一种改进的仿真机器鱼花样游泳策略

2016-12 兵工自动化

35(12) Ordnance Industry Automation ·87·

doi: 10.7690/bgzdh.2016.12.023

一种改进的仿真机器鱼花样游泳策略

杨云1，王浩男2，李辉1，舒瑞斌1

(1. 吕梁学院矿业工程系，山西吕梁 033001；2. 吕梁学院计算机科学技术系，山西吕梁 033001)

摘要：针对国际水中机器人大赛2D仿真项目花样游泳中仿真机器鱼的游动优化问题，从整体思路、程序编写、仿真机器鱼游动3方面提出新策略。整体思路上采用渐变图案和动态画面展示完整的故事和主题；程序编写上利用

标志和位姿采集使其模块化，以便于插入新动作程序；仿真机器鱼游动上采用特定的游动角度和游动时间优化直线

游动，提升游动路线的直线度，并通过实验和比赛进行验证。验证结果表明：该策略有效地提高了花样游泳编队观

赏性、整体协作性和技术难度等级，可为相关研究提供参考。

关键词：机器鱼；2D仿真；花样游泳；编队

中图分类号：TP391. 9 文献标志码：A

An Improved Strategy About Simulation Robotic Fish Synchronized Swimming

Yang Yun1, Wang Haonan2, Li Hui1, Shu Ruibin1

(1. Department of Mining Engineering, LYUliang University, LYUliang 033001, China;

2. Department of Computer Science & Technology, LYUliang University, LYUliang 033001, China)

Abstract: Aimed at swimming optimization problem of 2D simulation robotic fish synchronized swimming in the International Underwater Robot Competition, new strategies about overall thinking, programming, and swimming of simulation robotic fish are proposed. For the overall thinking, gradient patterns and motion graphics are used to show a complete story and theme. In order to easily insert a new action program, modularization programming is realized by using the flag and acquiring position and attitude. In order to enhance the straightness of the swimming path, specific swimming angles and swimming time are adopted to optimize linear swimming of simulation robotic fish. And verify it by test and competition. Verification results show that the strategy can effectively improve formation appreciation, overall collaboration, and technical difficulty level of synchronized swimming.It can be a reference for related research.

Keywords: robotic fish; 2D simulation; synchronized swimming; formation

0 引言

随着仿生学和机器人技术的发展，仿生机器鱼成为研究热点。URWPGSim2D仿真平台提供了一种可以仿真仿生机器鱼的实时系统，较为真实地模拟了仿生机器鱼的运动情况，为仿生机器鱼的运动、协作等研究提供了便捷的平台[1-2]。国际水中机器人联盟在此基础上组织了国际水中机器人大赛[3]，并设立2D仿真项目。花样游泳虽然是大赛中设立时间最长的项目之一，但主要针对仿真机器鱼的协作和编队策略进行研究，对仿真鱼游动优化的研究很少，且项目展现形式和程序编写方法较为单调。基于此，笔者对花样游泳策略进行研究。

1 花样游泳项目简介

2D仿真花样游泳是由一支队伍参加的非对抗性的比赛项目，场地采用1.5倍的标准仿真场地，规格为4 500 mm×3 000 mm，在比赛开始后场地中随机分布10条仿真机器鱼。其中：1号仿真鱼在场地内随机游动，不受程序控制；其余9条仿真鱼均可编写程序和策略进行控制，配合1号仿真鱼进行表演。比赛时间为 5 min，参赛者通过仿真鱼之间的协作实现编队，配合解说词展现规定的竞赛主题，最终由裁判根据所有仿真鱼的编队观赏性、整体协作性和技术难度给定成绩[4]。

2 花样游泳策略研究

笔者从项目整体思路、程序编写、仿真鱼游动3个方面对花样游泳策略进行研究。

2.1 以渐变画面的展现主题

目前，花样游泳项目中参赛者大多采用数幅无关联性的动作或图案，再使用解说词较为生硬地结合来展示主题。既然是开放性比赛，就可以针对主题的意境将仿真鱼的编队描述为一首古诗，这样既能体现仿真鱼在协作与互动上的创新性和技术难度，又可用渐变的图案展示一个完整的故事，以动态画面的形式将意境进一步升华，增加仿真鱼编队的艺术性和观赏性。

2.2 程序编写的模块化

当前花样游泳项目所采用的通用策略以if-else 或switch()函数的嵌套为主，虽可实现大多数协作与编队，但是程序繁琐、可读性差，而且在有新方

1

收稿日期：2016-11-15；修回日期：2016-12-02

基金项目：山西省大学生创新创业训练计划项目(2016455)；吕梁学院校内青年自然科学基金项目(ZRQN201508)作者简介：杨 云(1989—)，男，山西人，硕士，助教，从事机电控制方面的教学与研究。

