第一篇：2013哈工大機械工程專業課作業2

9、利用橡膠彈性變形的微型氣動驅動器的特點主要有：構造簡單，易于小型化、無滑動部位，受摩擦影響較小、利用空氣壓力產生的力為表面力，力/自重比隨著微小化將得以提高、隨著微小化，作為橡膠構造體的固有頻率上升，易于得到受振動影響小的穩定動作、柔軟的構造，可動，作為微機械應用領域，有望在醫療、生物領域找到適用化背景。另外，用在管線內檢查用機器人的情況下，1)不傷害管內壁；2)對于管道內徑的變化有適用性等優點、不用電，有防爆性和耐水性。這非常適用于煤氣管道、下水道、自來水管道等的檢查作業，也適于體內檢查作業等。

10、臂式FMA的結構為：由呈扇形分布的三個壓力室的纖維強化橡膠管組成。

11、纖維強化橡膠是一種纖維與橡膠合成的復合材料，在彈性特性上有很強的各向異性。因此，FMA的外壁沿L方向難以伸長，而沿著與其成直角的T方向易于伸長。

12、FMA的驅動控制方法是：作為壓力控制方法，通過脈寬調制信號驅動高速電磁閥（開關閥）驅動、使用壓力控制閥等即可以模擬量驅動FMA。

13、由FMA驅動特性及實驗研究得知：FMA可應用于臂式操作手、機器人手爪、步行機器人、蛇形管內移動機器人等柔性驅動機器人上。

14、Bubbler驅動器可以設計制作成平板、圓筒型兩種；該類驅動器作為移動機器人驅動機構具有如下特點：作為薄形驅動器結構使用、因其為柔軟結構體，不損傷對象物體，還能適應形狀、在水中及有粉塵等環境下也能使用、力/體積比大。

15、FMA的澆注加工一般步驟是：(1)材料（橡膠本體、硬化劑等）計量，攪拌，脫泡；(2)注型；(3)硬化（加硫）；(4)離型（脫模）。

第二篇：哈工大2010機械工程專業課作業

黑龍江省2010專業技術人員繼續教育知識更新培訓機械工程專業課作業

專業課作業：

11、PD控制方式的特點有哪些？適用于什么情況下？

答：對于各關節的獨立使用PD這種線性反饋控制律可以保證漸進穩定性，且控制器容易設計。適用于工業機器人控制中。

12、基于位置控制的力控制系統、基于力矩控制的力控制系統分別適用于何種機器人操作臂？各有哪些特點？

答：分別適用于工業機器人大減速比操作臂和常用動力學研究的低減速比或者直接驅動（DD）型操作臂。其特點為：

（1）與既存在位置控制系統的整合性高，（2）與位置控制系統相獨立的impedance特可容易地設定。

（3）無動力學補償一般控制系統較簡單。

（4）力控制系統（廣義）性能為含穩定性的imer loop的位置控制系統頻帶、環境剛度所支配。

（5）若擴展位置控制系統帶寬，受力傳感器的動態影劇院響，容易造成、固定環境下的不穩定。

13、作為機器人控制基本的運動方式的動力學特征有哪些？

答：（1）M（q）的正定性：M（q）是對稱且正定的矩陣。

（2）M（q）－2C（q,q）q的反對稱性一適當地給定C(q,q)則其為反對稱矩陣。

（3）參數顯現的線性M（q）q+C（q，q）q+g（q）=Y（q，q）θ=τ。

（4）有線性存在適漢的Mm、MM、CM，GM，對于所有的qq有0＜Mm≤‖Mq‖《 MM‖ C（qq）‖《GM‖q‖‖g（q）‖《GM14、考慮實際機器人中存在不確定性的現實問題，模型的不確定性產生的根源有哪些？

答：（1）自身的機械制造、裝配誤差導致參數的不確定性。

（2）傳動系統的剛度。

（3）齒輪輿論傳動的；回差。

（4）嚙合齒面間摩擦、軸承摩擦。

（5）機器人在操人過程中所受不可預知的外部擾動等等。

15、三種基本的雙向控制類型各自特點、應用場合是什么？

答：對稱型： 是由主從的位置偏差，面向修正該偏差的方向施加驅動力矩，不需要力檢測器（力傳感器）構成簡單。但是受系統慣性力和摩擦力的影響。適用于主從臂質量都輕、低摩擦情況或者液壓嫗動系統。

