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眾所周知，勞動力密集曾一度是中國制造業(yè)發(fā)展的絕對優(yōu)勢。此前，中國制造依靠人工成本優(yōu)勢贏得了“世界工廠”的稱號，近年來隨著我國人口紅利逐漸下降，不少企業(yè)開始轉(zhuǎn)向越南、泰國、菲律賓等東南亞人口成本較低的國家開設(shè)工廠，而伴隨機器人時代來臨，“機器代人”成為大勢所趨，并逐步倒逼中國制造業(yè)轉(zhuǎn)型，上述格局終將被打破。 機器人不只是簡單意義上代替人工勞動的工具，它還是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的機械電子裝置。其特點是，即有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(xù)工作的、準(zhǔn)確度高、抗惡劣環(huán)境的能力。它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可或缺的自動化設(shè)備[1]。 機器人技術(shù)國家工程研究中心主任、中國工程院院士王天然作了題為《機器人助力中國智能制造》的演講，提出中國要實現(xiàn)智能制造離不開機器人，而下一代“人機共融”的機器人將是中國的機會，也是應(yīng)當(dāng)著力突破的方向?！皺C器人是智能制造的支撐設(shè)備，必將助力中國的智能制造發(fā)展，滿足中國的民生需求。與人共融是下一代機器人的本質(zhì)特征。各個學(xué)科的交叉結(jié)合將為機器人帶來新的發(fā)展機會。所以我們應(yīng)該關(guān)心它、抓住它為我們服務(wù)?！? 機器人與人類的生活的聯(lián)系越發(fā)緊密，對機器人研究得越發(fā)深入，在探索各個領(lǐng)域機器人的過程中，人們漸漸的傾向于研究能夠模仿人類特定行為的類人機器人。《機器人產(chǎn)業(yè)十三五發(fā)展規(guī)劃》的草案當(dāng)中提到家庭輔助類機器人將以更高的性價比解放人類雙手。書寫與繪畫是人類的重要特征之一，因此研制能模仿人類的書寫和繪畫功能的機器人是人類的愿望之一。對其的深入研究也是在傳承中國文化和藝術(shù)，以高新技術(shù)為載體發(fā)揚華夏文明。 寫字和繪畫的機器人可運用于教學(xué)、科普和日常生活當(dāng)中。在研究方面，可涉及到理論力學(xué)、驅(qū)動與控制、軌跡規(guī)劃等領(lǐng)域[1]。在教學(xué)方面可為高等學(xué)府的機械、電子、計算機、軟件等專業(yè)開出機器人寫字試驗、繪圖試驗、機器人機構(gòu)學(xué)試驗、計算機應(yīng)用試驗、機器人數(shù)控編程試驗等。在科普方面，可以陳列于各種城市科學(xué)館、少年館，作寫字繪畫表演，激發(fā)新一代青少年對機器人的興趣等[2]。在日常生活方面可以進(jìn)行大面積的壁畫和圍墻的繪畫和寫字作業(yè)等。以下將“寫字和繪畫機器人”簡稱為“繪畫機器人”。 2繪畫寫字機器人的發(fā)展現(xiàn)狀 國內(nèi)外對于繪畫機器人的研究歷史很短、參與研究的人員也并不是很多。上世紀(jì) 90 年代，國外繪畫機器人開始起步，而國內(nèi)研究則相對更晚，香港中文大學(xué)近年率先開展了相關(guān)研究。在圖源獲取方面，從最初單純的軌跡規(guī)劃生成圖畫發(fā)展到基于圖像處理技術(shù)。在軌跡控制方面，一是從原先的 3 自由度發(fā)展到 6 自由度機械臂控制；二是由二維平面的圖畫繪制發(fā)展到了 2.5D 以及 3D 繪圖[3]。