万方数据

2D仿真机器鱼5VS5项目策略研究

2D仿真机器鱼5VS5项目策略研究 赵国冬 (哈尔滨工程大学计算机科学与技术学院，哈尔滨150000) 摘要：针对2D仿真水中鱼项目5VS5比赛的平台与规则，为了能在5VS5比赛中使我方的水中鱼处于领先的优势，鉴于2D仿真鱼比赛是一种类似水中足球的对抗性比赛，顶球算法更是尤为重要。提出了根据不同区域，提出不同的顶球算法，即攻击时，采用基本的顶球算法，防守时，采用根据相对位置确定请求位置的算法。在攻、守、防止犯规等综合因素的情况下，在不同情况下选取最适合的顶球算法[1]。为了能使我方的水中鱼充分地利用场地发挥优势，我方对水中鱼进行了角色的分配，并且对水中鱼的速度和方向进行了控制与优化[2]。对仿真水中鱼方向控制的重点，是让水中鱼平滑的偏转，使其更稳定更迅速的找到自己的目标点。经过实验证明，优化后的顶球算法以及策略使水中鱼在比赛中充分发挥了优势[3]，在更短的时间抢球成功。 关键词：对抗性；顶球算法；区域；角色分配；目标点 The 2D Simulation Robotic Fish 5VS5 Project Strategy Research Zhao Guodong (Computer Science and Technology College, Harbin Engineering University, harbin 150000, China) Abstract: For 2D simulation water fish project 5vs5 platform and the rules of the game, in order to make our water in 5 vs5 fish is in the lead, in view of the 2D simulation game fish is a kind of the antagonism of football game, similar to the water ball algorithm is particularly important. Put forward according to different regions, different ball algorithm is put forward, namely attack, using the apex ball of the basic algorithm, defense, use according to the relative position request location algorithm. In attack and defence, prevent the foul comprehensive factors such as cases, in different situations to choose the most suitable ball algorithm. In order to make our water fish make full use of field advantage, our fish in water are role allocation, and to control the speed and direction of the water fish and optimization. For the simulation of water fish direction control key, is to let the water fish smooth deflection, make it mor e stable and more quickly to find your target. After the experiment proved that the optimized ball algorithm and strategy to make the water fish give full play to the advantages in the game, the ball successfully in a shorter time. Key words: Ball algorithm, role assignment, speed control, direction control 0 引言 在科技高速发展的21世纪，机器人技术已不再陌生，由于这是一项综合性前沿技术，所有开发成果都需要大量的实践。而水下世界将是人类未来生存、利用开发的资源宝库，因此在机器人科技以前所未有的速度发展的趋势下，2D仿真平台水中机器人比赛引起了广泛关注。仿真平台不仅真实模拟了水下环境，反映水中鱼的运动情况[4]，还避免了水下研究的困难。很多学校，以此为界入机器人研究的起点，逐步进入对机器人的深入研究。 在国际上，该赛事引起了业内人士的青睐，国内该项赛事目前已列为中国机器人大赛的重要项目。2D仿真平台模拟了水中鱼的运动形式，通过各种项目进行比赛，有2D仿真水球比赛（5V5）、仿真抢球大战、2D仿真水球斯诺克、2D仿真协作过孔比赛、2D仿真花样游泳等。 1 平台简介 URWPGsim2D（Underwater Robot Water Polo Game Simulator 2D Edition）是水中机器人水球比赛仿真2D版软件，软件可在Windows XP Professional SP3，Windows Vista或Windows 7系统中运行[5]。作为“中国水中机器人大赛”和“中国机器人大赛暨RobuCup中国公开赛”之水中机器人竞赛的2D仿真组比赛平台，URWPGsim2D平台的设计采用面向对象思想，从对象建模的角度看，包括仿真机器鱼、仿真环境和仿真使命三类模型，其中以仿真使命为中心。 2D仿真水球5VS5比赛有两支队伍参加，每队各五条鱼，初始分别位于场地左右两侧，一个仿真水球位于开球点，处于左侧的队伍先发球。针对某一方参赛队伍，定义前场虚线为进攻线，后场虚线为防守线。每支队伍的1号仿真机器鱼可以在整个场地范围游动，为自由球员；第2、3号仿真机器鱼不能越过进攻线，为后防队员；第4、5号仿真机器鱼不能游回防守线内，为进攻球员。每支队伍的仿真机器鱼应按照以上规则运动，否则视为犯规。 比赛开始后，双方仿真机器鱼在各自策略驱动

平面关节型机械手设计

平面关节型机械手设计 设计任务书 一、通过设计平面关节型机械手，培养综合运用所学知识，分析问题和解决问题的能力。 有关资料：上下料搬运机械手，个自由度，平面关节型；需要搬运的工件：环类零件，内孔直径；高,厚,（只能从内孔夹持工件），材料钢，将工件从一条输送线搬运到与之平行的另一条输送线上，（两输送线距离为,高度差）。 要求：设计方案和计算正确，叙述清楚，图纸符合规范。 二、图纸： .机械手机构简图 .工作空间投影图 .机械手传动原理图 .机械手装配图 .零件图 三、实习： .本校机械实验室组装各类机械手模型。 .学习工业机械人设计方面知识。 五、进度： 月日到月日实习，拟订设计方案 月日到月日机械手传动原理图 月日到月日机械手装配图

月日到月日零件图 月日到月日写说明书 引言 平面关节型机械手是应用最广泛的机械手类型之一，既可以用于实际生产，又可以用于教学实验和科学研究。用于实际生产，它能够满足装配作业内容改变频繁的要求；用于教学实验，它能够使人直观地了解机器人结构组成、动作原理等，所以开发设计和研究平面关节型机械手具有最广泛的实际意义和应用前景。其中比较突出的是美国国家半导体公司生产的可编程全数字运动控制芯片，它具有位的位置、速度和加速度寄存器，内置算法，其参数可以修改；支持实时读取和设定速度、加速度以及位置等运动参数，内置的梯形图发生器能够自动生成速度曲线，平稳地加速、减速；支持增量式光电码盘的倍频输入；芯片的主频为和。 一机械手结构 本文设计的平面关节型机械手的实物照片如图所示，其主要包括两个旋转关节（分别控制机械大臂和小臂旋转以及手抓张合）和一个移动关节（控制手腕伸缩），图为机械手简化模型。各关节均采用直流电机作为驱动装置，在机械大臂和小臂的旋转关节上还装配有增量式光电编码器，提供半闭环控制所需的反馈信号。直流电机的运动控制采用自行开发的基于和构成的多关节控制卡，并编制了能满足运动控制要求的软件，实现对机械手的速度、位置以及关节联动控制。由于机械手个关节电机的控制系统基本类似，因此在下文中，笔者将以单个关节电机为例向读者介绍平面关节型机械手的控制系统设计过程。