力反射型：從臂由位置伺服系統構成，主臂是用從臂側的力傳感器檢測出的反力來傳遞力的，從臂側的反力易于獲得，但是，通常情況下的機器人操作臂中，主臂的操作加重。適用于主臂質量輕、低摩擦情況。

力當還型：是力反射型的補充形式，主臂也位置伺服系統構成，主臂操作更容易實現，常用。

姓名：付昱飛

編號：101122010238

單位：哈爾濱辰能工大環保科技股份有限公司

第三篇：哈工大機械工程繼續教育2013專業課作業二已完成

黑龍江省2013專業技術人員繼續教育知識更新培訓課程作業

黑龍江省專業技術人員繼續教育知識更新培訓

機械工程專業2013年作業

說明：

初級職稱學員“專業課作業一”為第1-8題；“專業課作業二”為9-15題。

中、高級職稱學員“專業課作業”為1-20題；同時提交3000字左右“學習心得”一篇。

所有學員均需按要求提交“公需課作業”。

作業提交時間：以網站通知為準。

9、利用橡膠彈性變形的微型氣動驅動器的特點主要有：構造簡單，易于小型化、無滑動部位，受摩擦影響較小、利用空氣壓力產生的力為表面力，力/自重比隨著微小化將得以提高、隨著微小化，作為橡膠構造體的固有頻率上升，易于得到受振動影響小的穩定動作、柔軟的構造，可動，作為微機械應用領域，有望在醫療、生物領域找到適用化背景。另外，用在管線內檢查用機器人的情況下，1)不傷害管內壁；2)對于管道內徑的變化有適用性等優點、不用電，有防爆性和耐水性。這非常適用于煤氣管道、下水道、自來水管道等的檢查作業，也適于體內檢查作業等。

10、臂式FMA的結構為：由呈扇形分布的三個壓力室的纖維強化橡膠管組成。

11、纖維強化橡膠是一種纖維與橡膠合成的復合材料，在彈性特性上有很強的各向異性。因此，FMA的外壁沿L方向難以伸長，而沿著與其成直角的T方向易于伸長。

12、FMA的驅動控制方法是：作為壓力控制方法，通過脈寬調制信號驅動高速電磁閥（開關閥）驅動、使用壓力控制閥等即可以模擬量驅動FMA。

13、由FMA驅動特性及實驗研究得知：FMA可應用于臂式操作手、機器人手爪、步行機器人、蛇形管內移動機器人等柔性驅動機器人上。

14、Bubbler驅動器可以設計制作成平板、圓筒型兩種；該類驅動器作為移動機器人驅動機構具有如下特點：作為薄形驅動器結構使用、因其為柔軟結構體，不損傷對象物體，還能適應形狀、在水中及有粉塵等環境下也能使用、力/體積比大。

15、FMA的澆注加工一般步驟是：(1)材料（橡膠本體、硬化劑等）計量，攪拌，脫泡；(2)注型；(3)硬化（加硫）；(4)離型（脫模）。

20、從微小SCARA機器人、1英寸/2英寸管內移動機器人等微小機器人系統試制可以得出：對于集成化微小型機器人的研發，從微型伺服驅動器、微型攝像機、微型手爪三個大方面的都需要考慮特殊設計、特殊加工、裝配工藝的技術問題，從而不斷推進微小機器人技術進步。

第四篇：2014年哈工大繼續教育機械工程專業課作業第1部分參考

2014年黑龍江省專業技術人員繼續教育知識更新培訓

機械工程專業作業參考1-3題

說明：

中、高級職稱學員“專業課作業”為論述題1-5題；同時提交3000字左右“學習心得”一篇。

論述題

1.本課程分別著重講述了移動機器人中具有代表性的輪式移動機器人創新設計基礎理論與技術。試分別論述輪式移動機器人、操作臂型機器人、足式步行機器人的實用化優缺點，并進一步思考論述可以互相擬補它們各自不足的創新設計新思路。

