大國邁向制造強(qiáng)國的重要手段和必要途徑，必須堅(jiān)持不懈的努力發(fā)展高、精、尖、智能化的工業(yè)機(jī)器人。
我國現(xiàn)代機(jī)器人研究和開發(fā)開始于20世紀(jì)70年代，到80年代中期進(jìn)入現(xiàn)代機(jī)器人的快速發(fā)展階段，在二十一世紀(jì)開始進(jìn)入到機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化階段，經(jīng)過十多年努力，我國機(jī)器人裝機(jī)容量實(shí)現(xiàn)很大的突破，開始向機(jī)器人全產(chǎn)業(yè)鏈的生產(chǎn)制造發(fā)展。國家大力扶持機(jī)器人技術(shù)和產(chǎn)業(yè),國家科技攻關(guān)計劃、國家高技術(shù)研究與發(fā)展計劃等，都將機(jī)器人的研究和開發(fā)列為我國機(jī)器人行業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)。
我國機(jī)器人的研究開發(fā)，主要集中在高等院校的重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和各研究所中，如清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中國科學(xué)研究院大學(xué)、上海交通大學(xué)、南開大學(xué)等高校，他們在機(jī)器人的基礎(chǔ)技術(shù)研究以及原理性樣機(jī)研制方面做了大量的研究工作，并為國內(nèi)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)，生產(chǎn)制作的試驗(yàn)樣機(jī)在很多方面取得接近或超過國際先進(jìn)水平的一系列成果，但距離投入實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用，還存在很大的差距，研究的成果不能在短時間內(nèi)投入到工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化、大批量的工業(yè)生產(chǎn)。目前，我國對于機(jī)器人的研發(fā)主要包括數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵技術(shù)與裝備、機(jī)器人各類自動生產(chǎn)線、優(yōu)化機(jī)器人各種操作、智能控制以及對應(yīng)的軟硬件設(shè)計和機(jī)器人運(yùn)動軌跡規(guī)劃等。
噴涂機(jī)器人的應(yīng)用范圍很廣,我國目前的主要應(yīng)用市場還在汽車行業(yè), 機(jī)械、電子、輕工行業(yè)，這些行業(yè)對噴涂機(jī)器人的需求比例也在逐年上升。國內(nèi)研制生產(chǎn)了至少5個品種40余臺,但是其中真正用于生產(chǎn)的只有不到30臺。其中機(jī)械電子部北京自動化研究所生產(chǎn)的PT系列噴漆機(jī)器人得到了較好的評價。
噴涂機(jī)器人是一種主要用于表面加工、與進(jìn)行美化工作的特殊機(jī)器人，可以實(shí)現(xiàn)環(huán)保、高效率和柔性加工生產(chǎn)的需要，因而在現(xiàn)代化的自動噴涂生產(chǎn)線上有望取代人工進(jìn)行噴涂工作。涂層的厚度、均勻度、光澤度和豐滿度等是涂裝表面質(zhì)量進(jìn)行評價的重要指標(biāo)也是噴涂機(jī)器人的重要檢測指標(biāo)。噴涂機(jī)器人實(shí)現(xiàn)安全環(huán)保、高效和高質(zhì)量的噴涂工作，是未來自動化涂裝生產(chǎn)線上必不可少的噴涂設(shè)備。采用噴漆機(jī)器人進(jìn)行噴漆工作的主要優(yōu)點(diǎn)是可以提高產(chǎn)品質(zhì)量和加工穩(wěn)定性，減少廢品率，同時減少噴涂材料和能量的浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)涂裝的自動化生產(chǎn)，提高勞動生產(chǎn)效率。
在我國眾多的中、小型家具、家用電器和小型機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品加工過程中,雖然在漆料控制、物料傳送以及烘干過程等中運(yùn)用不同程度的機(jī)械化、自動化裝備,但是在面對像噴涂這樣一個單調(diào)、重復(fù)的動作時，仍多采用人工噴漆或刷漆,這樣的加工過程，環(huán)境惡劣且操作的隨意性大,很難保證噴漆質(zhì)量的穩(wěn)定性。因此,開發(fā)經(jīng)濟(jì)實(shí)用的噴漆機(jī)器人有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。
1.3 本論文研究的主要內(nèi)容
本文通過對工業(yè)機(jī)器人的研究學(xué)習(xí)，在對工業(yè)噴漆機(jī)器人進(jìn)行深入了解之后，將工業(yè)噴漆技術(shù)應(yīng)用到樹干涂白工作，用噴漆機(jī)器人取代人工去完成樹干涂白工作，或者作為輔助設(shè)備，幫助人們?nèi)ネ瓿蓸涓赏堪坠ぷ?。樹干噴涂機(jī)器人是將機(jī)械和電子控制結(jié)合在一起的機(jī)電一體化產(chǎn)品，機(jī)械結(jié)構(gòu)主要采用滾珠絲杠結(jié)構(gòu)、四桿機(jī)構(gòu)（平行四邊形原理）、車身設(shè)計等，控制結(jié)構(gòu)主要采用Ardunio控制軟件控制各部分機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)動。樹干噴涂機(jī)器人的三維建模圖如圖1-1所示。