在機械方面，執(zhí)筆器的改變，由一開始的機械固定到后來的控制類人手部握筆。在繪制工具方面已經(jīng)發(fā)展出噴涂式、硬筆式、軟筆式、毛筆式等。綜合以上所述的國內(nèi)外繪畫機器人的發(fā)展和現(xiàn)狀，本文按照以下的方式對繪畫機器人進(jìn)行不同的分類以說明。 2.1按工作對象性質(zhì)分類 按繪畫機器人的工作對象可以分為水平面工作的機器人、垂直面工作的機器人、多平面工作的機器人和多維空間工作的機器人。 （1）水平面 是指工作空間在水平面的機器，模擬了人伏案寫作時的姿態(tài)同時又能圍繞自己的底座在360°的任意空間內(nèi)進(jìn)行繪制和寫字。各桿件的移動空間大，相互間更易配合。 圖2.1水平面作業(yè)的機械手臂 圖2.2水平面作業(yè)的機器人 （2）垂直面 是指工作空間在垂直面的機器人，模擬人在黑板或墻壁上的姿勢。各桿件的移動空間較狹窄，對桿件的長度和各桿件間的配合要求較高。手部（即末端執(zhí)行器，以下簡稱“手部”）所受合力平行于工作面。 圖2.3垂直平面作業(yè)的機械手臂 （3）多平面 工作空間不止一個平面，應(yīng)用更加廣泛，對整個機械結(jié)構(gòu)的靈活性和穩(wěn)定性要求更高。 圖2.4多平面作業(yè)的機械手臂 （4）2.5D，3D 可以不僅只在以XY為坐標(biāo)的二維平面內(nèi)作業(yè)，可以延伸到2.5維或3維，例如3D打印機。 2.2按機器人平臺分類 繪畫機器人按工作平臺的不同可分為懸掛式、單臂式和懸掛單臂式。 （1）懸掛式 其工作原理類似于激光打印機，由X軸導(dǎo)軌、Y軸導(dǎo)軌和Z軸的執(zhí)筆器組成。圖2.5為早期的繪畫機器人Aaron正在繪制抽象風(fēng)格的水彩畫，它由英國抽象派畫家Harold Cohen教授設(shè)計制造[4]。 圖2.5懸掛式繪畫機器人Aaron在作業(yè) （2）單臂式 單臂式的繪畫機器人機械系統(tǒng)采用的是機械手的方式，它的靈活性更大，也可以安裝在服務(wù)型機器人身上[5]。圖2.6是由來自臺灣科技大學(xué)的Chyi-Yeu Lin設(shè)計制作的七自由度繪畫機器人。圖2.7是一個完整的單臂式三自由度繪畫機器人。 圖2.6臺灣科技大學(xué)的機器人在作業(yè) 圖2.7 三自由度的機械手臂CP robot （3）懸掛單臂式 往后發(fā)展，制作出了懸掛于單臂相結(jié)合的懸掛單臂式繪畫機器人。在保證手部可以大面積覆蓋的同時又增加了靈活性，使這種繪畫機器人所做出的圖形和字體更為精確和逼真。 圖2.8香港中文大學(xué)在高交會上展示的繪畫機器人 2.3按繪制工具分類 （1） 硬筆型繪畫機器人 （2）軟筆型繪畫機器人 3主要研究內(nèi)容 3.1機械設(shè)計 （1）各桿件長度 （2）電機與減速器 （3）執(zhí)筆器 3.2運動分析 （1）運動學(xué)分析 機器人機械系統(tǒng)運動學(xué)問題研究機械手末端執(zhí)行器（即手部）相對參考坐標(biāo)系的位置、姿態(tài)和速度與各關(guān)節(jié)變量間的關(guān)系，包括運動學(xué)正問題和運動學(xué)逆問題。運動學(xué)正問題是已知關(guān)節(jié)的位置和速度，求得末端執(zhí)行器的位置、姿態(tài)和速度；反之，已知末端執(zhí)行器的位置、姿態(tài)和速度，需求關(guān)節(jié)的位置和速度，以驅(qū)動各關(guān)節(jié)的電機旋轉(zhuǎn)，使手部的位姿要求得到滿足，這一工程稱為運動學(xué)逆問題。本課題是已知末端執(zhí)行器在垂直面的運動軌跡，涉及的是求解運動學(xué)逆問題。 （2）動力學(xué)分析 機器人機械系統(tǒng)動力學(xué)問題分為逆向問題和前向問題。逆向動力學(xué)問題屬于純代數(shù)問題，其本質(zhì)上是對機器人末端執(zhí)行器的計算扭矩控制。前向動力學(xué)問題應(yīng)用于機器人末端執(zhí)行器計算機仿真和設(shè)計。本課題是可知某時刻機器人末端執(zhí)行器的位置、速度和加速度求解各關(guān)節(jié)所需的驅(qū)動力或力矩，涉及的是動力學(xué)逆向問題。 3.3仿真 （1）工作空間仿真。 根據(jù)已知的工作空間確定各桿件的初始長度，利用MATLAB進(jìn)行工作空間仿真，確定目前的方案是否有空洞或空腔的存在。如果存在，則需要微調(diào)桿件長度以提高工作空間的覆蓋率。 （2）運動學(xué)仿真 利用ADAMS進(jìn)行仿真分析，求得各關(guān)節(jié)的位移、速度、加速度。 （3）軌跡仿真 用多項式插值法進(jìn)行軌跡規(guī)劃的計算，用MATLAB進(jìn)行仿真，得到的角速度數(shù)據(jù)導(dǎo)入ADAMS進(jìn)行動力學(xué)仿真。 （4）動力學(xué)仿真 在考慮質(zhì)量和外力的作用下，進(jìn)行更符合實際情況的仿真分析，同樣利用ADAMS進(jìn)行仿真分析。 4方案選擇 4.1整體結(jié)構(gòu) 編號 種類 優(yōu)點 不足 方案一 懸掛式 結(jié)構(gòu)簡單，控制簡單，易于做出實物 結(jié)構(gòu)太大， 實用性不強 方案二 車載懸掛式 體積小， 便于移動和運輸 吸附難實現(xiàn)， 控制與定位較復(fù)雜， 調(diào)試耗時久 方案三 機械手臂 靈活性高， 系統(tǒng)的擴(kuò)展空間大 自由度越多控制越難 方案一：由導(dǎo)軌滑臺為主要構(gòu)件，以步進(jìn)電機為驅(qū)動元件，直觀簡單地實現(xiàn)整個黑板的全面覆蓋。 1. X軸電機 2. 固定座 3. X軸絲杠 4. 執(zhí)筆器（滑臺） 5. Y軸絲杠 6. Y軸電機 方案二：在方案一的基礎(chǔ)上發(fā)展，將導(dǎo)軌滑臺裝置安裝在四個車輪上，并縮小其體積，使得本方案體積小，輕巧便攜的優(yōu)點得到突出。將作業(yè)區(qū)域模塊化，在控制方面，導(dǎo)軌和小車各自擁有一套算法。 1. X軸電機 2. 車輪 3. 固定座 4. X軸絲杠 5. Y軸電機 6. Y軸絲杠 7.執(zhí)筆器（滑臺） 方案三：采用機械手臂的形式，模仿人類的動作完成作業(yè)。 1.底座 2. 電機I 3. 連桿I 4.連桿II 5連桿III 6. 執(zhí)筆器 7.連桿IV 8.電機IV 9.電機III 10.電機II 結(jié)合自身興趣綜合考慮后，選擇方案三。 4.2執(zhí)筆器 （1）純機械固定 ① 卡箍螺栓固定 ② 過盈固定 （2）機電固定[6] （3）機械手自主抓握固定 結(jié)合自身能力綜合考慮選擇機電固定。 4.3電機 種類 特點 適用場合 直流有刷電機+減速箱+編碼器 啟動轉(zhuǎn)矩大，成本低，速度和轉(zhuǎn)矩比較適中 一般控制場合 直流無刷電機+減速箱+編碼器 壽命長，控制簡單，穩(wěn)定性好，速度上限高 對精度、速度、穩(wěn)定性等綜合要求高的場合 步進(jìn)電機+減速箱 雖然是開環(huán)的但控制精度可以做到很高，控制成本較低；容易丟步使得轉(zhuǎn)矩和速度特性都很一般 一般控制場合 伺服電機+減速箱 相對于步進(jìn)電機轉(zhuǎn)矩更大，精度更高，成本高 要求較高的控制場合 直接驅(qū)動電機 具有較高的剛性， 幾乎無摩攘 機械手臂 4.4減速器 機器人常用的減速器有以下幾種： 編號 種類 優(yōu)點 