答： 輪式移動機器人優點：同腿式步行機器人相比，加速快，以一定速度跑起來的話一般只需較小的驅動力，省能。能高速穩定的移動，能量利用率高，機構的控制簡單，而且它可以能夠借鑒日益完善的汽車技術和經驗等。它的缺點是移動只限于平面，目前，需要機器人工作的場所，如果不考慮特殊環境和山地等自然環境，幾乎都是人工建造的平地。輪式移動機構預期設計要求實現零半徑回轉，可調速，便于控制。車輪的旋轉和轉向是獨立控制的，全方位移動機器人采用前后輪成對驅動來控制轉向，以及控制每輪旋轉來實現全方位移動。操作臂型機器人的實用化優缺點

除輪式移動機器人外，機器人中最具代表性的還有操作臂型機器人和步行機器人。

在機器人領域，把類似人類手臂的、由關節和桿件構成的機構的機器人稱為操作臂每個關節一般由伺服電機和減速器驅動關節回轉或直線移動，操作臂的末端一般根據其用途不同安裝不同的操作手或作業工具，通過關節的轉動或移動由臂帶動末端運動完成作業。操作臂是目前被使用的機器人中應用最為廣泛的、最為普遍的中形態。其中在工廠內用于裝配作業、焊接作業等等用途的產品化操作臂被稱為工業機器人。

從理論和實踐應用來看，工業機器人一般不具有人的外形和全部功能，它模擬了人類的部分感官功能和思維能力，延伸并超越了人類手臂或腿腳的作用，機器人操作臂具有精度高、速度快、柔性強的特點，特別適用于變通機器難以滿足的多品種、小批量生產模式，目前機器人的應用情況已成為衡量工廠自動化程度的主要標準。

足式步行機器人的實用化優缺點

輪式移動機器人、步行機器人、操作臂型機器人作為機器人中具有代表性的機器人，各自具有不同的特點與用途。

步行機器人是仿生人類雙足行走、動物四足或多足行走形態的步行機器人，其腿部機構是與構成操作臂機器人關節及桿件類似，一般是由各個連桿構件通過各關節連接而成的串聯機構。每個關節一般由伺服電機和減速器驅動關節回轉或直線移動，有的構件上有腳，如雙足步行機器人是有腳的，但是也有的腿上無腳，如通常四足及多足步行機器人腿上一般是無腳。

同輪式移動機器人相比，四足、六足步行機器人具有步行穩定、可跨越障礙、上下臺階等特點，在室內、室外以及野外不平整地面都可等到穩定步行和越障的行走效果，可用于

搭載操作臂型機器人移動到作業位置由操作臂完成操作作業，也可運載物品或野外作業。

它的優點：

(1)足式機器人的運動軌跡是一系列離散的足印，輪式和履帶式機器人的則是一條條連續的轍跡。崎嶇地形中往往含有巖石、泥土、沙子甚至峭壁和陡坡等障礙物，可以穩定支撐機器人的連續路徑十分有限，這意味著輪式和履帶式機器人在這種地形中已經不適用。而足式機器人對環境的破壞程度也較小。

(2)足式機器人的腿部具有多個自由度，例運動的靈活性大大增強。它可以通過調節腿的長度保持身體水平，也可能通過腿 的伸展程度調整重心的位置，因此，不易翻倒，穩定性更高。

(3)足式機器人的身體與地面是分離的，這使機器人的身體可以平衡地運動而必考慮地面的粗糙程度和腿的旋轉位置。當機器人需要攜帶科學儀器和工具工作時，首先將腿部固定，然后精確控制身體在三維空間中的運動，就可以達到對對象進行操作的目的。

存在缺點：

1）有些多足步行機器人體積和重量都很大。

2）大多數多足步行機器人研究平臺的承載能力不強從而導致它們沒有能力承載視覺設備。

3）步行敏捷性方面。其行走效率低，而且在機器人動步態步行方面的研究比較缺乏。

4）多足步行機器人的控制方法需要改進。

5）能源問題。尋求新型可靠的能源為機器人供電，實現機器人時間在戶外行走的目標。

2、操作臂型機器人是最早用于工業生產中的實用化機器人類型并以取得廣泛應用，試就自己所從事的行業論述操作臂型機器人可以實用化的設計方案（可選型現有工業機器人商品也可自行創新設計操作臂機器人方案）及應用操作臂機器人作業方案設計。