本論文設(shè)計的主要內(nèi)容如下：
（1）樹干噴涂機(jī)器人的三維建模模型。
（2）車身結(jié)構(gòu)、噴涂機(jī)械手、噴嘴、機(jī)械手升降機(jī)構(gòu)、石灰箱、石灰水罐裝機(jī)等機(jī)構(gòu)的設(shè)計。
（3）各種機(jī)構(gòu)的設(shè)計計算說明。
（4）控制程序設(shè)計。
（5）實(shí)物制作及制作過程中問題的解決。
圖1-1樹干噴涂機(jī)器人三維建模圖
2 樹干噴涂機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計
2.1樹干噴涂機(jī)器人車身設(shè)計
2.1.1設(shè)計信息采集
在連大校園內(nèi)有很多樹木，我們通過隨機(jī)采樣，在校園內(nèi)采集100顆樹木的周長，對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，以確定機(jī)械手的大小。將采集到的信息繪制成如表2-1所示的信息表格。信息主要來源于防火通道、紀(jì)念園、博學(xué)樓、日新樓、圖書館輔樓等地域。
表2-1 樹干周長數(shù)據(jù)采集表
樹干周長數(shù)據(jù)采集表(單位mm)
第一組
820
452
553
675
386
643
589
712
623
675
第二組
635
662
658
521
489
623
716
489
636
710
第三組
860
526
812
536
713
537
612
659
732
649
第四組
667
676
692
472
589
610
709
761
351
489
第五組
872
743
638
532
616
731
698
543
578
649
第六組
359
796
742
543
487
618
637
483
569
616
第七組
803
433
1543
428
627
584
716
598
629
389
第八組
576
652
1375
506
489
537
645
572
613
716
第九組
623
489
536
623
754
1232
631
598
703
812
第十組
498
267
562
581
629
638
710
529
533
596
在校園內(nèi)進(jìn)行隨機(jī)采樣，收集了20顆樹木的涂白高度，如表2-2所示。
表2-2樹干涂白高度信息表
樹干涂白高度（單位mm）
第一組
1052
1092
1011
1048
1073
1100
1046
1013
1089
598
第二組
578
1043
1038
1058
1036
1073
1035
1029
1047
1053
在校園內(nèi)進(jìn)行隨機(jī)采樣，收集了10個樹木圍欄尺寸，如表2-3所示。
表2-3樹干圍欄尺寸信息表
樹干圍欄尺寸（單位mm）
圍欄尺寸
1286
1105
1147
1242
1156
1238
1167
1138
1256
1249
2.1.2 信息處理結(jié)果
采用繪制散點(diǎn)圖、折線圖等數(shù)據(jù)處理方法，對所采集到的信息進(jìn)行處理，處理結(jié)果如圖2-1、圖2-2、圖2-3所示。
圖2-1樹干周長采集散點(diǎn)圖
圖2-2樹干涂白高度折線圖
圖2-3樹干圍欄尺寸折線圖
通過散點(diǎn)圖、折線圖可以直觀的看出，樹干周長主要集中在500mm—700mm之間，樹干涂白高度主要集中在1000mm—1100mm之間，樹干圍欄尺寸主要集中在1100mm—1300mm之間。
2.1.3車身設(shè)計參數(shù)選擇
根據(jù)取樣調(diào)查結(jié)果顯示，樹干涂白高度在1000—1100mm之間，為了方便車身結(jié)構(gòu)設(shè)計，我們選用1050mm作為樹干涂白高度。
根據(jù)取樣調(diào)查結(jié)果顯示，樹干周長主要集中在500-700mm之間，通過公式，得樹干的半徑是在79.58—111.41之間，因?yàn)闃涓蓢娡繖C(jī)器人的機(jī)械手要完全包裹住樹干，故機(jī)械手的半徑要大于111.41mm，取整之后我們采用半徑為120mm的機(jī)械手。
根據(jù)取樣調(diào)查結(jié)果顯示，樹干圍欄尺寸在1100—1300mm之間，且主要集中分布在1200mm左右，為了方便車身結(jié)構(gòu)的設(shè)計，我們采用1200mm的樹干圍欄尺寸，圍欄面積為，假設(shè)每棵樹都種在圍欄的中間位置，那么根據(jù)結(jié)果計算出樹干的圓心到圍欄邊的尺寸為600mm。
最終確定車身尺寸為：450*390*1200mm,第一層高度240mm,第二層高度700mm。
2.1.4車身結(jié)構(gòu)方案
車身結(jié)構(gòu)采用雙層結(jié)構(gòu)，主體噴涂機(jī)構(gòu)由噴涂機(jī)械手臂、龍門架及對應(yīng)的支撐運(yùn)動等部分組成，第一層主要放置驅(qū)動機(jī)構(gòu)，放置四個伺服驅(qū)動電機(jī)、一個滾珠絲杠驅(qū)動電機(jī)、石灰水箱與機(jī)械手連接的水泵。第二層主要放置石灰水箱與石灰水灌裝機(jī)。第一層與第二層之間進(jìn)行焊接，將它們連接在一起。然后，將機(jī)械手升降機(jī)構(gòu)安裝在車身上組成完整的樹干噴涂機(jī)器人的車身結(jié)構(gòu)。設(shè)計圖如2-4所示。
