五自由度工業(yè)機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(全套含CAD圖紙?jiān)次募?/h1>
開 題 報(bào) 告題 目 五自由度工業(yè)機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) 所 在 院 (系 ) 專業(yè)班級(jí) 指導(dǎo)教師 年 月 日題 目 五自由度工業(yè)機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一、選題的目的及研究意義通過五自由度工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì),可以為進(jìn)一步研究工業(yè)機(jī)械手的工作原理和工作過程奠定一定的基礎(chǔ)。將其作為機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程及機(jī)械電子工程專業(yè)等機(jī)電結(jié)合的綜合教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備,不僅可以使學(xué)生在輕松愉快的氛圍中充分理解相關(guān)課程的專業(yè)知識(shí),而且可以激發(fā)學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)興趣,樹立系統(tǒng)的工程概念,培養(yǎng)其獨(dú)立開展科學(xué)研究的能力。 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展,尤其是進(jìn)入 20 世紀(jì) 80 年代以來,機(jī)械手技術(shù)的進(jìn)步與其在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,引起了各國(guó)專家學(xué)者的普遍關(guān)注。許多發(fā)達(dá)國(guó)家均把機(jī)械手技術(shù)的開發(fā)、研究列入國(guó)家高新技術(shù)發(fā)展計(jì)劃。世界各國(guó)普遍在高等院校為大學(xué)本科生及研究生開設(shè)了介紹機(jī)械手技術(shù)的有關(guān)課程。為了培養(yǎng)機(jī)械手開發(fā)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、維護(hù)方面的人才,我國(guó)很多高校也為本科生和研究生開設(shè)了機(jī)械手學(xué)課程。因此,本機(jī)械手的研制成功,對(duì)機(jī)電一體化專業(yè)教學(xué)及科研有著十分重要的意義。二、綜述與本課題相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)、研究方法及應(yīng)用領(lǐng)域等1. 研究現(xiàn)狀:國(guó)外目前機(jī)械手研究的重點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面: (1) 機(jī)械手操作機(jī),通過有限元分析、模態(tài)分析及仿真設(shè)計(jì)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的運(yùn)用,機(jī)械手操作機(jī)己實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計(jì)。以德國(guó) KUKA 公司為代表的機(jī)械手公司,將機(jī)械手并聯(lián)平行四邊形結(jié)構(gòu)改為開鏈結(jié)構(gòu),拓展了機(jī)械手的工作范圍,加之輕質(zhì)鋁合金材料的應(yīng)用大大提高了機(jī)械手的性能。 (2) 并聯(lián)機(jī)械手:采用并聯(lián)機(jī)構(gòu),利用機(jī)械手技術(shù),實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量及加工,這是機(jī)械手技術(shù)向數(shù)控技術(shù)的拓展,為將來實(shí)現(xiàn)機(jī)械手和數(shù)控技術(shù)一體化奠定了基礎(chǔ)。意大利 COMAU 公司,日本 FANUC 等公司已開發(fā)出了此類產(chǎn)品。 (3) 控制系統(tǒng):控制系統(tǒng)的性能進(jìn)一步提高,已由過去控制標(biāo)準(zhǔn)的 6 軸機(jī)械手發(fā)展到現(xiàn)在能夠控制 21軸甚至 27 軸機(jī)械手,并且實(shí)現(xiàn)了軟件伺服和全數(shù)字控制。人機(jī)界面更加友好,基于圖形操作的界面也已問世。編程方式仍以示教編程為主,但在某些領(lǐng)域的離線編程已實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。 (4) 傳感系統(tǒng):激光傳感器、視覺傳感器和力傳感器在機(jī)械手系統(tǒng)中已得到成功應(yīng)用,并實(shí)現(xiàn)了焊縫自動(dòng)跟蹤和自動(dòng)化生產(chǎn)線上物體的自動(dòng)定位以及精密裝配作業(yè)等,大大提高了機(jī)械手的作業(yè)性能和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。