多关节机械手控制系统

摘要 随着微处理器、计算机、数字通信技术的迅速发展，计算机控制已广泛的应用在各种工业控制领域，为了满足生产设备和自动化的必须有高度可靠性和灵活性的要求，可编程控制器的出现满足了这一要求，它是以微处理器为基础的通用工业装置。 可编程控制器,简称PLC，它的应用广泛，功能强大，使用方便，已成为当今工业自动化的重要支柱之一，在工业生产的所有领域中得到充分的利用。 PLC已广泛的应用在各种生产设备和生产过程自动控制过程中，PLC在其他领域，例如在民用或家用的自动化设备中的到迅速的发展。 关键词：PLC机械臂旋转传感器梯形图 目录 摘要 (1) 1.多关节机械手简介 (2) 2.多功能机械手控制系统的功能要求 (2) 3.硬件系统配置 (4) 3.1. PLC选型 (4) 3.2. PLC的I/O资源配置 (5) 4.软件系统设计 (6) 4.1. 总体流程设计 (6) 4.2. 梯形图设计 (6) 4.3. 主程序初始化梯形图 (6) 4.4. 机械手运转过程梯形图 (8) 4.5. 步进电机脉冲程序梯形图 (11) 5.总结 (13) 6.致谢 (14) 7.参考文献 (14)

多关节机械手控制系统 1.多关节机械手简介 在工业生产和其他领域的木屑工作中，人们经常那个处于高温或有毒等对人体有伤害的环境中从事重复的劳动，这样生产成本不但高，而且会危及人们的生命安全。随着工业自动化的发展、生产效率的提高和劳动强度的增大，机械手的出现使得这些问题得到很好的解决，把人们从繁重的劳动中解放出来，处理更加复杂的生产过程，既能提高产品质量，又可以使人们受到跟小的伤害。机械手一般由耐高温、耐腐蚀的材料制成，多用于恶劣的生产环境，以及要求精度较高的工作场合。 机械手的出现和发展已经使传统工业发生了根本的变化，从手工。机械式的生产跨越到自动化、智能化的生产。一般的工业机器人指的就是一个机械臂带动一个简单的夹紧机构组成，此类机器人用来完成大范围的工件转移或者加工，且不能实现精细操作的功能，同时由于传统机器人的各个不见的尺寸通常较大，其运动定位的精度就不高，所以无法进行装备及微小操作。普通机械手手抓结构多为夹钳式、托持式、吸附式等，只能用来抓握形状规则而且固定的工件，其抓握能用性非常有限。而多关节机械手则利用关节连接两个相连的杆体，即连杆，关节提供连杆之间的相对运动，在这个机构中关节多是其中一个特点，正是由于关节多，所以抓握功能远远强于传统的夹钳式等机械手。它可以完成对不同形状。不规则工件的抓握 2.多功能机械手控制系统的功能要求 传统的机械手用继电器控制，由于其线路复杂、维护困难、可靠性差等缺点，无法免租机械手的控制需求。可编程控制器（PLC）的出现使得这一问题得到解决，PLC控制，具有结构简单、控制方便、可靠性高、编程简单、功耗低和改造方便的特点。传统的机械手无法完成精确的操作工作，所以PLC控制的多关节机械手的应用逐渐广泛起来，并且能够完成动作要求精度高的工作。 在机械行业中，大部分产品的装备不是采用工人装备的形式就是采用传统的继电器控制系统，工人劳动强度大，产品质量得不到保证，同时继电器经过长期使用后，容易发生故障，维修工作量大，而且生产控制灵活性差、控制过程复杂、控制过程不易改变。在装备线上采用PLC控制可以完成精确定位的要求，提高产品质量、降低工人工作量。此外由于PLC编程简单、组合灵活、可靠性高、控制灵活度高，可根据控制流程的不同，方便的改变控制顺序来满足工艺要求。 其动作过程为：

工业机器人课程设计

河南机电高等专科学校《机器人应用技术》课程作品 设计说明书 作品名称：多功能机械手 专业：机电一体化技术 班级：机电124班 扣号： 姓名：流星 2014 年 10 月 1 日

目录 一课题概述 (2) 1、选题背景 (2) 2、发展现状和趋势 (3) 3、研究调研 (4) 二机械手组成及工作过程 (6) 1、整体结构分析 (6) 2、所需器材 (6) 3、底座部分 (8) 4、躯干部分 (9) 5、上臂部分 (10) 6、手爪部分 (11) 7、机械手系统的总调试 (12) 三软件部分 (13) 1、机械手软件编制流程图 (13) 2、机械手运行控制程序图 (14) 四设计体会 (15) 一课题概述 1、选题背景 随着我国经济的高速发展，各种电子产品和各种创新机械结构的出现，工业机器人的作用在装配制造业产业中的地位更加重要了。另一方面随着人们生活水平的提高传统制造产业劳动力生产成本进一