圖2-4樹干噴涂機(jī)器人三維模型圖
2.2 樹干噴涂機(jī)器人石灰水箱設(shè)計
2.2.1 石灰水箱尺寸設(shè)計
樹干噴涂機(jī)器人為了適應(yīng)長時間的作業(yè)，就需要大容量的石灰水箱與其相配合，更有效的進(jìn)行工作。
根據(jù)調(diào)查結(jié)果顯示，樹干的半徑為79.58—111.41mm，通過公式得樹干的底面積為19895.05—38992.89，根據(jù)調(diào)查顯示，樹干的涂白高度為1200mm，通過公式得樹干涂白源體積為23874054.4—46791468.0。
假設(shè)樹干的涂白厚度為0.5mm。
通過計算得樹干的涂白后的體積為24175710.6—47213795.0，通過計算的樹干的涂白層厚度的體積為301656.2—422327.02，折算后涂層體積為0.30—0.42L。
在噴涂機(jī)器人車身的第二層設(shè)計了石灰水箱，尺寸為,石灰水箱的容積為54.87L，能夠噴涂樹木個數(shù)為182—130棵。
這樣的石灰水箱可以為樹干噴涂機(jī)器人提供長達(dá)180棵樹木的噴涂工作，實(shí)現(xiàn)了樹干噴涂機(jī)器人的長時間、高效率的作業(yè)功能。
2.2.2石灰水的罐裝設(shè)計
樹干噴涂機(jī)器人作業(yè)需要石灰水的罐裝，車載石灰水箱的容積為54.87升。在一次作業(yè)完畢后，需要罐裝新的石灰水，所以需要設(shè)計石灰水罐裝機(jī)構(gòu)。
石灰水是由生石灰10份、水30份、食鹽1份，粘著劑（如粘土、油脂等）1份等組成，其中具有殺菌治蟲的作用是生石灰，延長作用時間的成分是食鹽和粘著劑，還可并在其中加入有針對性的殺蟲劑以提高整體效果。
所以石灰水罐裝機(jī)構(gòu)需要考慮到石灰水中的顆粒、殘?jiān)入s質(zhì)，通過對比調(diào)查我們最終選用，石灰水罐裝口徑為105mm，罐裝口深80mm，過濾網(wǎng)口寬度3mm，石灰水罐裝輸水口口徑50mm，側(cè)注水口口徑18mm。如圖2-5所示。圖2-6是實(shí)物制作石灰水罐裝管道圖，圖2-7是石灰水罐裝機(jī)構(gòu)罐裝口圖。
圖2-5 石灰水注水裝置外形圖 圖2-6石灰水罐裝管道圖
圖2-7石灰水罐裝機(jī)構(gòu)罐裝口圖
2.3電機(jī)、車輪、水泵的選型
2.3.1 電機(jī)的選型
樹干噴涂機(jī)器人將要工作在磚瓦路，因?yàn)槁访娌黄剑页３鲂〈蟠笮⌒〉目p隙、與大小不一的石子。所以電機(jī)的選擇很重要。
圖2-8車輪電機(jī)圖
機(jī)械所需輸入功率Pw由機(jī)器工作阻力和運(yùn)動參數(shù)計算求得,即
輸出功率計算：
取P =1.2×0.25=0.3 KW
根據(jù)表2-9電機(jī)選用要點(diǎn)選擇電機(jī)。
選擇要點(diǎn)一
根據(jù)機(jī)械負(fù)載特性、生產(chǎn)工藝、電網(wǎng)要求、建設(shè)費(fèi)用、運(yùn)行費(fèi)用綜合指標(biāo)，合理選擇電動機(jī)的類型。
選擇要點(diǎn)二
根據(jù)機(jī)械負(fù)載所要求的過載能力、啟動轉(zhuǎn)矩、工作制及工況條件，合理選擇電動機(jī)的功率，使功率匹配合理，并具有適當(dāng)?shù)膫溆霉β?，力求運(yùn)行安全、經(jīng)濟(jì)可靠。
選擇要點(diǎn)三
根據(jù)使用場所的環(huán)境，選擇電動機(jī)的防護(hù)等級和結(jié)構(gòu)型式。
選擇要點(diǎn)四
根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的最高機(jī)械轉(zhuǎn)速和傳動調(diào)速系統(tǒng)的要求，選擇電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。
選擇要點(diǎn)五
根據(jù)使用環(huán)境溫度，維修檢修方便、安全可靠等要求，選擇電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。
選擇要點(diǎn)六
根據(jù)電網(wǎng)電壓、頻率，選擇電動機(jī)的額定電壓、頻率。
總結(jié)
在選用電動機(jī)時，要努力執(zhí)行國家技術(shù)經(jīng)濟(jì)政策，積極采用節(jié)能產(chǎn)品和新產(chǎn)品，提高綜合經(jīng)濟(jì)效益。
表2-4電機(jī)選用要點(diǎn)
最后選用24V直流伺服電機(jī)。
2.3.2車輪的選型
樹干噴涂機(jī)器人的作業(yè)場地不平，且常常會出小大大小小的縫隙、與大小不一的石子。所以車輪為了能夠適應(yīng)工作場合，需要加寬輪轂的寬度，且增加輪胎橡膠層以防過度磨損。
圖2-10車輪圖
輪轂尺寸為：輪轂厚20mm，輪轂直徑80mm，
車輪尺寸：橡膠層厚度為10mm，輪胎直徑100mm
選擇較寬的車輪，目的在于讓樹干噴涂機(jī)器人能夠適應(yīng)作業(yè)場地的作業(yè)環(huán)境。
2.3.3水泵的設(shè)計
樹干噴涂機(jī)器人要將石灰水箱中的石灰水輸送到樹干噴涂機(jī)器人的機(jī)械手噴嘴，進(jìn)行噴涂作用。所以在噴涂機(jī)械手臂與石灰水箱要安裝一個水泵，將石灰水輸送到噴涂機(jī)械手。