日本 KAWASAKI, YASKAWA, FANUC 和瑞典 ABB、德國(guó) KUKA, REIS 等公司皆推出了此類產(chǎn)品。 (5) 網(wǎng)絡(luò)通信功能:日本 YASKAWA 和德國(guó) KUKA 公司的最新機(jī)械手控制器已實(shí)現(xiàn)了與 Canbus、Profibus 總線及一些網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)接,使機(jī)械手由過去的獨(dú)立應(yīng)用向網(wǎng)絡(luò) 化應(yīng)用邁進(jìn)了一大步,也使機(jī)械手由過去的專用設(shè)備向標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備有了發(fā)展。 (6) 可靠性:由于微電子技術(shù)的快速發(fā)展和大規(guī)模集成電路的應(yīng)用,使機(jī)械手系統(tǒng)的可靠性有了很大提高。過去機(jī)械手系統(tǒng)的可靠性一般為幾千小時(shí),而現(xiàn)在已達(dá)到 5 萬小時(shí),幾乎可以滿足任何場(chǎng)合的需求。 國(guó)內(nèi)機(jī)械手研究現(xiàn)狀:隨著科學(xué)技術(shù)和世界各國(guó)機(jī)械手技術(shù)的發(fā)展,我國(guó)在機(jī)械手科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用工程等方面取得了可喜的進(jìn)步。從 20 世紀(jì) 80 年代末到 20 世紀(jì) 90 年代,國(guó)家 863 計(jì)劃把機(jī)械手列為自動(dòng)化領(lǐng)域的重要研究課題,系統(tǒng)地開展了機(jī)械手基礎(chǔ)科學(xué)、關(guān)鍵技術(shù)與機(jī)械手元部件、先進(jìn)機(jī)械手系統(tǒng)集成技術(shù)的研究及機(jī)械手在自動(dòng)化工程上的應(yīng)用。在工業(yè)機(jī)械手選型方面,確定以開發(fā)點(diǎn)焊、弧焊、噴漆、裝配、搬運(yùn)等機(jī)械手為主。這是中國(guó)機(jī)械手事業(yè)從研制到應(yīng)用邁出的重要一步。一批從事機(jī)械手研究、開發(fā)、應(yīng)用的人才和隊(duì)伍在實(shí)踐中成長(zhǎng)、壯大,一批以機(jī)械手為主業(yè)的產(chǎn)業(yè)化基地已經(jīng)破土而出。 我國(guó)近幾年機(jī)械手自動(dòng)化生產(chǎn)線已經(jīng)不斷出現(xiàn),并給用戶帶來顯著效益。隨著我國(guó)工業(yè)企業(yè)自動(dòng)化水平的不斷提高,機(jī)械手自動(dòng)化線的市場(chǎng)也會(huì)越來越大,并且逐漸成為自動(dòng)化生產(chǎn)線的主要方式。我國(guó)機(jī)械手自動(dòng)化生產(chǎn)線裝備的市場(chǎng)剛剛起步,而國(guó)內(nèi)裝備制造業(yè)正處于由傳統(tǒng)裝備向先進(jìn)制造裝備轉(zhuǎn)型的時(shí)期,這就給機(jī)械手自動(dòng)化生產(chǎn)線研究開發(fā)者帶來巨大商機(jī)。但是,無論從工業(yè)機(jī)械手的數(shù)量上還是技術(shù)上,我們都是比較落后的。而我國(guó)作為一個(gè)工業(yè)大國(guó),不能寄希望從其他國(guó)家得到真正的高技術(shù),必須自主的發(fā)展我國(guó)的高技術(shù),機(jī)械手作為高技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)重要分支,將成為 21 世紀(jì)各國(guó)爭(zhēng)奪的經(jīng)濟(jì)技術(shù)制高點(diǎn)。如何在 21世紀(jì)加速我國(guó)機(jī)械手的發(fā)展,使我國(guó)早日進(jìn)入機(jī)械手大國(guó)行列,已成為當(dāng)務(wù)之急。由于目前我國(guó)機(jī)械手的基礎(chǔ)數(shù)量太低,以工業(yè)機(jī)械手為例,到了 2010 年我國(guó)機(jī)械手擁有量只能達(dá)到世界擁有量1.38%2%,這與我國(guó)作為 21 世紀(jì)前半葉世界主要制造國(guó)的要求差距太大,如果這種差距只能以進(jìn)口機(jī)械手來彌補(bǔ),其巨大損失不是可以用貨幣損失來計(jì)算的??梢姡瑹o論從資金方面考慮,還是從長(zhǎng)遠(yuǎn)利益考慮,我們有必要自主地對(duì)機(jī)械手進(jìn)行研究和開發(fā)。 2. 發(fā)展趨勢(shì):機(jī)械手涉及到機(jī)械、電子、控制、計(jì)算機(jī)、人工智能、傳感器、通訊與網(wǎng)絡(luò)等多個(gè)學(xué)科和領(lǐng)域,是多種高新技術(shù)發(fā)展成果的綜合集成。因此它的發(fā)展與上述學(xué)科發(fā)展密切相關(guān)。機(jī)械手在制造業(yè)的應(yīng)用范圍越來越廣闊,其標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的程度也越來越高,功能越來越強(qiáng),并向著成套技術(shù)和裝備的方向發(fā)展。