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開題報告 工業(yè)機器人機械手及其控制系統(tǒng)設(shè)計 系　　　　　　別： 機械與汽車工程系 專業(yè)名稱： 機械設(shè)計制造及其自動化 學(xué)生姓名： 學(xué)　　　　　　號： 指導(dǎo)教師姓名、職稱： 完成日期 2014 年 1 月 15 日 畢業(yè)論文（設(shè)計）開題報告 選 題 工業(yè)機器人機械手及其控制系統(tǒng)設(shè)計 院 系 吉林大學(xué)珠海學(xué)院機械與汽車工程系 專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 本選題的意義及國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r： 1、 本選題的意義： 工業(yè)機器人是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機械手或多自由度的機器人。工業(yè)機器人是自動執(zhí)行工作的機器裝置，是靠自身動力和控制能力來實現(xiàn)各種功能的一種機器。它可以接受人類指揮，也可以按照預(yù)先編排的程序運行，現(xiàn)代的工業(yè)機器人還可以根據(jù)人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動。工業(yè)機器人技術(shù)是近年來新技術(shù)發(fā)展的重要領(lǐng)域之一，是以微電子技術(shù)為主導(dǎo)的多種新興技術(shù)與機械技術(shù)交叉、融合而成的一種綜合性的高新技術(shù)。這一技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、醫(yī)療衛(wèi)生、辦公自動化及生活服務(wù)等眾多領(lǐng)域有著越來越多的應(yīng)用。工業(yè)機器人在提高產(chǎn)品質(zhì)量、加快產(chǎn)品更新、提高生產(chǎn)效率、促進制造業(yè)的柔性化、增強企業(yè)和國家的競爭力等諸多方面有著舉足輕重的地位。而機械手是工業(yè)機器人系統(tǒng)中傳統(tǒng)的任務(wù)執(zhí)行機構(gòu)，是機器人的關(guān)鍵部件之一；是現(xiàn)代控制理論與工業(yè)生產(chǎn)自動化實踐相結(jié)合的產(chǎn)物，并以成為現(xiàn)代機械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成部分；是提高生產(chǎn)過程自動化、改善勞動條件、提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的有效手段之一。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪聲以及帶有放射性和污染的場合，應(yīng)用得更為廣泛。在我國，近幾年來也有較快的發(fā)展，并取得一定的效果，受到機械工業(yè)和鐵路工業(yè)部門的高度重視。機械手的機械結(jié)構(gòu)采用滾珠絲桿、滑桿、等機械器件；電氣方面由交流電機、變頻器、傳感器、等電子器件組成。該裝置涵蓋了可編程控制技術(shù)，位置控制技術(shù)、檢測技術(shù)等，是機電一體化的典型代表儀器之一。因此選擇此課題不僅能夠豐富知識，開闊眼界，而且可以將書本上的理論知識應(yīng)用于實踐。實踐出真知，實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，所謂紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行，只有通過實踐才能使自己找到薄弱環(huán)節(jié)，查漏補缺。 2、 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r： 1954年，美國人戴沃爾最早提出了工業(yè)機器人的概念，并申請了專利。該專利要點為借助伺服技術(shù)控制機器人的關(guān)節(jié)，利用人手對機器人進行動作示教，使其實現(xiàn)動作的記錄和再現(xiàn)，被稱為示教在現(xiàn)機器人，現(xiàn)有機器人基本上都是該控制方式。1958年，被譽為“工業(yè)機器人之父”的Joseph F.Engel Berger創(chuàng)建了世界上第一個機器人公司——Unimation公司，并參與設(shè)計了第一臺Unimate機器人。