石灰水的輸送管道采用6mm的塑料管，通過水泵將石灰水從石灰水箱中抽出來，然后通過管道連接器，將6mm塑料管中的石灰水轉(zhuǎn)換到4mm的塑料管中，加大石灰水的壓力，輸送到樹干噴涂機(jī)械手臂上的噴嘴，然后通過霧化裝置將石灰水霧化，然后再噴涂到樹干上。
采用水管連接器，一分器、二分器、三分器，管徑選擇為4mm、6mm。圖2-11是水管連接器圖 、圖2-12是連接器的應(yīng)用圖。
圖2-11水管連接器圖 圖2-12連接器的應(yīng)用圖
水泵的要求如下:
（1） 為了實(shí)現(xiàn)長時間的作業(yè)，我們必須選擇高效的水泵。
（2） 水泵的壓力必須能夠?qū)⑹宜畯撵F化噴嘴口處壓出，且石灰水還具有一定的壓力。
表2-4水泵參數(shù)選擇表
最后我們選用KQYH25-200葉輪代號D系列的水泵
2.4、本章總結(jié)
車身尺寸：450*390*1200mm；樹干涂白高度：1050mm；水箱設(shè)計尺寸：390*210*670mm； 石灰水罐裝機(jī)構(gòu)設(shè)計：輸水口口徑50mm，濾網(wǎng)口徑3mm；輪轂尺寸為：輪轂厚20mm；輪轂直徑80mm；車輪尺寸：橡膠層厚度為10mm，輪胎直徑100mm
3、樹干噴涂機(jī)器人機(jī)械手設(shè)計
3.1、機(jī)械手設(shè)計
3.1.1 機(jī)械手設(shè)計方案
方案一：面噴涂機(jī)械手
機(jī)械手采用U字型機(jī)械手，通過夾持裝置，夾持住樹干的兩個側(cè)邊面，先對其進(jìn)行噴涂，之后機(jī)械手隨著車身做周轉(zhuǎn)運(yùn)動與上下升降運(yùn)動完成整棵樹的涂白工作。機(jī)械手結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。
圖3-1面噴涂機(jī)械手圖
方案二：整體包裹噴涂機(jī)械手
整體包裹噴涂機(jī)械手是利用關(guān)節(jié)的原理，首先先將機(jī)械手打開，將樹干放入到其中，在機(jī)械手關(guān)閉的整個過程中，機(jī)械手上的各個噴涂小塊定軸轉(zhuǎn)動，一個接著一個動，最終實(shí)現(xiàn)樹干的包裹，然后利用樹干噴涂機(jī)器人的升降機(jī)構(gòu)帶動機(jī)械手自上而下的進(jìn)行移動，一個周期后，便可完成樹干的涂白工作。機(jī)械手結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。
圖3-2整體包裹噴涂機(jī)械手圖
方案三：噴嘴霧化機(jī)械手
噴嘴霧化機(jī)械手是利用霧化器將石灰水在機(jī)械手噴嘴處霧化后噴涂到樹干的原理。
機(jī)械手在作業(yè)前首先處于張開狀態(tài)，運(yùn)動到距離樹干合適距離時，逐步慢慢控制機(jī)械手的關(guān)閉。關(guān)閉后的狀態(tài)是：樹干噴涂機(jī)械手的噴嘴距離樹干有一定的距離，在石灰水通過水泵運(yùn)輸?shù)綑C(jī)械手噴嘴處時，通過霧化器，能夠?qū)⑹宜苯訃娡康綐涓杀砻?。機(jī)械手關(guān)閉后，在升降機(jī)構(gòu)的帶動下，自上而下進(jìn)行作業(yè)，一個周期后，完成樹干的噴涂作業(yè)。如圖3-3所示。
圖3-3噴嘴霧化機(jī)械手
3.1.2 機(jī)械手設(shè)計方案選擇
樹干噴涂機(jī)器人設(shè)計的核心是噴涂機(jī)械手的選擇，我們首先對噴涂機(jī)器人機(jī)械手臂的設(shè)計方案進(jìn)行比較。比較方案如表3-1所示。
表3-1噴涂機(jī)械手方案比較表
噴涂效率
噴涂質(zhì)量
適用范圍
制作難易程度
方案一
低
良好
窄
簡單
方案二
較高
較好
較寬
難
方案三
最高
最好
最寬
較難
在對機(jī)械手的三種設(shè)計方案進(jìn)行對比之后發(fā)現(xiàn)，方案三是最好的，它的制作雖然比較難，但是它的噴涂效率、噴涂質(zhì)量、適用范圍等衡量指標(biāo)都是最優(yōu)的，所以通過比較選擇，我們選用方案三做為我們的機(jī)械手設(shè)計方案。
3.1.3 機(jī)械手張開、閉合設(shè)計
機(jī)械手張開設(shè)計：
樹干噴涂機(jī)器人機(jī)械手張開設(shè)計，主要采用四連桿結(jié)構(gòu)，通過四連桿的運(yùn)動，帶動機(jī)械手的張開與閉合。
機(jī)械手的開口角度由連桿的最大角來確定，最終實(shí)現(xiàn)對樹干的包圍。
3.1.4 機(jī)械手石灰水注入設(shè)計
機(jī)械手上總共安裝8個噴嘴，每個噴嘴都是由總注水口注入石灰水，然后連接霧化噴嘴，以張角為120度，這樣能夠?qū)崿F(xiàn)樹干的整體全部噴涂以及一次性噴涂任務(wù)。
3.2機(jī)械手升降結(jié)構(gòu)設(shè)計
3.2.1 設(shè)計方案
方案一：鑒于叉車的機(jī)械臂通過鏈條的傳動，可以實(shí)現(xiàn)高效率的工作，提高了機(jī)械手的可載重量，且設(shè)計結(jié)構(gòu)比較簡單。借鑒叉車機(jī)械臂的鏈條傳動結(jié)構(gòu)，我們采用鏈傳動結(jié)構(gòu)，對樹干噴涂機(jī)械手進(jìn)行傳動，使其實(shí)現(xiàn)上下的升降運(yùn)動。
方案二：預(yù)采用滾珠絲杠結(jié)構(gòu)對機(jī)械手進(jìn)行上下的升降運(yùn)動，絲杠結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)高效率的傳動，且運(yùn)動平穩(wěn)。
