精品附件B六自由度机械臂开题报告.docx
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精品附件B六自由度机械臂开题报告
附件B：
毕业设计（论文）开题报告
1课题的目的及意义（含国内外的研究现状分析或设计方案比较、选型分析等）
1.1研究背景及课题意义
机械人是二十世纪人类最伟大的发明之一，人类对于机械人的研究由来已久。
上世纪70年代以后，运算机技术、控制技术、传感技术和人工智能技术迅速进展，机械人技术也随之进入高速进展阶段，成为综合了运算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多门学科而形成的高新技术。
其本质是感知、决策、行动和交互四大技术的综合，是今世研究十分活跃，应用日趋普遍的领域。
机械人应用水平是一个国家工业自动化水平的重要标志[1][2]。
机械人技术的研究在经历了第一代示教再现型机械人和第二代感知型机械人两个阶段以后进入第三代智能机械人的进展阶段。
机械手是在自动化生产进程中利用的一种具有抓取和移动工件功能的自动扮装置，它是在机械化、自动化生产进程中进展起来的一种新型装置。
最近几年来，随着电子技术专门是电子运算机的普遍应用，机械人的研制和生产已成为高技术领域内迅速进展起来的一门新兴技术，它加倍增进了机械手的进展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化有机结合。
机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产率。
机械手愈来愈普遍地取得了应用，在机械行业中它可用于零部件组装，加工工件的搬运、装卸，专门是在自动化数控机床、组合机床上利用更普遍。
目前，机械手已进展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中一个重要组成部份。
把机床设备和机械手一路组成一个柔性加工系统或柔性制造单元，它适应于中、小批量生产，能够节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。
当工件变更时，柔性生产系统很容易改变，有利于企业不断更新适销对路的品种，提高产品质量，更好地适应市场竞争的需要。
另外，医疗机械人是目前国外机械人研究领域中最活跃、投资最多的方向之一,其进展前景超级看好。
最近几年来,医疗机械人技术引发美、法、德、意、日等国家学术界的极大关注,研究工作蓬勃兴起。
二十世纪九十年代起，国际先进机械人计划已召开过的多届医疗外科机械人研讨会己经立项,开展基于遥控操作的外科研究,用于战伤模拟手术、手术培训、解剖教学。
欧盟、法国国家科学研究中心也将机械人辅助外科手术及虚拟外科手术仿真系统作为重点研究进展的项目之一在发达国家已经出现医疗，外科手术机械人市场化产品，并在临床上开展了大量病例研究。
而目前我国的机械人技术及其工程应用的水平和国外比还有必然的距离，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自动化生产及医疗水平的提高，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是超级成心义的。
1.2国内外研究状况
1.2.1国外研究状况
机械人主要分为两类：
工业机械人和其他特种机械人，自1962年美国推避世界上第一台Unimate型和Versatra型工业机械人以来，机械人在工业发达国家取得了迅速进展。
按照国际工业机械人联合会（IFR）前几年的统计[3]：
2000年全世界工业机械人的总数达到82万台，比1996年增加24％。
其中日本拥有42万台，占全世界机械人总数的50％左右，继续维持“机械人王国”的地位。
除日本外，世界上还有许多工业发达国家，如美国、前苏联和西欧一些国家的机械人产业也进展得专门快。
