毕业设计论文建筑行业砌墙机器人的设计.docx

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1、本科生毕业设计（论文）（2018届）工程学院题目：建筑行业砌墙机器人的设计姓名：学号：专业班级：学院名称：工程学院指导教师：职称：2018年5月15日我谨在此承诺：本人所写的毕业设计（论文）建筑行业砌墙机器人的设计均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了引用注释，如出现抄袭及侵犯他人知识产权的情况，后果由本人承担。承诺人（签名）：2018年5月15日建筑行业砌墙机器人的设计摘要：本文对建筑行业砌墙机器人进行了设计，通过比较国内外已经存在的或者相近的砌墙机器人，发现过内砌墙机器人产品匮乏，而对于国外砌墙机器人体积过大的然点，本文运用了麦克纳姆轮，双机械臂等结构进行了创新

2、。通过So1idWOrkS进行了局部仿真，确认了所设计产品的强度可行性。通过建立机器人的D-H坐标系，并列出机器人参数及运动学方程，来进行位姿方程的求解，通过对位姿方程求正逆解来确定末端执行器相对于基础坐标系的位姿矩阵，从而简化产品使用者编程的难度。并进行了双机械特工作空间的计算。关键词：麦克纳姆轮so1idworks仿真分析位姿方程工作空间Designofmasonrywa11robotinconstructionindustryAbstract：Inthispaper,theconstructionindustrywa11robotisdesigned.Bycomparingtheexis

3、tingorsimi1arwa11robotsathomeandabroad,itisfoundthattheinnerwa11robotproductsarescarce,andfortheshortcomingsoftheoverseawa11robot,thepaperusesthestructureoftheMichae1whee1andthedoub1earm.1oca1simu1ationiscarriedoutthroughSoIidWorks,andthestrengthfeasibi1ityofthedesignedproductisconfirmed.Byestab1ish

4、ingtheD-Hcoordinatesystemoftherobot,and1istingtherobotparametersandkinematicequations,thepositionandattitudeequationisso1ved.Thepositionandattitudematrixofthetermina1actuatorre1ativetothebasiccoordinatesystemisdeterminedbythepositiveinverseso1utiontothepostureequation,thussimp1ifyingthedifficu1tyoft

5、heprogrammingoftheproductusers.Theca1cu1ationoftheworkingspaceofthedua1manipu1atorisa1socarriedout.KeyWords:Mecanumwhee1,so1idworks,simu1ationana1ysis,Poseequation,workingspace1绪论11选题背景及研究意义1.2 国内外研究综述1.2.1 国外研究综述1.2.2 国内研究综述1.3 本论文研究的主要内容2机器人方案的确定及结构的设计2.1 自动砌墙机器人设计的特点2.2 方案设计概念及基本知识2.2.1 工业机器人的组成及

6、其工作原理2.2.2 机器人的主要技术指标2.2.3 机器人的主要类型2.3 方案设计2.3.1 设计要求2.3.2 方案功能设计分析3大臂刚度和强度分析3.1 机械臂1有限元模型的建立3.2 约束的建立3.3 确定外部载荷3.4 网格生成及结果分析3.5 计算结果分析4机器人机构的运动分析4.1 机器人位置与姿态的确定4.2 机器人位姿方程的建立及求解4.3 机器人的结构与位姿坐标4.3.1 so1idworks建模4.3.2 机械臂坐标系的建立4.4 机器人位姿运动方程正解4.4.1 机器人参数与运动学方程4.5 机器人位姿运动方程描述4.5.1 刚体位姿描述4.5.2 方位描述4.5.3

7、 坐标系的描述4.5.4 齐次坐标和齐次变换4.6 机械臂位姿方程逆解5总结6参考文献7致谢1绪论城垣人口（万人）图IT城镇人口数（国家统计局）城镇人口数不断增加，使城市土地供应紧缺，所以越来越多的建筑朝着高空发展，中高层建筑也越来越多，钢筋混凝土便成为了主要是受力材料，所以大多数中高层建筑也大部分采用钢筋混凝土结构，但是随之而来的问题也层出不穷。其中包括以下几个方面（1）安全问题2017年上半年，住宅市政工程安全事故按事故类型分类。高空坠落150多起，占总数的51.4%;如图12所示图1-2市政工程生产安全事故（住房和城乡建设部）所以，在高层建筑的外层砌外墙时是非常危险的，劳动强度和事故率都

8、非常的高。（2）成本问题低端劳动力成本越来越高，经查阅，砌一平米墙人工费大概在6070左右，一个工人一天（8小时算）可以砌大概1300块破。（3）质量问题每个工人的砌墙水平不同，导致砌出的墙体水平，质量也参差不齐，所以砌墙机器人的出现可以尽量避免这样的情况产生。所以在建筑业中使用机器人可带来很多好处，归纳起来主要有三点：（1）人类可以亳不费力地把建筑活动扩展到人所不适的新场所和新领域,如水下、化学或核辐射污染、以及高温、高压等领域,并将带来巨大的经济效益.（2）把人类从单调重复的传统建筑作业中替换出来.例如在建筑工地上的喷砂作业.（3）建筑业中的人工费用较高,且缺乏熟练劳动力，所以，在一些传统

9、领域可使用机器人成为新的劳动力或者增加劳动者的劳动效率从而降低劳动成本。1.2 国内外研究综述1.2.1 国外研究综述最早的上第一台建筑机器人诞生于墙体砌筑方面。1994年，德国卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）研发了全球首台自动砌墙机器人ROCC0；1996年，斯图加特大学开发了另一型混凝土施工机器人BRONC0。之后，哈佛大学、卡内基梅隆大学等机构也都开展过一些建筑机器人研究。不过，受当时经济及技术条件所限，这些早期砌筑机器人系统均未投入实际使用，但是为后续型号的研究提供了前期的概念和理论铺垫。近年来，随着机器人技术走向成熟，以及劳动力成本的不断起高，砌筑机器人系统的研发重获发展契机，甚至部分系