表3-2鏈傳動與絲杠傳動比較表
鏈傳動
絲杠傳動
1、鏈傳動沒有彈性滑動，能保持準(zhǔn)確的平均傳動比；
2、鏈傳動需要的張緊力小，作用于軸的壓力也小，可減少軸承的摩擦損失；
3、結(jié)構(gòu)緊湊；
4、能在溫度較高、有油污等惡劣環(huán)境條件下工作；
5、平均傳動比準(zhǔn)確,傳動效率高，軸間距離適應(yīng)范圍較大，能在溫度較高、濕度較大的環(huán)境中使用；
6、但鏈傳動一般只能用作平行軸間傳動，且其瞬時傳動比波動，傳動噪聲較大。
1、滾珠絲杠傳動效率高，摩擦損失小。滾珠絲杠副的傳動效率可高達(dá)92%一99%，功率消耗相當(dāng)于普通絲杠傳動的1/4一1/3，同時由于發(fā)熱小，可以實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)動；
2、滾珠絲杠傳動平穩(wěn)，不易產(chǎn)生爬行。
3、定位精度、傳動剛度高。
4、不能自鎖，具有可逆性。既能將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成克線運(yùn)動，也能將直線運(yùn)動轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。因此絲杠在垂直狀態(tài)使用時，應(yīng)增加制動裝置；
5、同步性能好，無側(cè)隙、剛性高。
通過對鏈傳動與滾珠絲杠傳動做比較，最終決定采用滾珠絲杠結(jié)構(gòu)。
3.2.2 升降結(jié)構(gòu)參數(shù)計算
由2.1節(jié)設(shè)計可得，樹干的涂白高度為1050mm，故我們設(shè)計的機(jī)械手升降高度大于1050，可實(shí)現(xiàn)作業(yè)高度要控制在1050mm，這樣才能保證對每棵樹的噴涂高度是一致的。
絲杠結(jié)構(gòu)設(shè)計：
滾珠絲杠結(jié)構(gòu)是將回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動，或?qū)⒅本€運(yùn)動轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運(yùn)動的理想結(jié)構(gòu)。本設(shè)計采用將回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動的滾珠絲杠結(jié)構(gòu)。
由螺桿、螺母和滾珠組成滾珠絲杠。滾珠絲杠是工具機(jī)和精密機(jī)械上最常使用的傳動元件，其主要功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化成線性運(yùn)動，或?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)化成軸向反覆作用力，同時兼具高精度、可逆性和高效率的特點(diǎn)。
滾珠絲杠設(shè)計計算：
（1）絲杠副的導(dǎo)程
最高移動速度；
電機(jī)最大轉(zhuǎn)速 ；
傳動比
電機(jī)與絲杠之間為齒輪連接式，；
查得電機(jī)的轉(zhuǎn)速為
得
查《現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計手冊》取
（2）初選滾珠絲杠副
由公式知
(3-1)
查表得
代入數(shù)據(jù)可求得
（3）確定允許的最小螺紋底徑
?估算絲杠允許的最大軸向變形量
(3-2)
(3-3)
重復(fù)定位精度
定位精度
推導(dǎo)得 (3-4)
(3-5)
取兩種結(jié)果中的最小值
?估計最小螺紋底徑
絲杠取兩端固定的支撐方式
(3-6)
(3-7)
靜摩擦力
已知行程
代入數(shù)據(jù)得
（4）確定滾珠絲杠副的代號
選用內(nèi)循環(huán)浮動式法蘭，直筒螺母型墊片預(yù)緊形式
由計算出在《現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計手冊》中選取相應(yīng)滾珠絲杠副為
（5）確定滾珠絲杠副預(yù)緊力
(3-8)
其中
(6)行程補(bǔ)償值與拉伸力
?行程補(bǔ)償值 (3-9)
式中 (3-10)
查《現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計手冊》得
代入數(shù)據(jù)得
?預(yù)拉伸力
(3-11)
代入得
(7)確定滾珠絲杠副支撐用的軸承
?軸承所受最大軸向載荷
?軸承類型
兩端固定的支撐形式
軸承內(nèi)經(jīng)
代入數(shù)據(jù)得
軸承預(yù)緊力：
?根據(jù)《現(xiàn)代機(jī)床使用手冊》選取軸承型號規(guī)格
當(dāng),所以選7602030TVP軸承
（8） 傳動系統(tǒng)剛度
?絲杠最小抗壓剛度 (3-12)
其中
代入得
?絲杠最大抗壓剛度
(3-13)
代入數(shù)據(jù)得
?支撐軸承組合剛度
一對預(yù)緊軸承的組合剛度 (3-14)
其中：
查《現(xiàn)代機(jī)床制造手冊》得7602030TVP軸承室預(yù)加載荷的3倍
支撐軸承組合剛度
滾珠絲杠副滾珠和滾道的接觸剛度 (3-15)
其中：
代入數(shù)據(jù)得
（10） 剛度驗(yàn)算以及精度的選擇
? (3-16)
代入得
(3-17)
代入得
(3-18)
已知
其中
?驗(yàn)證傳動系統(tǒng)剛度
?傳動系統(tǒng)剛度變化引起的定位誤差
(3-19)
（11） 確定精度以及規(guī)格代號