步提高，这也使企业意识到用高速准确的机械自动化生产代替传统人工操作的重要性。其中机械手是其发展过程中的重要产物之一，它不仅提高了劳动生产的效率，还能代替人类完成高强度、危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，可以说是一举两得。在机械行业中，机械手越来越广泛的得到应用，它可用于零部件的组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更为普遍。目前，机械手已发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中一个重要组成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。但目前我国的工业机械手技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国机械行业自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计具有重要意义。 在这样一个大的背景下结合自己的专业机电一体化，我们选择多功能机械手来作为我们的设计题目。结合专业特点使用德国慧鱼机器人教学模型作为我们实现这一课题的元件。利用慧鱼模型的各种机械结构组装出机械手的机械部分，用pc编程实现对机械手的自动控制，利用限位开关来保护电机和控制机械手位置的准停。 这个课题可以充分的体现机电一体化的由程序自动控制机械结构的运动，对自己以前的所学的课程也是一种巩固。另一方面这个机械手可以实现一定的搬运功能具有很强的实用性能。 2、发展现状和趋势

一种取件式平面多关节机械手的研究与计算

第1章绪论 1.1 引言 工业机器人的出现和高速发展是社会、经济发展的必然，是为提高社会的生产水平和人类的生活质量，让机器人替人们干那些人们不愿干、干不了、干不好的工作。我国对于工业机器人的定义为：“一种自动化的机器，所不同的这种机器具备一些与人或者生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器”。1920年捷克作家卡雷尔·查培克在其剧本《罗萨姆的万能机器人》中最早使用机器人一词，剧中机器人“Robot”这个词的本意是苦力，即剧作家笔下的一个具有人的外表，特征和功能的机器，是一种人造的劳力。它是最早的工业机器人设想。 20世纪40年代中后期，机器人的研究与发明得到了更多人的关心与关注。50年代以后，美国橡树岭国家实验室开始研究能搬运核原料的遥控操纵机械手，如图0.2所示，这是一种主从型控制系统，主机械手的运动。系统中加入力反馈，可使操作者获知施加力的大小，主从机械手之间有防护墙隔开，操作者可通过观察窗或闭路电视对从机械手操作机进行有效的监视，主从机械手系统的出现为机器人的产生为近代机器人的设计与制造作了铺垫。 1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示教再现机器人。现有的机器人差不多都采用这种控制方式。1959年，美国发明家英格伯格与德沃尔制造出世界上第一台工业机器人Unimate以来，从此工业机器人在现代化社会工业生产的环节中的占比与日俱增。同时伴随着新一轮工业革命及科技革命的到来，各国对于工业现代化都提出了更高的要求，德国提出了“工业4.0”美国提出了“先进制造业国家战略计划”，并采取多种措施“吸引制造业回流”，英国提出了“高价值制造业战略”，日本提出了“产业复兴计划”、法国提出了“新工业法国”等。中国作为全球制造业中心，更要做好充分准备，提升中国制造业的国际竞争新优势，打造中国的工业现代化、做大做强中国制造，对此，我国提出了“中国制造2025”战略。在这场全球聚焦的科技革命中，机器人由于其安全，高效，智能，高精度及稳定性必将在这场革命中发挥巨大的作用。

多关节工业机械手PLC控制系统设计()

摘要：随着社会和科学技术的发展，工业生产的操作方式也发生着革命性的变化，从手工作坊式的劳动，逐渐演变成自动化、智能化的生产方式，人类也逐渐无法完成某些生产过程，所以为了适应生产的需要 出现了特殊的生产工具——机械手。与此同时也出现了一些新的生产活动，在这些生产活动中，有些是属于高 危险的，对人体伤害较大，有些领域不适宜人类工作，机械手则正好适应这类工作。 在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，工业机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。工业机器人的技术水平和应用程度在一定程 度上反映了一个国家工业自动化的水平，目前，工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并 且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取示教再现的方式。 机械手是模仿着人手部的部分动作，按照给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。本文对多关节工业液压机械手的结构进行了详细研究。关键词：三自由度，机械手，PLC 系统 Abstract ：As society and the development of science and technology ，Industrial production operation mode has also undergone a revolutionary change, from manual mill of labor, gradually evolved into automatic and intelligent mode of production and human also gradually unable to complete some production process, so in order to adapt to the needs of the production of the appeared special production tools - manipulator.Meanwhile also appeared a few new production activities in these production activities, some are belong to high risk, to human body harm is larger, some areas not suitable for human work is just, manipulator to meet this kind of work. In today's large-scale manufacturers, enterprises to improve production efficiency and ensure product quality, universal attention production process automation degree, industrial robots as an important member of automatic production line, gradually the enterprise recognizes and adopted. Industrial robot technology level and USES degree in a certain extent reflect a nation industrial automation level, at present, the industrial robot main bearing welding, spraying, handling and stacking repeatability and the intensity of labor etc greatly, work normally take the reappearance of the demonstration teaching way. Manipulator is imitating the people hand movement, according to a given part of the program, track and requests to realize the acquirement, handling and operation of automatic mechanical device. In this paper, three doff industrial hydraulic structure of the manipulator are studied. Keywords: three doff, manipulator, PLC system

