1、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,8.1 机器人的研制,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
2、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
3、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
4、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,（1）工业机器人的组成,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
5、、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
6、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
7、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49kg，抓重为1525kg，则（抓重/自重）=34。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。 尽量提高系统的固有频率和改善系统的动态性能。其目的在于避开机器人的工作频率，有利于系统的稳定。,（3）工业机器人的基本参数及其特性,工作空间:指机器人臂杆特定部位在一定条件下所能达到空间位置的集合。 自由度：F=fi （式中fi为每个关节的自由度，末端自由度不
8、计）一般工业用机器人具有4至6个自由度。当自由度增加到超过末端定位需要时，便出现了冗余自由度。冗余自由度的存在增加了工作的灵活性，但也增加了编成的难度，并使机器的结构刚度与运动精度下降。（下页图例）,具有冗余自由度的操作机构的应用,有效负载：指操作机在工作时臂端可能搬运物体的重量或所能承受的力及转矩。机器人的有效负载除受到驱动功率的限制外，还受到材料、环境、运动参数（如速度、加速度及其方向）的限制。如下页图示的加拿大手臂，用于航天飞机上的机器人，额定搬运质量为14500kg，在运动速度较低情况下能达到29500kg。然而，这种负荷能力只有在太空中失重条件下才有可能达到。在地球上，该手臂本身重量
9、达410kg，连自重引起的臂杆变形都无法承受。,运动精度：机器人机械系统精度涉及位置精度、重复位置精度和系统分辨率。位置精度是指操作机臂端定位误差的大小，它与系统分辨率、机械系统的结构间隙、臂杆变形等有关；重复位置精度是指手臂端点实际到达位置分布曲线的宽度；系统分辨率主要取决于反馈传感器的分辨率，它代表了所能识别的可控制运动变化的最小单位。 速度：速度和加速度是表明机器人运动特性的主要指标。最大加速度受到驱动功率和系统刚度的限制。 动态特性：结构动态参数常用质量、惯性矩、刚度、阻尼系数、固有频率和振动模态来表征。,（4）工业机器人的坐标形式,直角坐标型：又称为直移型。其三个基本关节均为移动关节
10、，即实现升降、伸缩和平移动作。其末端轨迹可以是直线、矩形、或长方体。该结结构简单，运动直观性强，便于提高精度。但占据空间大，工作范围小。约占机器人总产量的14%左右。 圆柱坐标型：又称为回转型。其三个基本关节中，两个为移动关节，一个为转动关节。其末端轨迹可以是圆弧、扇形平面、圆柱面或空心圆柱面。该结构运动直观性强，占据空间小，结构紧凑，工作范围大。但受升降机构的限制，一般不能提升地面上较低位置的工件。约占机器人总产量的47%左右。,球坐标型：又称为俯仰型。其三个基本关节中，两个为转动关节，一个为移动关节。其末端轨迹是一个空心球体。该结构与圆柱型相比，在占据同样空间下工作范围扩大了，由于具有俯仰