?確定精度
：對系統(tǒng)而言任意300mm內(nèi)行程變動量
，定位精度為
?確定絲杠副的規(guī)格代號
已確定的型號為：FFZD
公稱直徑：10mm，導(dǎo)程：5
螺紋長度1050，絲杠長度：1100
P類5級精度
所選規(guī)格型號：FFZD4005-3-P5/1100*1
3.3 軸承的選型與設(shè)計
機(jī)器人軸承設(shè)計與選用分析
圖3-4軸承圖
滾動軸承的基本結(jié)構(gòu)
1-外圈；2-密封；3-引導(dǎo)環(huán)；4-滾動體；5-內(nèi)圈；6-保持架
(1)選擇
合理選擇軸承的類型、尺寸系列、內(nèi)徑以及諸如公差等級、特殊結(jié)構(gòu)；綜合考慮， 選擇軸承608
(2)計算
徑向力
（3－20）
派生力
， （3－21）
軸向力
由于，
所以軸向力為， （3－22）
當(dāng)量載荷
由于：
，，
所以，，，。
由于為一般載荷，所以載荷系數(shù)為，故當(dāng)量載荷為
（3－23）
軸承壽命的校核
（3-24）
所以軸承符合設(shè)計要求。
3.4 四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動示意圖
圖3-5四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動示意圖
3.5 本章小結(jié)
本章主要進(jìn)行了機(jī)械手設(shè)計、滾珠絲杠設(shè)計與軸承的校核。機(jī)械手設(shè)計方案：噴嘴霧化機(jī)械手。滾珠絲杠結(jié)構(gòu)設(shè)計：型號為：FFZD；公稱直徑：10mm，導(dǎo)程：5；螺紋長度1050，絲杠長度：1100；P類5級精度；所選規(guī)格型號：FFZD4005-3-P5/1100*1。軸承的校核，經(jīng)校核軸承的選擇符合預(yù)定設(shè)計目標(biāo)。
4.控制結(jié)構(gòu)設(shè)計
4.1 Arduino控制方案
一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺，適合初學(xué)者學(xué)習(xí)。其中包含硬件部分（各種型號的Arduino開發(fā)板）和軟件部分（Arduino IDE）。 Arduino是由歐洲開發(fā)團(tuán)隊(duì)于2005年開發(fā)。
Arduino構(gòu)建于開放原始碼simple I/O界面板，并且具有類似Java、C語言的Processing\Wiring開發(fā)環(huán)境。主要包含兩個主要部分：硬件部分是可以用來做電路連接的Arduino電路板，另一個軟件部分則是Arduino IDE。你只需在IDE中編寫程序代碼，并將其寫到電路板上，程序便會告訴Arduino電路板要做的動作。
Arduino能通過裝在上邊的各種傳感器來對周圍環(huán)境進(jìn)行感知，通過控制燈光、馬達(dá)和其他的裝置來反饋、影響環(huán)境?？刂破骺梢酝ㄟ^編程語句來編寫，編譯成二進(jìn)制文件，燒寫進(jìn)微控制器。 編程時利用基于Wiring的編程語句和基于Processing的Arduino 開發(fā)環(huán)境來實(shí)現(xiàn)。
對Arduino 進(jìn)行開發(fā)不僅可以節(jié)省很多的時間，同時還會減輕設(shè)計者的負(fù)擔(dān)而且還可以通過這個平臺非常方便快捷的與同道中人進(jìn)行交流學(xué)習(xí)。
本控制程序主要實(shí)現(xiàn)：
（1） 樹干噴涂機(jī)器人的運(yùn)行。
（2） 樹干噴涂機(jī)械手的升降運(yùn)行
4.2、控制程序設(shè)計流程圖
開始
傳感器檢測是否有樹
否
是
機(jī)械手舵機(jī)工作機(jī)械手張開
距離傳感器檢測機(jī)械手到樹干的距離
機(jī)械手閉合
絲杠電機(jī)工作
否
水泵開啟
絲杠末端觸碰傳感器
是
絲杠電機(jī)停止
水泵停止工作
機(jī)械手舵機(jī)工作機(jī)械手張開
樹干噴涂機(jī)器人后退
機(jī)械手舵機(jī)工作機(jī)械手閉合
結(jié)束
4.3 本章小結(jié)
完成了對樹干噴涂機(jī)器人的控制程序設(shè)計。
5樹干噴涂機(jī)器人實(shí)物制作
5.1 制作過程中遇到的問題
在對樹干噴涂機(jī)器人進(jìn)行整體設(shè)計完之后，我們又對其進(jìn)行了實(shí)際的制作，將我們的設(shè)計理念付諸于實(shí)踐。但是在制作過程中我們又遇到了很多問題。
（1） 如何進(jìn)行車身的固定與連接。
（2） 如何將車輪固定到車架。
（3） 機(jī)械手在滾珠絲杠螺母上的固定。
5.2 問題的解決方案
面對如此多的問題，我們在老師指導(dǎo)下，對問題逐步進(jìn)行了解決。
（1） 面對車身固定連接問題：在設(shè)計初期，采用角鐵與螺栓螺母配合，對車架進(jìn)行固定。可是在實(shí)際動手制作過程中發(fā)現(xiàn)，在25*25的方鋼上打孔首先難到我們，因?yàn)?5*25方鋼比較厚，在打孔過程中不易打穿，而且很容易折斷鉆頭，一時間無法進(jìn)行下去。我們想能否采用鉚接的方法將其固定，可是最終發(fā)現(xiàn)鉚釘不能穿過方鋼。最后在研究了方鋼的特性后發(fā)現(xiàn)，其使用焊接方式很容易固定，而且不易斷裂。最終我們在學(xué)習(xí)焊接技術(shù)后，采用焊接技術(shù)將車身進(jìn)行了固定，完美解決問題。