答： 機器人技術是一個集環境感知、軌跡規劃、機械手應用等功能于一體的機電一體化系統。它是集中了計算機、機構學、傳感技術、電子技術、人工智能及自動控制等多科而形成的高新技術。本次課程設計的采摘機器人智能小車就是這種高新技術綜合體的一種嘗試。采摘機器人智能小車主要由機械系統，環境識別系統，運動控制系統及機械臂控制系統組成。小車以單片機為核心，附以外圍電路，采用光電檢測器進行檢測故障和循跡，并用軟件控制小車及機械臂的運動，從而實現小車的自動行駛、轉彎、尋跡檢測、避障、停止及采摘等功能的智能控制系統。

果實采摘是農業生產的重要環節，其季節性強、勞動量大且費用高。因而許多國家開始研發智能控制的果實采摘機器人。果實采摘機器人作為農業機器人的一種類型，目前在日本、美國與荷蘭等國家已有研制和初步使用，主要用于采摘番茄、黃瓜、草莓、葡萄、西瓜、甜瓜、蘋果、柑桔與甘藍等蔬菜和水果，具有很大的發展潛力。各類果實采摘機器形式多樣，但主要由機械手、末端執行器、視覺系統、控制系統與行走系統等部分組成。本文介紹了智能車及采摘機器人系統。它是在智能循跡小車的基礎上，自主設計一個球形果采摘的機械手并裝配到原有的智能小車上，完成采摘機電一體化系統的設計、制作，進行機器人運動控制規劃，控制機器人完成一系列復雜動作，如手抓張合、車體回轉，智能循跡避障、協同作業等任務。

機械手臂方案設計

設計方案有如下三種:

A方案。由于手臂要執行采摘作業，于是我們首先想到了平行四邊行的穩定性，便設計了如下方案。該方案穩定性較好，使用電機數量也少，節約了成本，但它同時也限制了機械手的靈活性，且機械手不能抓取地面上的物體，縮小了機械手的操作空間。

B方案該方案改進了方案A的機械手不能抓取到地面的缺點，但Z軸轉動只能靠小車的轉動來實現，耗能

多，不符合“多動小關節、少動大關節”原則，而且需要控制車輪方能實現，車輪依靠步進電機控制，從而給編程和后期調試帶來不便。

C方案該方案在基座處又加了一個電機，改進了方案B的缺點，在球形果偏離預定位置時仍能通過腰關機的轉動來實現作業，增強了機械手的靈活性,并能實現預定工作空間。

經過分析比較我們最終選定方案C。

3、結構設計方案題：試從機械結構、回轉精度、關節位置全閉環控制等角度論述機器人關節結構方案設計與構成問題，可輔以結構圖并結合文字敘述加以說明。

答:臂力的確定

目前使用的機械手臂的臂力范圍較大，國內現有的機械手的臂力最小為0.15N，最大為8000N。本液壓機械手的臂力為N臂=1650（N），安全系數K一般可在1.5~3，本機械手臂取安全系數K=2，定位精度為±1mm。工作范圍的確定

機械手的工作范圍根據工藝要求和操作運動的軌跡來確定。一個操作運動的軌跡是幾個動作的合成，在確定的工作范圍時，可將軌跡分解成單個的動作，由單個動作的行程確定機械手的最大行程。本機械手的動作范圍確定如下： 手腕回轉角度±115°手臂伸長量150mm手臂回轉角度±115°手臂升降行程170mm手臂水平運動行程100mm.確定運動速度.機械手各動作的最大行程確定之后，可根據生產需要的工作拍節分配每個動作的時間，進而確定各動作的運動速度。工業機器人抓取手臂要完成整個工作過程，需完成夾緊工件、手臂升降、伸縮、回轉，平移等一系列的動作，這些動作都應該在工作拍節規定的時間內完成，具體時間的分配取決于很多因素，根據各種因素反復考慮，對分配的方案進行比較，才能確定。