机器鱼论文

仿生机器鱼国内外研究现状及分析 摘要：介绍了鱼类推进模式的分类及特点，分析了仿生机器鱼的特点。介绍了国内外仿生机器鱼研制的成果和现状，在此基础上分析了仿生机器鱼研究面临的几个主要问题。 关键词：机器鱼；推进模式；升潜模式；现状 引言 长期生活在水下的鱼类，经过多年的进化，形成了十分完备的游动性能和器官。水下推进器的设计目标希望具有效率高、速度快、灵活性好等优点，而鱼类游动恰好具有这些优点，从而在世界范围内兴起了仿生机器鱼研究的热潮。由于其具有的特点，从而在军事等各个方面都有广泛的发展前景。 1)要求作业时间长、范围大，但本身承载能力或承载空间有限、不能加载太多能源的场合； 2)要求机动性能高的场合，如管道检测，管道内部结构复杂，采用微小型机器鱼可较好地完成作业任务； 3)海洋生物观察．常规螺旋桨推进器噪声大，对环境的扰动大，使水下运动装置很难接近所要观察的海洋生物，采用微小型机器鱼有望解决这一问题； 4)海底勘探及海洋救捞等。采用仿生推进方式可以容易地进入环境复杂的海洋空间，如沉船内部，珊瑚礁群，完成常规潜器所不能完成的作业任务； 5)军用方面。由于机器鱼噪声低、对环境扰动小、不易被声纳发现、易于隐蔽，它不仅为人们研制新型高效、低噪声、机动灵活的柔性潜艇提供了新的思路，而且可直接进行水下侦察，发现敌方雷区，跟踪及摧毁敌方潜艇。 鉴于仿生机器鱼的诸多优点，国内外学者越来越重视新型仿生机器鱼的研究与开发，取得了很多阶段性的成果，设计了各种各样的机器鱼样机，机器鱼的理论和实验研究已渐显规模。 1、仿生机器鱼的分类及特点 1.1、鱼类推进模式分类 1）喷射式。乌贼、鱿鱼、水母等依靠身体躯干的特殊构造，它们由身体内部的特殊部位向后挤压水流产生后向推力，利用动量守恒定理向前推进。 2）鳗鲡模式。即鳗行式，如鳗鱼、水蛇等，如图1所示，它们的游动犹如正弦波形的前进一样，把身体当作推进器，用从头到尾波动身体来游动。 3）醪科模式。波动主要集中在身体后2/3部分，推进力主要由具有一定刚度的尾鳍产生，推进速度和推进效率较鳗鲡模式高，在速度、加速度和可控性三者之间有最好的平衡。

简易机械手的设计(仅供借鉴)

机电液综合课程设计 ——简易机械手的设计 学校： 学院：机械与动力工程学院 班级：机制09-1班 指导教师: 组员： 组长：

目录 第1章绪论 (1) 1.1机械手概述 (1) 1.2机械手的设计目的 (4) 1.3机械手的设计内容 (5) 1.4机械手的分类及其在生产中的应用 (6) 1.5机械手的应用意义 (9) 1.6机械手的技术发展方向 (10) 第2章设计方案的论证 (11) 2.1机械手的总体设计 (11) 2.2机械手腰座结构的设计 (12) 2.3机械手手臂结构的设计 (12) 2.4工业机器人腕部的结构 (14) 2.5机械手末端执行器（手爪）的结构设计 (15) 2.6机械手的机械传动机构的设计 (17) 2.7机械手驱动系统的设计 (18) 第3章理论分析和设计计算 (26) 3.1液压传动系统设计计算 (26) 3.2电机选型有关参数计算 (35) 第4章控制系统的设计 (38) 4.1单片机控制系统选择 (38)

4.2单片机控制程序 (39) 4.3机械手的工艺流程 (41) 第5章机械手总成及零件图 (42) 总结 (44) 参考文献 (45)

第1章绪论 1.1机械手的概述 机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有2～3个自由度。控制系统是通过对机械手每个自由度的电机的控制，来完成特定动作。同时接收传感器反馈的信息，形成稳定的闭环控制。控制系统的核心通常是由单片机或dsp等微控制芯片构成，通过对其编程实现所要功能。 机械手通常常机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。机械手的机械结构采用滚珠丝杆、滑杆、等机械器件组成；电气方面有交流电机、变频器、传感器、等电子器件组成。该装置涵盖了可编程控制技术，位置控制技术、检测技术等，是机电一体化的典型代表仪器之一。机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。 在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。随着工业现代

关节型搬运机械手设计

第８卷第６期２００８年１１月 潍坊学院学报 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＷｅｉｆａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｖ０１．８ＮＯ．６ ＮＯＶ．２００８关节型搬运机械手设计。 蔡卫国 （大连水产学院，辽宁大连１１６０２３） 摘要：对一类搬运机械手的机构及控制系统进行了分析和设计。在机构设计中，采用了平面关节型机械手，能够实现对工件的夹紧、提升和转动；在控制系统的设计中，采用可编程控制器（ＰＬＣ）对机构进行控制，完成了软件的编程，并对控制系统的硬件原理做了分析。 关键词：关节型；搬运机械手；可编程序控制器 中图分类号：ＴＨｌ６５文献标识码：Ａ文章编号：１６７１—４２８８（２００８）０６—００６３一０２ 工业机械手是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。自从１９６２年美国研制出世界上第一台工业机械手以来，机械手技术及其产品发展很快，已成为柔性制造系统（ＦＭＳ）、自动化工厂（ＦＡ）、计算机集成制造系统（Ｃ１ＭＳ）的自动化工具。工业机械手作为现代制造业主要的自动化设备。已经广泛应用于汽车、工程机械、电子信息、家电等各个行业，进行焊接、装配、搬运、加工等复杂作业。在日本、欧美等国得到广泛的应用。我国的工业机械手技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离．因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，进行系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程［１ｑ］。从近几年国外机械手推出的产品来看，机械手技术正在向智能化、模块化和系统化的方向发展，其发展趋势主要为：结构的模块化和可重构化；控制技术的开放化、ＰＣ化和网络化；伺服驱动技术的数字化和分散化；系统的网络化和智能化等方面［４‘５］。 ｌ搬运机械手机构设计 工业机械手由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、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。本设计的搬运机械手机构主要由机座、腰部、大臂、小臂、腕部及手部等六个部分组成。（见图１） 机械手具有四个自由度，分别是腰部转动、臂部的伸缩运动及手腕的回转和俯仰运动。手部，亦称末端执行器，功能是用来直接抓取工件，其结构有吸盘式、手爪抓取式、卡钳式等多种形式，本设计选择卡钳式的平移型抓取方式，由齿轮齿条作为传动机构，适用于不规则工件和非金属工件的抓取；手腕是连接手臂和末端执行器的部件，其功能取决于自由度的多少，自由度越多则其动作越灵活，但随着自由度的增多，结构和控制也越复杂，在本次设计中，手腕应该具有两个自由度，即能实现手腕的回转和俯仰运动；手臂结合了ＰＵＭＡ机械手结构并进行了改进，臂部的结构形式需根据机械手的运动形式、抓取重量、运动自由度、运动精度等因素来确定，为了实现伸缩运动的平稳和动作的精确，采用了谐波减速器，利用一个构件可控制的弹性变形实现机械运动的传动；回转机座又叫机械手的腰座，除了对机械手起到固定和支撑作用外，还要确保机械手腰部的回转运动。 １．机座２．腰部３．大臂４．小臂５．腕部６．手部 圈１搬运机械手结构简图 ＊收稿日期：２００８一０４—２０ 作者简介：蔡卫国（１９７０一），男，内蒙古赤峰人，大连水产学院理学院副教授，硕士。 一６３—万方数据