這是一臺用于壓鑄作業(yè)的五軸液壓驅(qū)動機器人，手臂控制由一臺專用計算機完成。它采用分離式固體數(shù)控元件，并裝有存儲信息的磁鼓，能夠記憶和完成180個工作步驟。與此同時，另一家美國公司——AMF公司也開始研制工業(yè)機器人。它主要用于機器之間的物料運輸，采用液壓驅(qū)動。該機器人的手臂可以繞底座回轉(zhuǎn)，沿垂直方向升降，也可以沿半徑方向伸縮。一般認為，這兩種機器人是世界上最早的工業(yè)機器人。隨著計算機技術(shù)和人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，機器人在功能和技術(shù)層次上有了很大的提高，移動機器人和機器人的視覺與觸覺就是典型的代表。這些技術(shù)的發(fā)展推動了機器人概念的延伸。20世紀(jì)80年代，將具有感覺、思考、決策和動作能力的系統(tǒng)稱之為智能機器人。水下機器人、空間機器人、空中機器人、地面機器人、微小型機器人等各種用途的機器人相繼問世，許多夢想成為了現(xiàn)實。將機器人的技術(shù)擴散和滲透到各個領(lǐng)域，便形成了各式各樣的新機器——機器人化機器。當(dāng)前，與信息技術(shù)的交互和融合又產(chǎn)生了“軟件機器人”、“網(wǎng)絡(luò)機器人”的名稱，這也說明了機器人所具有的創(chuàng)新活力。美國的機器人技術(shù)一直處于世界領(lǐng)先水平。在1967—1974年的幾年時間里，由于政府對機器人發(fā)展重視度不夠，且機器人處于發(fā)展初期， 價格昂貴，適用性不強，所以發(fā)展緩慢。此后，由于美國機器人協(xié)會、制造工工程師協(xié)會積極主動的進行機器人技術(shù)推廣工作，且美國為了高效生產(chǎn)，適應(yīng)市場多變的需求，以機器人為核心的柔性自動化生產(chǎn)線恰好有這些優(yōu)點，所以機器人技術(shù)得以迅猛發(fā)展。日本機器人的發(fā)展經(jīng)過了20世紀(jì)60年代的搖籃期，70年代的實用化時期，以及80年代的普及、提高期3個基本階段。在1967年，日本東京機械貿(mào)易公司首次從美國引進機器人。1968年，日本川崎重工業(yè)公司與美國Unimation公司締結(jié)國際技術(shù)合作協(xié)議，引進機器人。1970年，日本機器人實現(xiàn)國產(chǎn)化。從此，日本進入了開發(fā)和應(yīng)用機器人時期。幾年后，美國反而要向日本進口機器人。1983年，美國從日本進口機器人占進口機器人總數(shù)的78%。日本政府和企業(yè)一直充分信任機器人，大膽使用機器人。在解決勞動力不足、提高生產(chǎn)率、改進產(chǎn)品質(zhì)量、降低產(chǎn)品成本方面，機器人發(fā)揮著越來越顯著的作用，成為日本保持經(jīng)濟增長速度和產(chǎn)品競爭能力的不可缺少的隊伍。日本在汽車、電子行業(yè)大量使用機器人生產(chǎn)，是日本汽車及電子產(chǎn)品生產(chǎn)量猛增，質(zhì)量日益提高，而制造成本則大幅降低，從而使日本汽車能夠以廉價的絕對優(yōu)勢進軍號稱“汽車王國”的美國市場。據(jù)統(tǒng)計，2007年日本機器人的銷售額為5850億日元，其中出口額達到3730億日元。日本推動機器人發(fā)展的主要原因是向海外發(fā)展的日本企業(yè)數(shù)量逐漸增加，同時海外的汽車制造商也開始積極地引進日本機器人?，F(xiàn)在，日本機器人主要用于汽車制造業(yè)和電子機械產(chǎn)業(yè)，而電子機械產(chǎn)品中的電子零件封裝、半導(dǎo)體封裝、無塵室、組裝等領(lǐng)域占了日本機器人銷售額的一半?，F(xiàn)在日本擁有機器人的總量為美國的7倍。 我國工業(yè)機器人起步于上世紀(jì)1970年初期，經(jīng)過20多年的發(fā)展，大致經(jīng)歷了3個階段：70年代的萌芽期，80年代的開發(fā)期和90年代的適用化期。1970年我國也發(fā)射了人造衛(wèi)星。世界上工業(yè)機器人應(yīng)用掀起一個高潮，尤其在日本發(fā)展更為迅猛，它補充了日益短缺的勞動力。在這種背景下，我國于1972年開始研制自己的工業(yè)機器人。進入80年代后，在高技術(shù)浪潮的沖擊下，隨著改革開放的不斷深入，我國機器人技術(shù)的開發(fā)與研究得到了政府的重視與支持?！