例如，在美国，1970—1980年间的机械人台数增加20倍以上。
虽然美国所拥有的机械人在台数上不如日本．但其技术水平较高．占有必然的优势。
在亚洲，韩国的机械人产业进展也很迅速，现排名世界前列．而日本、韩国和新加坡的机械人密度（即制造业中每万名雇员占有的工业机械人数量）居世界第1-3位，包揽了前三名。
西欧的意大利、法国、英国和东欧的匈牙利、波兰等，机械人制造业及应用机械人的情形都有专门大进展。
图1图2
其他特种机械人是国外最近几年来才迅速进展起来的，是机械人技术的一个重要进展方向，主要研究方向有：
空间机械人，医用机械人，水下机械人，建筑机械人和军用排爆机械人等等[4]。
此刻国外的机械人方方面面的技术进展现状为[5]：
1机械结构
以关节型为主流，80年代发明的适用于装配作业的平面关节型机械人约占总量的1／3。
90年代初开发的适应于窄小空间、快节拍、全工作空间范围的垂直关节型机械人大量用于焊接和上、下料。
应3K和汽车、建筑、桥梁等行业的需求，超大型机械人应运而生。
2控制技术
大多采用32位CPU，控制轴数多达27轴，NC技术、离线编程技术大量采用。
协调控制技术日趋成熟，实现了多手与变位机、多机械人的协调控制。
采用基于PC的开放结构的控制系统已成为一股潮流。
3驱动技术
80年代进展起来的AC伺服驱动已成为主流驱动技术应用于工业机械人中。
新一代的伺服电机与基于微处置器的智能伺服控制器相结合已开发并用于工业机械人中：
在远程控制中已采用了散布式智能驱动新技术。
4应用智能化的传感器
装有视觉传感器的机械人数量呈上升趋势，很多机械人装有两种以上传感器，有些机械人留了多种机械人接口。
5网络通信方式
大部份机械人采用了Ether网络通信方式，占总量的41．3％，其他采用RS一232，RS一485等通信接口。
6高速、高精度、多功能化
目前，最快的装配机械人最大合成速度为16．5m／s，有一种大直角坐标搬运机械人，其最大合成速度竟达80m／s：
而另一种并联结构的NC机械人，其位置重复精度达1um。
90年代末的机械人一般都具有两、三种功能，向多功能化方向进展。
7集成化与系统化
现今机械人技术的另一特点是机械人的应用从单机、单元向系统进展。
百台以上的机械人群与微机及周边设备和操作人员形成一个大群体。
跨国大集团的垄断和全世界化的生产将世界众多厂家的产品联接在一路，实现了标准化、开放化、网络化的“虚拟制造”，为工业机械人系统化的进展推波助澜。
1.2.2国内研究状况
我国有组织有计划地进展机械人事业．应该说是从“七五”期间的科技攻关及实施“863计划”开始的。
通过十几年来的研制、生产、和应用，有了长足的进步。
目前在一些方面[6]，如喷涂机械人、弧焊机械人、点焊机械人、搬运机械
人、装配机械人、特种机械人（水下、爬壁、管道、遥控等机械人），已掌握了机器人的设计制造技术，解决了控制、驱动系统的设计和配置、软件的设计和编制等关键技术；还掌握了自动化喷漆线、弧焊自动线（工作站）及其周边配套设备的全线自动通信、协调控制技术。
此刻，我国从事机械人研发的单位有200多家[7]，专业从事机械人产业开发的企业有50家以上。
“九五”期间，国家“863”高技术计划己将沈阳新松机械人自动化股分有限公司、啥尔滨博实自动化设备有限责任公司、一汽集团涂装技术开发中心、北京机械工业自动化所、上海机电一体工程有限公司、四川绵阳四维焊接自动化设备有限公司等确立为智能机械人主题产业化基地。
大连组台机床所、上海富安工厂自动化公司、东风汽车公司、昆明船舶公司、哈尔滨焊接研究所、安川北科公司等单位，也都凭借自己开发生产的特色机械人或应用工程项目活跃在现今国内工业机械人市场上。
另外，一些科研院所和大学也均在进行机械人技术及应用项日方面的研发工作。
近几年，我国工业机械人及含工业机械人的自动化生产线相关产品的年产销额已冲破十亿元。
我国机械人技术主题进展的战略目标是[8]：