平面关节型机械手设计

设计要求 一、通过设计平面关节型机械手，培养综合运用所学知识，分析问题和解决问题的能力。 有关资料：上下料搬运机械手，3个自由度，平面关节型；需要搬运的工件：环类零件，内孔直径50mm；高150mm,厚10mm,（只能从内孔夹持工件），材料40钢，将工件从一条输送线搬运到与之平行的另一条输送线上，（两输送线距离为2.5m,高度差0.4m）。 要求：设计方案和计算正确，叙述清楚，图纸符合规范。翻译一篇有关外文资料。 二、图纸： 1.机械手机构简图 2.工作空间投影图 3.机械手传动原理图 4.机械手装配图 5.零件图 三、实习： 1.本校机械实验室组装各类机械手模型。 2.学习工业机械人设计方面知识。 四、参考书： 1. 《工业机器人设计》周伯英机械工业出版社 1995 2. 《机器人机械设计》龚振帮电子工业出版社 1995 3. 《机构设计》（日）藤森洋三机械工业出版社 1990 4. 《机械手图册》（日）加藤一郎上海科技出版社 1989 5. 《机械设计图册》（5）成大先化学工业出版社 1999 五、进度： 3月24日到4月25日实习，拟订设计方案 4月264日到5月3日机械手传动原理图 5月4日到5月17日机械手装配图 5月18日到5月24日零件图 5月25日到6月1日写说明书

平面关节型机械手设计 [摘要]平面关节型机械手采用两个回转关节和一个移动关节；两个回转关节控制前后左右运动，而移动关节则实现上下运动，其工作空间如工作空间图，它的纵截面为矩形的回转体，纵截面高为移动关节的行程长，两回转关节转角的大小决定回转体截面的大小、形状。关键词:机械手轴承汽缸 [Abstract]Selective Compliance Assembly Robot Arm have two slew joints and one move joints , two slew joints control the moving of the front and back left and right . the move joints control the moving of up and down . the work room as work room drawing . the vertical section is a rectangle slew . the high of the vertical section is move joints’journey ,the move angle of the two slew joints decide the big and small and figure of the vertical section . Key words:manipulator axletree cylinder 第1章机械手总体设计 工业机械手是一种模仿人手部分动作，按照预先设定的程序，轨迹或其他要求，实现抓取、搬运工件或操作工具的自动化装置。它在二十世纪五十年代就已用于生产，是在自动上下料机构的基础上发展起来的一种机械装置，开始主要用来实现自动上下料和搬运工件，完成单机自动化和生产线自动化，随着应用范围的不段扩大，现在用来夹持工具和完成一定的作业。实践证明它可以代替人手的繁重劳动，减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率。 平面关节型机器人又称SCARA型装配机器人，是Selective Compliance Assembly Robot Arm的缩写，意思是具有选择柔顺性的装配机器人手臂。在水平方向有柔顺性，在垂直方向有较大的刚性。它结构简单，动作灵活，多用于装配作业中，特别适合小规格零件的插接装配，如在电子工业零件的插接、装配中应用广泛。 总体设计的任务：包括进行机械手的运动设计，确定主要工作参数，选择驱动系统和电控系统，整体结构设计，最后绘出方案草图。

仿真机器鱼抢球博弈策略的研究.doc

仿真机器鱼抢球博弈策略的研究- 摘要：针对国际水中机器人大赛2D仿真项目抢球博弈，提出了一种基于场地区域划分的运球策略。该策略合理利用比赛场地，进行区域划分，在直线运球时设置多个中间目标点降低了运球误差，以及在狭窄区域利用仿真机器鱼的身体、鱼鳍和鱼尾等鱼体各部位进行运球。此策略避免了因鱼体与场地边缘相互作用而导致的失真现象，提高了进球效率。 关键词：机器鱼；2D仿真；区域划分；运球策略 一、前言 近年来，随着仿生学和机器人技术的发展，仿生机器人取得了很大的进步。鱼类在游动的时候具有高推进效率和机动性、低噪声、高隐蔽性等优点[1]，这些优点引发了研究鱼类的运动机理和开发仿鱼类水中机器人的热潮。 URWPGSim2D仿真平台提供了一种仿生机器鱼的实时仿真系统，它可以模拟仿生机器鱼的游动规律和位姿变化，验证仿生机器鱼协作算法与执行任务的策略。在此基础上，国际水中机器人联盟组织了国际水中机器人大赛，并设立2D仿真项目。抢球博弈是在URWPGSim2D仿真平台版本更新后新增的2D仿真项目，任务较为复杂，对抗性强，尤其是系统随机产生的模拟水波以及仿真机器鱼和场地边缘相互作用时的失真情况，导致了鱼体坐标和位姿的跳变[2]，使仿生机器鱼对水球的控制难度提高了很多。此项比赛目前还没有优势较为明显的策略，因此本文提出了一种基于比赛场地区域划分的仿真机器鱼运球策略以解决这些问题。 二、抢球博弈比赛平台简介