捌呶濉逼陂g，國家投入資金，對工業(yè)機器人及其零部件進行攻關(guān)，完成了示教再現(xiàn)式工業(yè)機器人成套技術(shù)的開發(fā)，研制出了噴涂、點焊、弧焊和搬運機器人。1986年國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）開始實施，智能機器人主題跟蹤世界機器人技術(shù)的前沿，經(jīng)過幾年的研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特種機器人。從90年代初期起，我國的國民經(jīng)濟進入實現(xiàn)兩個根本轉(zhuǎn)變時期，掀起了新一輪的經(jīng)濟體制改革和技術(shù)進步熱潮，我國的工業(yè)機器人又在實踐中邁進一大步，先后研制出了點焊、弧焊、裝配、噴漆、切割、搬運、包裝碼垛等各種用途的工業(yè)機器人，并實施了一批機器人應(yīng)用工程，形成了一批機器人產(chǎn)業(yè)化基地，為我國機器人產(chǎn)業(yè)的騰飛奠定了基礎(chǔ)。雖然中國的工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)在不斷的進步中，但和國際同行相比，差距依舊明顯。從市場占有率來說，更無法相提并論。工業(yè)機器人很多核心技術(shù)，當(dāng)前我們尚未掌握，這是影響我國機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個重要瓶頸。 研究內(nèi)容： 本課題將設(shè)計一臺四自由度的工業(yè)機器人，將會被用作自動送料裝置。主要工作部件及設(shè)計重點就是機械手。第一，本人將設(shè)計該機器人的底座、大臂、小臂以及執(zhí)行機構(gòu)機械手爪的結(jié)構(gòu)和模型；第二，再設(shè)計出適合于該機器人的驅(qū)動、傳動方式，以期構(gòu)成其的結(jié)構(gòu)平臺。最后，在此基礎(chǔ)上再將其控制系統(tǒng)設(shè)計出來，由下面幾個步驟組成：數(shù)據(jù)采集卡和伺服放大器的選擇、反饋方式和反饋元件的選擇、端子板電路的設(shè)計以及控制軟件的設(shè)計。其中重點要加強控制軟件的可靠性和機器人運行過程的安全性，最終要實現(xiàn)的目標(biāo)包括：關(guān)節(jié)的伺服控制和制動問題、實時監(jiān)測機器人的各個關(guān)節(jié)的運動情況、機器人的示教編程和在線修改程序、設(shè)置參考點和回參考點。 研究方法、手段及步驟： 1、 研究機械手的機械結(jié)構(gòu)，并繪制機械零件圖和裝配圖 2、 機械手驅(qū)動、傳動方式的選擇 3、 控制系統(tǒng)模式的選擇 4、 研究所選控制系統(tǒng)的構(gòu)成及搭建 5、 控制系統(tǒng)軟件的選擇及操作 6、 誤差與性能提升分析 參考文獻： 1、 工業(yè)機器人技術(shù) 西安電子科技大學(xué)出版社 2、機電傳動控制 華中科技大學(xué)出版社 3、工業(yè)機器人圖冊 機械工業(yè)出版社 4、機電一體化實用手冊 科學(xué)出版社 5、控制電氣及應(yīng)用 清華大學(xué)出版社 6、C語言程序設(shè)計教程 華南理工大學(xué)出版社 7、機械制造裝備設(shè)計 機械工業(yè)出版社 8、電工與電子技術(shù) 高等教育出版社 9、機電一體化技術(shù) 西安電子科技大學(xué)出版社 10、機械技術(shù)基礎(chǔ) 機械工業(yè)出版社 11、大學(xué)C++程序設(shè)計教程 高等教育出版社 12、大學(xué)Visual C++程序設(shè)計案例教程 高等教育出版社 13、Industrial robot technology Oxford Press 14、Craig, John J. Introduction to robotics 15、Basilio Bona and Aldo Curatella. Identification of Industrial Robot Parameters for Advanced Model-Based Controllers Design Proceedings of the 2005 IEEE International Conference on Robotics and Automation. Barcelona, Spain, April 2005 16、Introduction to Robotics Mechanics and Control - Third Edition - John J. Craig