機(jī)械手應(yīng)用從傳統(tǒng)制造業(yè)向非制造業(yè)轉(zhuǎn)變,向以人為中心的個(gè)人化和微小型方向發(fā)展,并將服務(wù)于人類活動(dòng)的各個(gè)領(lǐng)域??傏厔?shì)是從狹義的機(jī)械手概念向廣義的機(jī)械手技術(shù)(RT) 概念轉(zhuǎn)移;從工業(yè)機(jī)械手產(chǎn)業(yè)向解決工程應(yīng)用方案業(yè)務(wù)的機(jī)械手技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。機(jī)械手技術(shù)(RT)的內(nèi)涵已變?yōu)殪`活應(yīng)用機(jī)械手技術(shù)的、具有實(shí)在動(dòng)作功能的智能化系統(tǒng)。目前,工業(yè)機(jī)械手技術(shù)正在向智能機(jī)器和智能系統(tǒng)的方向發(fā)展,其發(fā)展趨勢(shì)主要為:結(jié)構(gòu)的模塊化和可重構(gòu)化;控制技術(shù)的開放化、PC 化和網(wǎng)絡(luò)化;伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的數(shù)字化和分散化;多傳感器融合技術(shù)的實(shí)用化;工作環(huán)境設(shè)計(jì)的優(yōu)化和作業(yè)的柔性化以及系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化和智能化等方面。3. 研究方法:運(yùn)動(dòng)學(xué)正問題的研究目前主要是利用齊次坐標(biāo)變換矩陣方法將位置和姿態(tài)統(tǒng)一描述,該法思路清晰,但運(yùn)算速度較慢,隨著機(jī)械手機(jī)構(gòu)自由度的增加對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問題的討論帶來很多不便。運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問題比正問題復(fù)雜的多,主要表現(xiàn)在逆解的存在性和唯一性,存在性決定機(jī)械手的操作空間,逆解一般來說非唯一。目前對(duì)具有特殊形狀的機(jī)械手機(jī)構(gòu)如球形手腕機(jī)械手機(jī)構(gòu),其逆解是封閉的,但并不唯一。對(duì)一般的機(jī)械手機(jī)構(gòu)逆解必須使用數(shù)值計(jì)算方法,因而數(shù)值解的計(jì)算速度和精度受到人們的關(guān)注,同時(shí)機(jī)械手機(jī)構(gòu)中常見的奇異狀態(tài)(不可解狀態(tài))在數(shù)值解中如何避免也是討論三維問題之一。 工業(yè)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的計(jì)算過程需要解多元非線性方程組,數(shù)學(xué)上尚無完備的方法求其解析解,機(jī)構(gòu)學(xué)研究者采用數(shù)值分析的方法,取得了一系列進(jìn)展。但是多數(shù)或者算法不穩(wěn)定,或者過分依賴初值,且計(jì)算量大,求解速度慢。工業(yè)機(jī)械手機(jī)構(gòu)位置正解的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解法也開始進(jìn)行探討。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)于非線性映射的強(qiáng)大的逼近能力,采用 BP 網(wǎng)絡(luò),利用位置逆解結(jié)果作為訓(xùn)練樣本,通過大量樣本的訓(xùn)練學(xué)習(xí),實(shí)現(xiàn)機(jī)械手從關(guān)節(jié)變量空間到工作變量空間的非線性映射,從而取得并聯(lián)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)正解,避免了求位置正解時(shí)公式推導(dǎo)和編程計(jì)算等的繁雜性14。 運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的建立與求解是一個(gè)機(jī)械手系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù),一直受到廣泛的關(guān)注,但仍然是當(dāng)今的一個(gè)研究熱點(diǎn),有著一定的發(fā)展空間。機(jī)械手軌跡規(guī)劃屬于機(jī)械手底層規(guī)劃,是在機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)的基礎(chǔ)上,討論在關(guān)節(jié)空間和笛卡爾空間中機(jī)械手運(yùn)動(dòng)過程中的軌跡規(guī)劃和軌跡生成方法。所謂軌跡是指機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過程中的位移、速度和加速度。而軌跡規(guī)劃是根據(jù)作業(yè)任務(wù)的要求,計(jì)算出預(yù)期的運(yùn)動(dòng)軌跡。