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优化机器人设计的措施探讨

2015/12/25    来源:互联网    作者:李彦林      
关键字:机器人  优化机器人设计  
机器人是人类在发展智能化过程中重要的产物,是人类完成智能化中非常重要的工具,在越来越多的领域,机器人代替着人类的劳动,发挥着日益重要的作用。随着机器智能化的推广,机器人的设计在未来会有更广阔的天空。本文探讨了优化机器人设计的措施。

    纵观人类的发展史,工具的进步才能带动人类的文明,如今设计朝着智能化的方向在发展,机器人就是人类在发展智能化过程中重要的产物,因此机器人常用的设计方法是设计师们必备的工具。机器人是人类完成智能化中非常重要的工具,随着时代的发展,机器人已经在世界有了一定的发展,甚至很多国家机器人已经运用到实际的生活中去。

一、机器人发展概述

    工业机器人诞生于20世纪60年代,在20世纪90年代得到迅速发展。我国机器人研究开始于20世纪70年代,至今已有40多年的发展。

    改革开放后,随着我国经济的快速发展,企业科学技术水平得到了不断提高,大量外资企业和合资企业的出现,对机器人的需求很大,特别是汽车制造业的快速发展,我国工业机器人得到了快速的发展,应用范围也很广泛。机器人的设计需要多种学科的整合与运用,才能够实现,它是一种典型的集合机械、电子、自动控制等学科结合的产物,实际上,它是一种仿人操作、自动控制、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。在现代社会中,经济的发展促进了高层建筑的增多,高空作业日益增多,高空作业的高度危险性,使得机器人在这个领域得到了日益广泛的应用。

    机器人在本质上属于一种新型的机械结构,在计算机技术出现之后,机器人技术快速的发展起来。与传统的机械相比,机器人的机动性/灵活性强,工作效率高出很多,因此在各个领域得到了广泛的应用。机器人的诞生,以及其快速的发展和广泛的应用,引发了工业生产领域的巨大变革,不但使传统的工业生产旧貌换新颜,发生了翻天覆地的变化,而且在很大程度上改变了人类社会的生产和生活,产生了极其深远的影响。随着社会经济的发展,科学技术的进步,机器人的应用领域在日益广泛,从自动化的工业生产线,到深入海底世界进行海洋资源的探索,从高空作业到机械化工业生产,乃至太空作业等领域,都活跃着机器人的身影。目前,在越来越多的领域,机器人代替着人类的劳动,发挥着日益重要的作用。特别是在工业生产领域,对机器人的依赖程度日益提高。

二、优化机器人设计的措施

    为了降低机器人的重量,并且提高机器人结构的刚度,与传统的机械结构设计相比,机器人的结构设计有着更高的要求。在进行机器人的设计过程中,要根据机器人的用途,进行针对性的设计,其中,采取措施优化机器人的结构最为重要。

    (1)做好机器人的结构设计。机器人的结构设计,大多数为空心矩形截面,材料由铝材加工而成。机器人基本框架的搭建,由连接件和角撑支架来实现。常见的机器人联接结构,主要有扣接零件、铆接、胶接、胶带、焊接等,不同的联接结构,有着不同的应用领域,一般根据机器人应用领域的不同,来设计其具体的联结结构,从而确定最后的设计方案。例如,伴舞机器人由于自身的重量轻,负载比较小,对使用时间的长短要求不高,因此,在伴舞机器人的结构设计上,要选择有一定强度和刚度的结构,还要考虑抗摩擦磨损性的机构。在机械连接方面,在伴舞机器人做舞蹈动作的过程中,要保证机器人的各种接插件要灵活,而且不能松动,更不能脱落,以满足伴舞机器人各种动作的需要,所以,伴舞机器人的结构要具有较好的坚固性,适合选择铆接的方式。

    (2)优化机器人的手臂设计。机器人很多动作的完成,都要依赖手臂。手臂设计的越灵活,机器人的自由度就越大,所做的动作就越精细。机器人的手臂设计越接近人类的灵活程度,其完成的任务就越高级,可完成比较复杂精细的动作。机器人的手臂设计,通常由一根横杆构成,在横杆的两端,分别固定机器人左右手的两个电机。这样,机器人就可做前后360度的旋转。固定机器人的头部电机,固定在横杆的中间,头部电机可带动机器人的头部做360度的旋转。此外,机器人手臂的机构,还可以继续优化和扩展,在机器人的肩部上和臂末端,可以再扩展2个电机,从而使机器人实现3个自由度的动作。为了防止机器人手臂旋转过度,而导致其动作错乱,可参考机器人左右转腰机构的设计,在机器人手臂转动限定角度内,装上限位开关,从而使机器人实现动作的一致性,避免出现动作错乱的情况。

    (3)优化机器人弯腰机构的设计。机器人要具有一定的运动灵活性,弯腰机构的设计不可忽视。机器人弯腰机构的设计设计思路,考虑到机器人的腰部主要承接了机器人身体上部的重量,在设计弯腰机构的时候,最好使腰部能做到水平的转动,如果机器人腰部不能做到水平的转动,会使机器人整个身体的平衡受到很大影响,可能会导致机器人摔倒,因此,在机器人腰部转动的设计中,要尽量减少可变的环节,直接使用电机实现弯腰。而电机经传动其他机构,最后带动腰部的转动方式,由于可变的环节比较多,影响机器人身体的平衡,所以不建议采用。

    (4)利用传感器技术实现机器人的感觉系统。机器人的语音识别等功能,制作机器人硬件的难点,因为它要求机器人具有一定的感觉系统。随着科技的发展,机器人设计和制造技术已日趋成熟,机器人感觉系统可通过各种各样相应的传感器技术来实现。传感器把接收到的外部信息输入到单片机,再通过软件进行控制,最后单片机发出命令,来指挥机器人的动作。计算机软件编程可以增加机器人的多种功能,使机器人的动作更加丰富和完善。

    (5)做好机器人动作的编辑。机器人动作的编辑,最显著的特征是机器人的步调、节奏和动作幅度的大小,反映在机器人上,就是如何控制机器人的各个关节的电机转动的快慢,转动的时间,以及转动的角度。在设计机器人的动作时,必须先设计好机器人的每个动作,通过电机的滑块,来实时观察关节的位置是否合适,若合适的话,就把这个动作数据添加到数据库模块的动作表中,然后再调试下一个动作。如此反复,直到把所有的动作都编排好。之后把动作数据表下载到单片机中,由单片机来控制各个关节,顺序执行动作表中的各个动作。要设计出一套完整的动作,需要反复调试才能完成,不但要对人类的动作进行细致入微的观察,而且要把其转变成对机器人关节的控制,从而实现完美的效果。

    总之,工业机器人作为机器人产业当中应用最为广泛的领域,是机器人产业链条当中最重要的角色,工业机器人代替人工是制造业的大势所趋。随着机器智能化的推广,机器人的设计在未来会有更广阔的天空。 

责任编辑:程玥
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