機械手的總動作時間應小于或等于工作拍節，如果兩個動作同時進行，要按時間長的計算，分配各動作時間應考慮以下要求：

②

第五篇：2014年哈工大繼續教育機械工程專業課作業第2部分參考

2014年黑龍江省專業技術人員繼續教育知識更新培訓

機械工程專業作業參考4-5題

說明：

中、高級職稱學員“專業課作業”為論述題1-5題；同時提交3000字左右“學習心得”一篇。

論述題

4.試述輪式移動機器人的位置控制精度遠不如操作臂型機器人定位精度，為實現大范圍內靈活移動和較高操作定位精度，試給出采用輪式移動機器人與操作臂型機器人聯合創新設計的方案及完成作業控制策略。

機器人如何知道自己所在的位置？

移動機器人一邊移動一邊知道自己所處的位置是非常重要的而且也是必須的。移動機器人是用計算機控制來工作的。計算機對所有的信息進行數字處理，移動機器人的位置和姿態是用數字表示的。即在地面上建立二維坐標系，將移動機器人坐標位置與方向用數值表示即可以了。機器人的移動環境地圖可以描述在同一坐標系中，從當前的位置姿態來看立即就能明白移動機器人在地圖上位于何處。

測程法：是移動機器人推定當前所處位置和姿態常用的方法，是對車體速度積分的方法。車體的速度是根據車輪單位時間轉過的角度求得的。因此，由單位時間內車輪轉角的積分就可以計算出移動機器人當前所的位置和姿態。這些物理量當然能夠有傳感器測得。

上述有關移動機器人位置和姿態推算的測和法是最基本的方法。可是，當機器人車輪一旦產生滑移，如上所述方法中積分挖法就會產生誤差。行走距離越遠產生的誤差就越大。

車輪的回轉角、角速度的測量方法

獨立二輪驅動型移動機器人的行進方向速度V和回轉角速度ω可用公式計算出來。因此為用測程法計算行進方向速度V和回去轉角速度ω，測量回轉軸轉角的傳感器除上述提到的光電編碼器外，還有測速電機、電位計等等。

輪式移動機器人的控制方法：

由與位移成比例的操縱機構操縱的直線行走；

與位移、位移的時間微分成比例操縱方法的直線行走；

獨立二輪驅動型移動機器人的直線行走。

直線行走控制方法的總結：

其控制系統構成要點如下：

a.測量偏離期望行走直線的θ和η過，以及移動機器人的回轉角速度ω；

b.若為轉向操縱車輪型移動機器人，用公式計算轉向角的目標值。在該目標值下控制轉向角。并以實現行進速度目標值σref進行速度控制。

c.若為獨立二輪驅動型移動機器人，用公式計算機器人的目標回轉角速度ωref。進一步地，由行進速度目標值vref和ωref，用公式求得左右驅動輪的回轉角速度，控制左右驅動輪的回轉角速度。

移動機器人作為機器人系統中的一個重要的分支,近年來已經成為機器人應用領域一個熱點。開展機器人移動機構的開發和研制工作,根據不同工環境的要求開發了多種多樣的移動機構。其中全方位移動機構因為其獨特的優點,如高精度的定位性、原地自轉功能以及二維平面上的全方位移動運動能力,成為了機器人移動機構研究的重點。設計一種基于Mecanum輪系的四輪全方位移動混聯式操作臂機器人,深入研究了全方位移動機構的運動特性,并在此基礎上對機構的控制方案進行設計與研究。首先從Mecanum輪的結構和基本運動原理,分析由4個Mecanum輪組成的全方位移動機構系統的運動規律,建立了該系統的運動學、動力學模型。根據Mecanum輪的運動原理,對輥子的輪廓形狀進行了研究,獲得輪廓的參數化方程,根據實際要求確定了全方位移動機構系統的機構的主要參數,完成了相應的結構設計。在移動平臺的基礎上,提出了一種新型基于差動驅動的串、并聯操作機械臂,該機械臂結合了串、并聯機器的優點,具有較大的抓取/自重比。建立了該機械臂的數學模型,對其進行了正、反運動學的分析,運用SolidWorks對機械臂個部件進行了3D詳細設計,采用ADAMS軟件對機器人系統進行運動學和動力學仿真分析。通過仿真分析驗證了所提方案的正確性合理性。最后就機器人的控制系統提出總體設計思想,討論了驅動電機的選擇、調速以及驅動電路的實現等,并且通過Matlab/SimuLink模塊完成電機以及PWM信號的仿真,為研發這種新型全方位移動混聯式操作臂機器人提供了必要的基礎。研究的機器人系統運動靈活、穩定、承載能力強,可以實現平面內的全方位移動,應用前景比較廣闊,可用于空間較為狹小的清掃、搬運、裝配等工作。