（2） 面對車輪與車架的固定問題：在設(shè)計初期，采用螺釘連接，將車輪固定到車身上?？墒窃趯?shí)際制作過程中發(fā)現(xiàn)，打孔過程很難在已經(jīng)安裝好的車架上進(jìn)行打孔，打到的孔也不能與車輪架很好的配合，因?yàn)楹茈y做到在一條直線上。在經(jīng)過討論之后，我們采用緊定螺釘直接固定的方式將車輪架與車身固定。
（3） 在面對機(jī)械手在滾珠絲杠螺母上的固定問題：在設(shè)計初期，我們采用螺栓組配合進(jìn)行固定?？墒窃谥谱鬟^程中發(fā)現(xiàn)，這樣固定會出現(xiàn)頭重腳輕的問題，因?yàn)闄C(jī)械手的整體質(zhì)量太大，而固定不能將其配平，所以出現(xiàn)了機(jī)械手前面一部分下垂的問題。為了能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械手的功能，我們在后端拉鋼絲繩，這樣能夠減輕頭重腳輕的問題。
5.3 實(shí)物展示
圖5-1樹干噴涂機(jī)器人實(shí)物效果圖
圖5-2樹干噴涂機(jī)器人機(jī)械手與絲杠結(jié)構(gòu)圖
6. 結(jié)論：
本文詳細(xì)地闡述了樹干噴涂機(jī)器人的總體設(shè)計、結(jié)構(gòu)的設(shè)計、設(shè)計參數(shù)的計算、采用零部件型號的選擇，以及樹干噴涂機(jī)器人運(yùn)動仿真。
(1)按照樹干的涂白高度、涂層厚度的要求，首先設(shè)計了車身結(jié)構(gòu)。
(2)根據(jù)設(shè)計目標(biāo)，選擇結(jié)構(gòu)。設(shè)計滾珠絲杠螺母副結(jié)構(gòu)、噴嘴霧化機(jī)械手、石灰水箱設(shè)計、石灰水勾兌與罐裝機(jī)構(gòu)設(shè)計、車輪的設(shè)計。
(3)對滾珠絲杠螺母副、軸承壽命進(jìn)行校核。
（4）根據(jù)設(shè)計，制作實(shí)物。
（5）控制程序的設(shè)計。
最終樹干噴涂機(jī)器人基本可以完成預(yù)想的工作任務(wù)。
受時間和條件的限制，該系統(tǒng)還有一些工作需要進(jìn)一步完善，希望工作后有機(jī)會繼續(xù)改進(jìn)，也希望各位老師能夠提出改進(jìn)意見。
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致謝
本論文是在導(dǎo)師李洋流老師的細(xì)心指導(dǎo)下完成的。導(dǎo)師淵博的專業(yè)知識，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，精益求精的工作作風(fēng)，誨人不倦的高尚師德，嚴(yán)以律己、寬以待人的崇高風(fēng)范，樸實(shí)無華、平易近人的人格魅力對我影響深遠(yuǎn)。不禁使我樹立了遠(yuǎn)大的學(xué)術(shù)目標(biāo)、掌握了基本的研究方法，還使我明白了許多待人接物與為人處事的道理。本論文從選題到完成，每一步都是在導(dǎo)師的指導(dǎo)新完成的，傾注了導(dǎo)師大量的心血。在此謹(jǐn)向?qū)煴硎境绺叩木匆夂透兄x!
其次，還要感謝這四年來教我知識的老師們，畢業(yè)論文能夠順利完成，你們也都有很大的功勞。?
最后，要向這四年大學(xué)生活期間所有幫助過我的同學(xué)們以及各位朋友們說一聲謝謝。?
這次的畢業(yè)設(shè)計,對于培養(yǎng)我們理論聯(lián)系實(shí)際的設(shè)計思想;訓(xùn)練綜合運(yùn)用機(jī)械設(shè)計和有關(guān)先修課程的理論,結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際反系和解決工程實(shí)際問題的能力;鞏固、加深和擴(kuò)展有關(guān)機(jī)械設(shè)計方面的知識等方面有重要的作用。?
寫作畢業(yè)論文是一次再系統(tǒng)學(xué)習(xí)的過程，畢業(yè)論文的完成，同樣也意味著新、生活的開始。希望大家在將來的生活中繼續(xù)追逐最初的夢想，永不放棄。
附錄1 外文翻譯
并行工作空間與動態(tài)性能評估噴漆設(shè)備中的操縱器
摘要
本文所要介紹的是工作空間和PRR–PRR并聯(lián)機(jī)器人在噴涂設(shè)備中的動態(tài)性能評價。平面完全并聯(lián)機(jī)器人的功能工作空間往往是LIM 它因其機(jī)械部件之間的限制。該平面三自由度并行機(jī)械手的兩連接移動平臺的基本運(yùn)動鏈可以在減少干擾性的同時仍然保持3自由度。在運(yùn)動學(xué)分析的基礎(chǔ)上，分析了四種工作方式，并對其奇異性進(jìn)行了研究。工作空間的調(diào)查和逆動力學(xué)制定使用虛功原理。動態(tài)性能評價指標(biāo)的設(shè)計，理論上的最大和最小幅度的加速度矢量的移動平臺所產(chǎn)生的單位驅(qū)動力。該指標(biāo)不僅可以評價機(jī)械手的加速性能，而且能反映加速性能的各向同性。進(jìn)行了工作區(qū)和四種模式的動態(tài)性能在主振型的比較，確定了錐面大物體的最佳工作方式。
1、介紹