按照2l世纪初我国国民经济对先进制造及自动化技术的需求，对准国际前沿高技术进展方向创新性地研究和开发工业机械人技术领域的基础技术、产品技术和系统技术。
未来工业机械人技术进展的重点有：
第一，危险、恶劣环境作业机械人：
主要有防暴、高压带电打扫、星球检测、油汽管道等机械人：
第二，医用机械人：
主要有脑外科手术辅助机械人，遥控操作辅助正骨等；第三，仿生机械人：
主要有移动机械人，网络遥控操作机械人等。
其进展趋势是智能化、低本钱、离靠得住性和易于集成。
我国的机械人研究开发与应用已经取得了必然的成绩，可是总的来看，我国的机械人技术及其工程应用的水平和国外的相较还有必然的距离，无论从机械人的数量上仍是技术上，咱们都有必然的差距。
进入新世纪以后，国际竞争日趋激烈，对机械人的需求愈来愈大，我国的机械人产业将面临新的进展机缘和来自国外的挑战，因此咱们需要自主进展机械人高技术，解决产业化前期的关键技术。
踊跃推动我国的机械人产业化的进程。
机械臂的要求
1承载能力足:
手臂是支承手腕的部件，设计时不仅要考虑抓取物体的重量或携带工具的重量，还要考虑运动时的动载荷及转动惯性。
2刚度高：
为了避免臂部在运动进程中产生过大的变形，手臂的截面形状要合理选择。
工字型截面的弯曲刚度一般比圆截面大，空心管的弯曲刚度和扭转刚度都比实心轴大得多。
3导向性能好，定位精度高：
为避免手臂在直线运动中，沿运动轴线发生相对转动，应设置导向装置。
同时要采用必然形式的缓冲办法。
4重量轻、转动惯量小：
为提高机械人的运动速度，要尽可能减少臂部运动部份的重量，以减少整个手臂对回转轴的转动惯量[9]。
5合理设计与腕部和机身的连接部位：
臂部的安装形式和位置不仅关系到机械人的强度、刚度和承载能力，而且还直接影响到机械人的外观。
机械臂的选型分析
方案一：
图3
分析：
上图为常见的六轴关节机械人的机械结构,六个伺服电机直接通过谐波减速器、同步带轮等驱动六个关节轴的旋转,注意观察一、二、三、四轴的结构，关节一相当节四的驱动电机为空心结构，关节机械人的驱动电机采用空心轴结构应该不常见，空心轴结构的电机一般较大。
采用空心轴电机的长处是：
机械人各类控制管线能够从电机中心直接穿过，无论关节轴怎么旋转，管线不会随着旋转，即便旋转，管线由于布置在旋转轴线上，所以具有最小的旋转半径。
此种结构较好的解决了工业机械人的管线布局问题。
对于工业机械人的机械结构设计来讲，管线布局是难点之一，如何合理的在狭小的机械臂空间中布置各类管线（六个电机的驱动线、编码器线、刹车线、气管、电磁阀控制线、传感器线等），使其不受关节轴旋转的影响，是一个值得深切考虑的问题。
方案二：
图4
l-基座：
2-肩关节；3-支撑架；4-大臂；5-肘关节
6-小臂；7-腕关节：
8-手腕：
9-手爪
机械臂机构示用意
分析：
因为设计必需知足机构的运动要求，重量轻、刚性好、易制造；优选一些简单、合理、紧凑、实用的结构型式；工艺性要好，本钱要低，安全靠得住性好，外观造型要美观大方；尽可能采用标准件，以提高互换性，降低本钱；尽可能采用模块式结构，以提高通用性；还要便于装配调整和维修。
如图，整个结构为空间关节型的，具有五个自由度，均为转动关节，其中基座转动关节实现机械人本体除基座之外的机构的转动；肩关节带动大臂、小臂、手腕、手爪进行俯仰转动，以知足机械人工作空间上高度的要求；大臂、小臂和手腕都可在允许的范围内运动；腕关节能够实现俯仰和摆动，能够方便的改变手爪的位姿。
机械人大臂和小臂的结构一致，都要按照机械人的运动形式、抓取重量等各个因素来肯定，一般要求手臂的弯曲和扭转刚度要好，重量要轻。
咱们能够考虑采用硬铝合金的材料做成空心管。
如此即保证有较高的刚度，也使得手臂的重量很轻，减少电机的负载。
综合考虑，作为臂的部份，我选择方案二的臂结构，其结构简单，制造容易，便于装配和维修，尤其是在保证较高刚度的同时能保证其重量轻，减少电机负载且通过合理的设计应能达到所需要求。
二、课题任务、重点研究内容、实现途径