10、统已投入商业应用。现有的墙体砌筑机器人大多基于工业机械手改装而成，一般具有“移动平台+递送系统+机械臂”的体系结构。典型代表如美国ConstructionRobotics公司的SAM（semi-automatedmason）系统、ETHZUriCh研发的In-SitUFabriCator系统，以及澳大利亚FastbrickRobotics公司的Hadrian109砌筑机器人系统。另外，机器人SAM是一具由配备夹具的通用工业机械手、一套砖料传递系统以及一套位置反馈系统组成的机器人。它采用轨道式移动机构，由于工作轨道需事先人工铺设，故工作范围及灵活性受到一定限制。利用算法和传感器测量建筑的角度和方

11、向，准确铺砖，速度每天可达8501250块，是一般工人的近三倍；它只能从事工地上的机械工作，如铺砖头，配制泥浆，美观修饰还需工人，它可以帮助工人抑制高空工作的风险。In-SituFabricator是一套用于非确定环境下砌筑作业的全自主机器人系统，其主体由一个汽油机驱动的履带式移动平台顶置一具6轴ABB工业机械臂组成，机械臂前端配置吸盘式抓取装置。该系统通过配置于机械臂前端的2D激光雷达获取环境信息，用于监测砌筑进程、构建工作环境3D模型并实现机器人的自定位与SAM1OO系统相比，InrituFabricator系统引入了鲁棒与自适应建筑技术，使得该机器人系统具备非标准墙体砌筑能力，并就墙体变

12、化动态调整砌筑过程。与此同时，该系统还集成了移动机器人的自主导航技术，使其能够工作于存在障碍物的复杂施工环境，其自主性和智能化程度得到了提升。In-SituFabricator系统的砌筑效率约为人工的20倍，不过目前该系统尚处于实验阶段。上述两种砌筑机器人适用于小范围作业,与此不同，Hadrian109砌筑机器人系统可以以单体建筑物的尺度开展工作。Hadrian109系统基于履带式挖掘机平台改装而成，配备一具长达28m的两段式伸缩臂，沿臂敷设有砖块递送轨道，其末端配备砖块自动夹取/砌筑装置。该机器人系统可基于CAD3D模型自主完成建筑物的营建，砌砖速度高达IooO块h,砌筑精度可达0.5mm水

13、平，可在12天内建造完成一栋标准民居（约ZOOm?）o除了以上三种建筑机器人，法国，英国，荷兰，丹麦，日本等国家也进行相关领域的研究，比如法国的国立机器人人工智能研究所（RIAM）和建筑科学技术中心（CSTB）；英国的诺丁汉大学，兰开斯特大学等。1.2.2 国内研究综述我国关于建筑机器人的研究起步较晚，尚未有较为成型的产品及论文出现。张广川在2011年提出了一种可替代建筑工人手工劳动的自动化砌墙设计方案。2016年电子科技大学于鸿洋副教授与他的团队，设计了一种自动抹灰机器人，实现了精准定位，取得了非常好的成绩，并为建筑机器人智能化做出了重要的贡献，“板材安装建筑机器人”为河北工业大学与河北建工

14、集团共同承担的国家高技术研究发展计划（863计划）课题“板材安装室内装修机器人系统研究”的科技成果也为智能建筑机器人的发展提供了巨大的帮助国。目前机器人技术已经相对成熟，其相关的产业群也正在茁壮发展，将机器人领域成熟的技术应用到建筑施工中，形成各种各样的具有专业建筑功能建筑机器人，将使我国目前建筑业得到极大的发展。所以总的来说，通过对国内外文献的阅读发现，目前国内砌墙机器人种类较为匮乏，国外机器人体积过大，成本过高，与社会需求较为不符。本文主要解决国外机器人体积过大，无法在室内工作的问题，还解决了室内多墙角死角的问题，并通过创新，增加了该机构的灵活性。1.3 本论文研究的主要内容对于建筑施工过

15、程中普通墙,填充墙砌筑存在的诸多问题,对自动砌墙机器人进行设计。解决设计砌墙机器人中所需要解决的关键技术，实现自动砌墙的功能。对于自动砌墙机器人的机械结构，位姿，等内容进行研究，主要包括以下几方面内容：（1）第二章对机器人进行了功能需求分析。（2）在第三章进行了机械结构设计与结构创新，对机器人的体积，结构进行了优化。（3）在第四章利用软件SOIidWOrkSSimUIation对的大臂模型进行有限元分析，测定大臂模型的刚度与强度。（4）在第五章进行了机械臂的运动学分析，对机械臂的位姿方程的正逆求解，为机器人的运动规划和轨迹控制提供了理论基础。2机器人方案的确定及结构的设计2.1 自动砌墙机器人设计的特点首先，机器人被自动定义为串联机器人。从机械角度来看，串联机器人是一种开放式运动链，其中一系列连杆通过旋转关节（或移动关节）连接。开放式链条结构使机器人的运动分析和静态分析变得复杂，两个相邻杆坐标系之间的位置和方向关系，末端执行器的姿态和关节变量之间的关系以及末端执行器的力。各种关节驱动力矩（或力）等之间的关系不能通过一般的机构分析方法来解决。有必要为空间开放链机制建立一套运动学和静态方法。末端执行器的位置，速度，加速度和每个关节的转矩之间的关系是动态分析的重要部分。在手臂开链结构中，每个关节的运动受其他关