5.在可適用于輪式移動機器人的地面環境內，有需要上下多級臺階的作業需要機器人完成，試分析論述給出輪式移動機器人與雙足（或四足、六足）步行機器人聯合使用創新設計的方案和完成作業控制策略。

同輪式移動機器人相比，四足、六足步行機器人具有步行穩定、可跨越障礙、上下臺階等特點，在室內、室外以及野外不平整地面都可等到穩定步行和越障的行走效果。

它的優點：第一，足式機器人的運動軌跡是一系列離散的足印，輪式和履帶式機器人的則是一條條連續的轍跡。崎嶇地形中往往含有巖石、泥土、沙子甚至峭壁和陡坡等障礙物，可以穩定支撐機器人的連續路徑十分有限，這意味著輪式和履帶式機器人在這種地形中已經不適用。而足式機器人對環境的破壞程度也較小。

第二，足式機器人的腿部具有多個自由度，例運動的靈活性大大增強。它可以通過調節腿的長度保持身體水平，也可能通過腿 的伸展程度調整重心的位置，因此，不易翻倒，穩定性更高。

第三，足式機器人的身體與地面是分離的，這使機器人的身體可以平衡地運動而不必考慮

地面的粗糙程度和腿的旋轉位置。當機器人需要攜帶科學儀器和工具工作時，首先將腿部固定，然后精確控制身體在三維空間中的運動，就可以達到對對象進行操作的目的。

存在缺點：1）有些多足步行機器人體積和重量都很大。2）大多數多足步行機器人研究平臺的承載能力不強從而導致它們沒有能力承載視覺設備。3）步行敏捷性方面。其行走效率低，而且在機器人動步態步行方面的研究比較缺乏。4）多足步行機器人的控制方法需要改進。5）能源問題。尋求新型可靠的能源為機器人供電，實現機器人時間在戶外行走的目標。

未來多足步行機器人的研究方向有如下幾個方面：

1）足輪組合式步行機器人，2）仿生步行機器人。實際上這三種機器人都有各自的特點和適用場合，可以互相擬補各自的不足，互相取長補短，可以進行聯合創新設計以滿足多種工藝美術品環境下的實際需要，擴大機器人作業范圍、作業類型。

設計的機器人行走機構主要性能指標要求如下：

①總體機構尺寸；②自重；搭載重量；③峰值速度；正常速度m/s；④能爬越垂直高度，障礙，可爬越普通標準樓梯；⑤爬坡能力不小于。

小型輪式機器人為研究對象，結合當前輪式機器人技術的發展，提出所需要的功能和需要滿足的性能和指標，設計出小型輪式機器人行走機構。小型輪式機器人行走機構可做為探測、偵查、以及防爆等作業的搭載平臺。

通過對國內外輪式機器人的性能以及結構的研究概況的調查分析，將國內外幾種典型的輪式機器人行走機構的研究比較，總結并綜合了其各自的優缺點，結合本文所研究的機器人的功能，提出小型四輪和六輪機器人行走機構的虛擬樣機模型。四輪機器人采用四輪驅動、獨立懸架結構。六輪機器人采用六輪驅動、集中控制和前后輪升降系統的結構組成。

對兩種輪式機器人行走機構模型在如斜坡、臺階等障礙的非結構環境下進行了越障和轉向等運動分析，在此前提下進行輪式機器人行走機構的結構尺寸設計，分別對機器人行走機構在平地和斜坡模式下所需的驅動電機功率進行計算，并根據結果對四輪機器人選用直流減速電機，對六

輪機器人選用了直流減速電機。根據電機和輪胎的尺寸對行走機構進行了包括驅動系統、鏈傳動系統以及前后輪升降系統在內的機構設計，并使用建模軟件UG完成了對輪式機器人行走機構零部件的三維參數化建模，繪出零件圖。

在實驗場地中，對小型四輪機器人進行了爬坡、爬樓梯、高臺地形下的實驗，測得數據，驗證了四輪和六輪機器人行走機構運動速度、爬坡、爬樓梯的能力，能完成所提出的越障指標及性能。