2D仿真抢球博弈比赛平台是URWPGSim2D仿真平台中的一个对抗类比赛项目。它由两支队伍参与，每支队伍有2条仿生机器鱼，初始状态时呈对称分布在左、右半场，场中共有9个仿真水球，3个蓝色水球（编号为0、1、2，每球各3分）位于场地正中央，2个红色水球（编号为7、8，每球各2分）位于场地中线上下方，4个紫色水球（编号为3、4、5、6，每球各1分）位于场地四角。左、右各有一个球门，在初始状态时，各队球门都在其身后，通过计算10分钟内机器鱼的进入己方球门的所有球对应的总分判定胜负，分数高者获得胜利。比赛场地、仿真机器鱼编号及水球编号如图1所示。 三、比赛场地区域划分 在此项比赛中，参赛队伍一般倾向于通过确定目标点与水球的位置，使鱼体、水球和目标点的方向达成一线，通过鱼头的顶点顶球达到进球得分的目的。具体来讲，当比赛计时开始后，仿真机器鱼以最大速度游到蓝色3分球后方，运行基本的直线运球策略，使水球向己方球门两侧运行；如果出现对方机器鱼与己方机器鱼争抢水球时，运行抢球策略。当篮球进入球门后，再将红色2分球运回球门，最后运输离球门最近的紫色1分球。 但是相对于场地中央的宽阔区域，球门后方及靠近场地边缘的区域比较特殊，这些区域由于系统随机产生的模拟水波以及仿真机器鱼和场地边缘相互作用时的失真情况，使得鱼体难以控制。如在这些特殊区域使用全程直线的运球方式，将很难实现平稳运球，从而造成较多的时间浪费。将比赛场地进行划分并分别选择运球策略，并结合仿真机器鱼的游动特点和身体形状，对鱼的运球及进球策略进行规划是非常有必要的。 抢球博弈的比赛场地由于球门居中设置在场地内，使其复

机械毕业设计755关节型机械手设计

本科毕业设计 题目：关节型机械手的机构设计 学院：工学院 姓名： 学号： 20100962 专业： 班级： 指导教师： 2014年5月 摘要 本说明书所设计的关节型机械手应用圆柱坐标式整体机构，能够实现夹取、安放、搬运棒形工件等功能。这个机械手主要由手爪、手腕、手臂、腰部和机座等部

分组成，主要的活动功能体现在整个机械手的四个自由度以及手爪的闭合。其中四个自由度包括腰部的回转，腰部的升降，手臂的伸缩，手腕部的回转。这个机械手的整体规模一般，适用于小巧型工业零件的抓取和搬运，如电子加工业等。 该机械手主要就是靠液压缸的油压变化来实现4个自由度和手爪的夹取。在油路的布置和规划中应用了液压传动的原理以及机械制造的原理，使得油路能够更加的符合机械设计过程中的合理性和可靠性，安全性和经济性。充分利用好机构的相互配合关系，合理布置零件间的空间结构，使本设计更加的合理完善。 关键字：关节型机械手圆柱坐标液压缸四自由度 Abstract

This explanation is designed articulated robot application type cylindrical coordinates overall organization, to achieve gripping, put the rod work piece handling functions. The robot gripper mainly by the wrists, arms, waist and base and other components, the main event features embodied in the entire four degrees of freedom and the robot gripper closure. Four degrees of freedom, including rotation, waist lifting, telescopic arm, wrist rotation of the waist. The overall size of the robot is generally suitable for compact industrial parts crawl and handling, such as electronic processing industry. The robot is mainly by hydraulic cylinders to achieve change gripping four degrees of freedom and a gripper. In the oil circuit layout and planning of the application of the principles and the principles of hydraulic transmission machinery manufacturing, making the oil to be more in line with the mechanical design process rationality and reliability, safety and economy. Take full advantage of a good relationship with each other agencies, rational arrangement of space between the structural components, making the design more reasonable and perfect. Keywords: articulated manipulator cylindrical coordinates cylinder four degrees of freedom 目录 摘要 (1) 目录 (3) 1.1研究目的 (5)

电动式关节型机器人机械手结构的设计

任务书 学院：专业：班级：学生情况指导教师情况题目类型 姓名学号姓名职称单位理论研究□科研开发□ 机电工程学院工程设计√论文□ 题目电动式关节型机器人机械手的结构设计与仿真 主要内容以及目标(毕业设计应完成的主要内容，设计任务达到的目标) 主要内容: （1）完成调研报告和开题报告； （2）完成电动式关节型机器人机械手的结构设计； （3）建立该机械手的三维虚拟模型并对其进行运动仿真； （4）中英文摘要各200字，设计说明书不少于15000字； （5）外文资料翻译不少于5000字。 目标: （1）完成电动式关节型机器人机械手的结构设计，其中包括装配图及关键的零件图；（2）对机械手进行三维建模、虚拟装配与仿真。 成果形式（毕业设计完成具体工作量；成果形式；验收方式）（1）3张A0图纸，包括装配图、零件图； （2）调研报告、开题报告以及设计计算说明书；（3）机械手的三维虚拟模型以及运动仿真的录像。 基本要求（对完成设计任务方面的具体要求：设计技术参数、数据及来源、调试所用仪器设备） 设计技术参数： 手部负重：10kg（抓取物体的形状为圆柱体.圆柱半径.高度自定.密度7.8g/cm3.） 运动轴数： 数据来源： 北京机械工业自动化研究所、上海发那科机器人有限公司 实习调研要求（对部分有实习环节的专业，提出实习或调研的具体要求，包括调研提纲、实习时间、地点和具体内容要求） （1）了解国内外工业机器人的现状、水平和发展趋势； （2）了解工业机器人的各个组成部分； （3）掌握电动式关节型机器人机械手的组成机构及其工作原理； （4）分析现有各种类型工业机器人的特点，如运动方式、驱动方式、控制方式等；（5）总结出本设计课题的基本实现方法及结构，分析其技术关键及难点； （6）做出本设计课题的设计安排，如技术线路、研究方法、设计工具、时间安排等。