11、自由度，可以完成从地面提取工件。但运动直观性差，结构复杂，臂端位置误差会随臂的伸长而放大。约占机器人总产量的13%左右。 关节坐标型：其主体结构有三个转动自由度，即腰关节、肩关节、肘关节。它是一种广泛化使用的拟人化机器人。该结构占据空间小，而工作范围最大。其末端轨迹为球体。它还可以绕过障碍物提取和运送工件。但运动直观性差，驱动控制较复杂。约占机器人总产量的25 %左右。,（5）工业机器人关节,平移关节：要求无间隙、高刚度、摩 擦系数小、惯量小、稳定、结构紧凑。类型滚动直线导轨、直线轴承、滚珠花键、固定轴滚动支撑 转动关节：要求无间隙、高刚度、摩 擦系数小、惯量小、稳定、结构紧凑。类型滚动轴承（
12、要求滚道合理，质量轻，强度好，弹性模量高，精度高）,常用薄壁大轴承尺寸,小位移运动机构,在机器人工作中有许多频繁小位移运动场合，为适应这一条件，并保持较高的位置精度，小位移运动机构必须有一定的柔性。因此许多小位移机构都是采用弹性变形的原理实现的。常用的有平板弹簧；以及金属橡胶叠片式两类。,（6）工业机器人传动元件,普通齿轮传动 谐波齿轮传动 摆线针轮行星传动 丝杠螺母传动 链传动 齿型带传动 钢带传动 钢丝绳传动 柔性轴,3.仿人步行二足机器人 执行部分与传动部分,传感装置,脚与地面是否接触的感觉是由力传感器获得； 各关节弯曲程度由与伺服电机相连的光学周角编码器获得； 前后、左右两个方向各装有
13、一个陀螺，用于检测机器人身体倾倒的角速度，控制器平衡。,原动机与计算机控制系统,原动机主要有伺服电机与放大器等组成。 计算机控制系统由计算机系统，带有轴角编码器的伺服电机，传感装置，频率电压转换器，控制放大器，反馈电路等组成。,8.2 新型内燃机的开发,1.往复式内燃机的技术矛盾：工作机构及气阀控制机构组成复杂，零件多。曲轴等零件结构复杂、工艺性差。 机构运动惯性力大，因此增大轴承惯性载荷，使系统不平衡产生振动，也限制了输出轴转速的提高。 曲轴回转两周才又一次动力输出，效率低。,2.无曲轴式活塞发动机,结构创新：利用机构等效代换原理。以反凸轮机构代还原发动机的曲柄滑块机构。使零件减少，结构简单
14、，成本降低。 运动原理：活塞往复运动，由推杆端部的滑块在凸轮槽中滑动致使凸轮转动，再经输出轴输出转矩。 性能特点：系统中不需要飞轮，转动平稳；通过改变凸轮轮廓形状可以改变输出轴转速，达到减速增矩的目的。 应用：重型机械、船舶、建筑机械等。,3.旋转式内燃发动机（直接将燃料的动力转化为回转运动输出）,组成情况：椭圆形汽缸，三角形转子（转子的内孔上有齿），外齿轮，吸气口，排气口，火花塞。 工作原理：吸气、压缩、燃爆、排气。随着这四个物理功能致使三角形转子与椭圆汽缸之间的空腔体积发生变化，则转子进行转动。 性能特点：结构简单，零件数量比往复发动机少40%，体积减少50%，重量下降1/2到2/3；但存
15、在汽缸上产生振纹的问题。其原因是与密封片的材料与形状有关。 运动设计：三角转子相当于行星内齿轮2，系杆H是发动机的输出轴，1为中心轮，并且：z2/z1=1.5,则：nH/n2=3 。见下页图。,8.3 自行车的演变与发展 1.自行车的演变史 18161818：用两腿交替蹬地来推动车子前进（法）,1830：曲柄连杆机构，后轮驱动（苏格兰铁匠）,1865：曲柄至于前轮，前轮驱动。为提高车速，不断加大前轮直径。（法）,1879：链传动自行车，后轮驱动。（英） 1888：引入充气轮胎,2.新型自行车的开发,助力车：电动车 宜人型新型车：躺式三轮车（省力），摇杆式自行车（利用蹬车时在90120时省力） 传动系统的变异：齿轮传动自行车，变速车。 塑料自行车：碳纤维材料。 高速自行车：采用躺式结构，已发挥最大动力，减少风阻面积；双级链传动升速；以高强度碳纤维复合材料注塑整体车座和大梁，铝铸链套和中轴套，以减轻车重；采用宇航粘合剂取代传统紧固件，增加强度，减少振动；运用空气动力学原理对车外罩形状进行优化设计，以减小阻力。,多功能自行车：根据需要增加辅助功能，如车灯、气筒、饮水器、载人载物装置、无线电通话设备、手电筒支架、上坡用的电动助力装置、多人自行车设有单向离合器等。 小型自行车：便于携带，可拆卸，可折叠。,