首先對(duì)機(jī)械手的任務(wù)、運(yùn)動(dòng)路徑和軌跡進(jìn)行描述。例如,用戶給出手部的目標(biāo)位姿,規(guī)劃所要完成的任務(wù)是:確定到該目標(biāo)的路徑點(diǎn)、持續(xù)時(shí)間、運(yùn)動(dòng)速度等軌跡參數(shù),并在計(jì)算機(jī)的內(nèi)部描述所要求的軌跡,即選擇習(xí)慣給定及合理的軟件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。最后,對(duì)內(nèi)部描述的軌跡,實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的位移、速度和加速度,生成運(yùn)動(dòng)軌跡。 軌跡規(guī)劃既可在關(guān)節(jié)空間也可在直角空間進(jìn)行,但是所規(guī)劃的軌跡函數(shù)都必須連 續(xù)和平滑,使得操作臂的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。用戶根據(jù)作業(yè)給出的各個(gè)路徑點(diǎn)后,路徑規(guī)劃的任務(wù)包含: 解變換方程(運(yùn)動(dòng)學(xué)正解)、進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)反解和插值運(yùn)算等;在關(guān)節(jié)空間進(jìn)行規(guī)劃時(shí),大量工作是對(duì)關(guān)節(jié)變量的插值運(yùn)算。因此,對(duì)于插值算法的研究是機(jī)械手軌跡規(guī)劃的一個(gè)重要方面。 4. 應(yīng)用領(lǐng)域:目前工業(yè)機(jī)械手主要應(yīng)用于制造業(yè)中,特別是電器制造、汽車制造、塑料加工、金屬加工以及金屬制品業(yè)等。在日、美、西歐等一些工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家中,工業(yè)機(jī)械手得到越來越廣泛的應(yīng)用。隨著生產(chǎn)的發(fā)展,機(jī)械手功能和性能的不斷改善和提高,機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大,其應(yīng)用范圍已不限于制造業(yè),還用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)、原子能工業(yè)、醫(yī)療、福利事業(yè)、海洋和太空的開發(fā)事業(yè)中。三、對(duì)本課題將要解決的主要問題及解決問題的思路與方法、擬采用的研究方法(技術(shù)路線)或設(shè)計(jì)(實(shí)驗(yàn))方案進(jìn)行說明1. 主要問題:1) 工業(yè)機(jī)械手驅(qū)動(dòng)裝置的選擇2) 工業(yè)傳動(dòng)比的選擇3) 工業(yè)機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)4) 工業(yè)機(jī)械手的機(jī)械傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)5) 工業(yè)機(jī)械手工作運(yùn)行穩(wěn)定性的保障2. 思路與方法:本課題要求機(jī)械手手臂能達(dá)到工作空間的任意位置和姿態(tài),同時(shí)要結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,容易控制。綜合考慮后確定該機(jī)械手具有五個(gè)自由度,其中手臂三個(gè)自由度,手爪部分二個(gè)自由度。3. 技術(shù)路線:1) 查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料2) 根據(jù)參數(shù)確定設(shè)計(jì)方案3) 主要零部件的選型4) 設(shè)計(jì)各機(jī)構(gòu)的圖紙繪制以及總裝圖的繪制5) 資料文件的整理編寫設(shè)計(jì)說明書4. 設(shè)計(jì)方案:由于在同樣的體積條件下,關(guān)節(jié)型機(jī)械手比非關(guān)節(jié)型機(jī)械手有大得多的相對(duì)空間(手腕可達(dá)到的最大空間體積與機(jī)械手本體外殼體積之比)和絕對(duì)工作空間,結(jié)構(gòu)緊湊,同時(shí)關(guān)節(jié)型機(jī)械手的動(dòng)作和軌跡更靈活,因此該型機(jī)械手采用關(guān)節(jié)型機(jī)械手的結(jié)構(gòu)。四、檢索與本課題有關(guān)參考文獻(xiàn)資料的簡(jiǎn)要說明1 濮良貴,紀(jì)名剛,機(jī)械設(shè)計(jì),北京高等教育出版社,2006: 186-342.;2 吳宗澤,羅圣國(guó).機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè),北京高等教育出版社,2006:35-121;3 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(第 3 卷)(精).