不足 適用場合 方案一 諧波減速器 承載能力高，傳動比大，體積小，重量輕，傳動效率高，壽命長 柔輪的剛度偏低 載荷要求不大的關(guān)節(jié) 方案二 RV減速器 剛度高，抗沖擊能力強，結(jié)構(gòu)緊湊，減速比大，傳動精度高 價格較貴 載荷要求較大 精度要求較高 方案三 行星減速器 高剛性、高精度、重量輕、體積小、傳動比范圍大、效率高、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、噪聲低適應(yīng)性強。 對同心度要求十分高 適用于起重運輸、工程機械、石油化工、輕工紡織、醫(yī)療器械、儀器儀表等工業(yè)部門 機器人用減速器必須要滿足體積小、精度高、重量輕、減速比大、剛度高等要求?？拷┒说年P(guān)節(jié)可采用諧波減速器，靠近底座的關(guān)節(jié)應(yīng)采用RV或行星減速器。但因為本課題涉及的繪畫機器人屬于輕型機器人，在滿足條件的情況下可采用成本低、結(jié)構(gòu)簡單的方案三——諧波減速器【7】。該減速機構(gòu)也可完成旋轉(zhuǎn)傳動。 4.5傳動裝置 查閱手冊，結(jié)合輕型機械手的實際情況，機械手的直線運動由同步帶來實現(xiàn)。同步帶用于傳遞平行軸間的運動或?qū)⒒剞D(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線運動。 機械手的旋轉(zhuǎn)運動可由自帶減速器、編碼器的電機直接驅(qū)動，可有諧波齒輪帶動。 5預(yù)定要求 （1）各關(guān)節(jié)的電機安裝 （2）電機驅(qū)動力矩 （3）機械結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計 （4）機械結(jié)構(gòu)設(shè)計及受力 （6）運動分析 6設(shè)計思路 7進(jìn)度安排 1 通過廣泛調(diào)研有關(guān)書籍、（國內(nèi)、國外）文獻(xiàn)，熟悉黑板繪畫機器人的工作原理及相關(guān)動作，確定擬定的分析和解決問題步驟、內(nèi)容，寫出分析和解決問題的方案和開題報告，參加開題答辯 1月11號～3月10號 2 對機械結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計 3月11號～3月16號 3 根據(jù)所設(shè)計的詳細(xì)方案進(jìn)行機械設(shè)計計算 3月17號～3月22號 4 建立機械結(jié)構(gòu)模型，出工程圖，進(jìn)行機構(gòu)運動仿真運行 3月23號～5月13號 5 對原有參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)和驗算，完善工程圖 5月14號～5月20號 6 完成畢業(yè)論文, 英語翻譯分散到以上的時間里 5月21號～5月29日 7 完成論文正稿編寫、外文文獻(xiàn)翻譯，提交畢業(yè)論文全部資料 5月30日～6月05日 8設(shè)計的預(yù)期結(jié)果 （1）含有分析計算過程、詳細(xì)步驟的符合任務(wù)書要求的畢業(yè)論文一份。 （2）模擬機械手臂工作時的運動仿真動畫。 （3）合計工作量為1.5張A0圖紙的工程圖。 9參考文獻(xiàn) [1] 馬曉花. 四自由度串聯(lián)機械手軌跡規(guī)劃研究[D].內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué),2010. 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