并聯(lián)機(jī)器人在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界備受關(guān)注，因?yàn)樗鼈冊诟邉討B(tài)和高精度結(jié)合結(jié)構(gòu)的封閉運(yùn)動回路[ 1 ]。并行主機(jī)在工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，如飛行模擬器[ 2 ]、并聯(lián)機(jī)床[ 3 ]和并聯(lián)運(yùn)動學(xué)機(jī)器輸送機(jī)預(yù)處理和電泳車身[ 4 ]。平面并聯(lián)機(jī)器人主要用于操縱平面上的物體。一個平面被認(rèn)為是一個平面機(jī)制，如果所有的移動件都在這個平面內(nèi)移動，那么他們彼此間將進(jìn)行平行的平面運(yùn)動。平面并聯(lián)機(jī)器人作為并聯(lián)機(jī)器人的一個重要分支、，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，例如，選擇和應(yīng)用[ 5 ]，并聯(lián)機(jī)床[6,7]，和醫(yī)療設(shè)備[ 8 ]。自并聯(lián)機(jī)器人是很簡單的，也有一般并聯(lián)機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)，它們是開發(fā)噴涂設(shè)備[ 9 ]最好的備選對象。
隨著并聯(lián)機(jī)器人在機(jī)床和機(jī)器人中的應(yīng)用，動態(tài)性能評價越來越受到重視。這是動態(tài)優(yōu)化的基礎(chǔ)設(shè)計相比于動態(tài)性能的檢測措施，動態(tài)性能的檢測措施是稀缺的。廣義慣性橢球[ 10 ]和動態(tài)可操作橢球[ 11 ]是動態(tài)可操作橢球機(jī)械手動態(tài)性能評價的兩種常規(guī)調(diào)節(jié)指標(biāo)。作為廣義慣性橢球和動態(tài)可操作橢球的延伸，哈提卜[ 12 ]提出了一種帶慣性橢球研究機(jī)器人的動態(tài)性能，和 Tadokoro等人[ 13 ]提出的基于隨機(jī)間隨機(jī)動態(tài)的可操作性機(jī)械手運(yùn)動的解釋，黎等[ 14 ]提出了局部和全局指數(shù)在艱難方向可操作度應(yīng)該被考慮其中。亞濟(jì)德·曼蘇里和瓦里[ 15 ]提出了一種機(jī)器人智能均勻性測量，基于功率概念的機(jī)器人性能檢測措施。這項(xiàng)措施可以用來評估具有旋轉(zhuǎn)和平移自由度的機(jī)械手的操作。雖然這些指標(biāo)可以評價機(jī)械手的動態(tài)性能，他們大多不考慮動態(tài)性能的各向同性。本文所設(shè)計的噴漆設(shè)備用復(fù)雜的表面繪制大對象。因此，噴漆設(shè)備需要頻繁的加速或減速，以提高噴涂效率。因此，對于運(yùn)動性能的評價，動態(tài)性能也是必要的，特別是在所有方向的加速或減速性能。
在本文中，提出了用于噴涂機(jī)器人的三自由度并聯(lián)機(jī)器人的動態(tài)性能評價指標(biāo)。該指數(shù)不僅可以評估的動態(tài)性能機(jī)械手，也能反映動力學(xué)性能的各向同性。從結(jié)構(gòu)描述和運(yùn)動學(xué)出發(fā)，確定了四種工作模式和工作空間。逆動力學(xué)是運(yùn)用虛功原理。動態(tài)性能評價指標(biāo)設(shè)計的基礎(chǔ)是最大和最小幅度的加速度矢量產(chǎn)生的移動平臺B 單位驅(qū)動力。比較了四種工作模式下的動態(tài)性能。本文的結(jié)構(gòu)安排如下：第2節(jié)給出了結(jié)構(gòu)描述和運(yùn)動學(xué)。奇點(diǎn)與工作并聯(lián)機(jī)器人的空間在第3節(jié)研究。第4節(jié)推導(dǎo)的逆動力學(xué)模型，這是用來研究在第5節(jié)的動態(tài)性能。6節(jié)論述了數(shù)值模擬。結(jié)論見第7節(jié)
2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與運(yùn)動學(xué)
2.1建筑規(guī)范
噴涂一個長有錐形表面的物體，噴漆設(shè)備至少應(yīng)有五個自由度。在繪畫過程中，畫的對象可以分為兩部分各部分分別噴涂。基于噴涂的過程，一個五自由度噴涂設(shè)備的設(shè)計，如圖1所示。噴漆設(shè)備由一個龍門架，兩個串聯(lián)并行機(jī)構(gòu)和工作臺進(jìn)給機(jī)構(gòu)。進(jìn)給工作臺可在底座上移動，被噴涂物體固定在進(jìn)給工作臺上。串并聯(lián)機(jī)構(gòu)可以沿龍門架上下移動。串行–并聯(lián)機(jī)構(gòu)由PRR–PRR機(jī)械手和一個轉(zhuǎn)動自由度的手臂。旋轉(zhuǎn)臂連接的PRR–PRR并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動平臺。當(dāng)串并聯(lián)機(jī)構(gòu)位于機(jī)架的某一位置，平行機(jī)械手的工作平面如圖1所示，工作平面與工作面相交對象的運(yùn)動軌跡。同樣，當(dāng)串并聯(lián)機(jī)構(gòu)在不同的位置，不同的軌跡可以得到和PRR–PRR機(jī)器人任務(wù)空間得到的相似，可以認(rèn)為這些軌跡與圖1所示的軌跡形狀相似。設(shè)計的PRR–PRR機(jī)械手需要滿足工作空間要求。相比三條腿連接的移動平臺的完全并聯(lián)機(jī)器人，并聯(lián)機(jī)器人有兩條腿和PRR腿有雙重的功能作為一個鏈路和致動器[16,17]。 這種妥協(xié)失去了一些剛度，減少了并行機(jī)構(gòu)，增加了功能的工