北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005:125-130;4 劉進(jìn)長(zhǎng),辛健成.機(jī)械手世界M.鄭州:河南科學(xué)技術(shù)出版社,2000 5 諸靜.機(jī)械手與控制技術(shù)M.杭州:浙江大學(xué)出版社,1991 6 吳廣玉,姜復(fù)興.機(jī)械手工程導(dǎo)論M.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,1988 7 周遠(yuǎn)清,張?jiān)倥d.智能機(jī)械手系統(tǒng)M.北京:清華大學(xué)出版社,1989 8 付京孫.機(jī)械手學(xué)M.合肥:中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社,1992 9 王坤興.機(jī)械手技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)J:機(jī)械手技術(shù)與應(yīng)用.1999.(6):10-12 10 國(guó)家 863 計(jì)劃智能機(jī)械手專家組,機(jī)械手博覽M.合肥:中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社,2001 11 陳佩云.我國(guó)工業(yè)機(jī)械手發(fā)展?fàn)顩rJ:機(jī)械手技術(shù)與應(yīng)用.2001, (1):2-5 12 劉進(jìn)長(zhǎng).我國(guó)機(jī)械手發(fā)展戰(zhàn)略研究J:機(jī)械手技術(shù)與應(yīng)用.2000, (3): 2-5 13 馬頌德.基礎(chǔ)技術(shù)研究與隊(duì)伍建設(shè)J:機(jī)械手技術(shù)與應(yīng)用.2001, (5) : 2-514 王啟智,徐心和. PUMA 機(jī)械手逆運(yùn)動(dòng)方程的推導(dǎo)方法及求解J:機(jī)械手.1998,3:81-87 15 McDonald.Robot Technology:Theory,Design and ApplicationM.Prentic-Hill,1985 16 Kim Jinwook, F.C.Park Kim Munsang. Geometric design tools for stiffness and vibration analysis of robotic mechanisms(C): International Conference on Robotics and Automation. Piscataway, NJ, USA: IEEE ,2000,2: 1942-1947 17 Performance-functional based controller design for a mobile manipulator. M.Robotics and Automation, 1992. Proceedings., 1992 IEEE International Conference on,199218 Application of a digital signal processor in compliant Cartesian control of an industrial manipulator. M.American Control Conference, 1994,19 Basis sets for manipulator inertial parameters. M.Robotics and Automation, 1989. Proceedings., 1989 IEEE International Conference on,198920 Architecture CNC Controller for Milling Machine Retrofitting August 18-21, 2009, Fukuoka International Congress Center, Japan五、畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)程安排 起止日期工作內(nèi)容14.2.24-14.3.15開題報(bào)告及外文翻譯14.3.16-14.4.01總體設(shè)計(jì)14.4.02-14.4.25部件設(shè)計(jì)14.4.26-14.5.10零件設(shè)計(jì)14.5.11-14.5.25編寫設(shè)計(jì)計(jì)算說明書14.5.26 -14.5.31預(yù)答辯及修改工作14.6.01-14.6.04主審教師評(píng)閱14.6.05-結(jié)束答辯及成績(jī)綜合評(píng)定六、指導(dǎo)教師意見1對(duì)開題報(bào)告的評(píng)語開題報(bào)告格式規(guī)范,論述較為全面,對(duì)設(shè)計(jì)的思路應(yīng)進(jìn)一步改進(jìn),以求最佳設(shè)計(jì)方案2對(duì)開題報(bào)告的意見及建議對(duì)五自由度工業(yè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)再改進(jìn)指導(dǎo)教師(簽名): 年 月 日 所在院(系)審查意見:審核通過負(fù)責(zé)人簽字(蓋公章) 年 月 日