一种改进的仿真机器鱼花样游泳策略

2016-12 兵工自动化 35(12) Ordnance Industry Automation ·87· doi: 10.7690/bgzdh.2016.12.023 一种改进的仿真机器鱼花样游泳策略 杨云1，王浩男2，李辉1，舒瑞斌1 (1. 吕梁学院矿业工程系，山西吕梁 033001；2. 吕梁学院计算机科学技术系，山西吕梁 033001) 摘要：针对国际水中机器人大赛2D仿真项目花样游泳中仿真机器鱼的游动优化问题，从整体思路、程序编写、仿真机器鱼游动3方面提出新策略。整体思路上采用渐变图案和动态画面展示完整的故事和主题；程序编写上利用 标志和位姿采集使其模块化，以便于插入新动作程序；仿真机器鱼游动上采用特定的游动角度和游动时间优化直线 游动，提升游动路线的直线度，并通过实验和比赛进行验证。验证结果表明：该策略有效地提高了花样游泳编队观 赏性、整体协作性和技术难度等级，可为相关研究提供参考。 关键词：机器鱼；2D仿真；花样游泳；编队 中图分类号：TP391. 9 文献标志码：A An Improved Strategy About Simulation Robotic Fish Synchronized Swimming Yang Yun1, Wang Haonan2, Li Hui1, Shu Ruibin1 (1. Department of Mining Engineering, LYUliang University, LYUliang 033001, China; 2. Department of Computer Science & Technology, LYUliang University, LYUliang 033001, China) Abstract: Aimed at swimming optimization problem of 2D simulation robotic fish synchronized swimming in the International Underwater Robot Competition, new strategies about overall thinking, programming, and swimming of simulation robotic fish are proposed. For the overall thinking, gradient patterns and motion graphics are used to show a complete story and theme. In order to easily insert a new action program, modularization programming is realized by using the flag and acquiring position and attitude. In order to enhance the straightness of the swimming path, specific swimming angles and swimming time are adopted to optimize linear swimming of simulation robotic fish. And verify it by test and competition. Verification results show that the strategy can effectively improve formation appreciation, overall collaboration, and technical difficulty level of synchronized swimming.It can be a reference for related research. Keywords: robotic fish; 2D simulation; synchronized swimming; formation 0 引言 随着仿生学和机器人技术的发展，仿生机器鱼成为研究热点。URWPGSim2D仿真平台提供了一种可以仿真仿生机器鱼的实时系统，较为真实地模拟了仿生机器鱼的运动情况，为仿生机器鱼的运动、协作等研究提供了便捷的平台[1-2]。国际水中机器人联盟在此基础上组织了国际水中机器人大赛[3]，并设立2D仿真项目。花样游泳虽然是大赛中设立时间最长的项目之一，但主要针对仿真机器鱼的协作和编队策略进行研究，对仿真鱼游动优化的研究很少，且项目展现形式和程序编写方法较为单调。基于此，笔者对花样游泳策略进行研究。 1 花样游泳项目简介 2D仿真花样游泳是由一支队伍参加的非对抗性的比赛项目，场地采用1.5倍的标准仿真场地，规格为4 500 mm×3 000 mm，在比赛开始后场地中随机分布10条仿真机器鱼。其中：1号仿真鱼在场地内随机游动，不受程序控制；其余9条仿真鱼均可编写程序和策略进行控制，配合1号仿真鱼进行表演。比赛时间为 5 min，参赛者通过仿真鱼之间的协作实现编队，配合解说词展现规定的竞赛主题，最终由裁判根据所有仿真鱼的编队观赏性、整体协作性和技术难度给定成绩[4]。 2 花样游泳策略研究 笔者从项目整体思路、程序编写、仿真鱼游动3个方面对花样游泳策略进行研究。 2.1 以渐变画面的展现主题 目前，花样游泳项目中参赛者大多采用数幅无关联性的动作或图案，再使用解说词较为生硬地结合来展示主题。既然是开放性比赛，就可以针对主题的意境将仿真鱼的编队描述为一首古诗，这样既能体现仿真鱼在协作与互动上的创新性和技术难度，又可用渐变的图案展示一个完整的故事，以动态画面的形式将意境进一步升华，增加仿真鱼编队的艺术性和观赏性。 2.2 程序编写的模块化 当前花样游泳项目所采用的通用策略以if-else 或switch()函数的嵌套为主，虽可实现大多数协作与编队，但是程序繁琐、可读性差，而且在有新方 1 收稿日期：2016-11-15；修回日期：2016-12-02 基金项目：山西省大学生创新创业训练计划项目(2016455)；吕梁学院校内青年自然科学基金项目(ZRQN201508)作者简介：杨 云(1989—)，男，山西人，硕士，助教，从事机电控制方面的教学与研究。 万方数据