课题的任务
本课题就是设计出一个全自动的机械手中的“臂”：
要求机械手的结构灵活，定位精准，能够在工作空间里达到任意位置，操作方便，每一个关节易于控制。
考虑到咱们机械手的性能需求如下：
1启动，停止和反向转动，均能持续有效的进行，且具有良好的响应特性。
2正转和反转时的特性相同，且运行特性稳固。
3维修容易，而且不太需要保养。
4具有良好的抗环境干扰能力，对于输出来讲，体积小，重量轻。
5有良好的定位精度，重复定位精度，和平稳的运行轨迹。
抗振性好，操作方便。
课题的重点研究内容
本课题研究涉及机械原理、机械设计、机械人、齿轮传动、实体建模、有限元分析、运算机辅助设计等方面的相关内容。
主要研究内容:
机械臂的机械部份是整个机械人的执行机构，机构型式的好坏，将直接影响到整个系统。
所以，机构的设计超级重要。
咱们主要从以下几个方面对其进行研究：
1针对全自动机械手中“臂”机构进行调研，查阅国内外研究资料，资料搜集及整理；
2可达空间的范围。
按照设计要求和知足各类工作的需要，机械人前端应能抵达工作需要的范围内的各个位置，而且大体上没有死区。
3机构的设计。
具体的包括运动副型式的合理选择和配置。
传递运动的最佳线路，驱动的最佳速比等。
机构设计不合理，可能会出现臂杆的彼此干与或驱动装置无法运行，机构不能运动等问题。
4自由度的选取。
一般来讲，自由度越多，避障和奇异功能越强，可操作性越好，灵活性越好。
但随着自由度的增多将出现机械人机构的复杂化，刚度的减弱、控制起来超级困难等问题。
机械人按运动形式分为直角坐标型机械人、圆柱坐标型机械人、关节型机械人和极坐标型机械人。
直角坐标型圆柱坐标型关节型极坐标型
因此，在能知足必然的选型原则的前提下，采用冗余自由度尽可能少的、机构简单的形式。
综合国内外相关的设计情形，咱们考虑设计成关节型的机械人。
因为，关节型机械人模拟动物和人类肢体，乃至是整体而最具有仿生性，也就具有了优于其他类型机械人的动作能力。
而且，关节型机械人在相同条件下比非关节型机械人具有大得多的相对空间和绝对空间。
其中，开链连杆式机械人是此刻利用最多的一种，其主体结构的三个自由度腰关节、肩关节、肘关节全数采用转动关节，手腕上也采用转动关节来肯定结尾的姿态，具有长处如下：
1）．结构紧凑，工作范围大而安装占地小。
2）．具有很高的可达性。
能够使其手部进入像汽车车身如此一个封锁的空间内
进行作业，而直角坐标型的机械人就不行。
3）．因为没有移动关节，所以不需要导轨。
转动关节容易密封，由于轴承件是
大量生产的标准件，则摩擦小，惯量小，靠得住性好。
4）．所需关节驱动力矩小，能量消耗少。
5对“臂”机构传动设计及大体设计计算。
直流电机实际上是机械人平台的标准电机，有着极宽的功率调节范围、适用性好、具有很高的性价比、输出力矩较大、易于控制等等，是一种最为通用的电机。
咱们选择用直流电机作为驱动。
设计计算数值要按照具体负载，运动线路等因素进行具体计算。
6按照机构运动要求，完成全自动机械手中“臂”机构设计，包括结构图、装配图设计；机械臂的回转运动机构：
1）常见方式：
常见的有齿轮传动机构，链轮传动机构，活塞及连杆传动机构等。
2）曲柄滑块机构：
假设滑块是主动件，当滑块沿必然的导轨移动时，能够推动曲柄做摆动或圆周运动。
3）典型机构：
液压缸—连杆回转机构、齿轮驱动回转机构。
下面是几种参考结构：
图6图7图8
7用成立全自动机械手中“臂”机构三维模型，并进行运动仿真。
8按照仿真后的结果，进行具体实验，测试并校核真实情形下的强度和运动可否达到要求。
课题的实现途径
在深切分析和理解自己研究课题的任务和重点研究内容的基础上，主要从以下途径着手：
1通过参考大量的文献，掌握课题研究的背景，调研国内外有关课题研究方面的现状、进展和应用情形，发觉全自动机械手中“臂”机构设计中的问题，明确课题研究的目的、意义、任务及内容。
2通过到机械加工车间参观学习，观察全自动机械手的外形结构，了解全自动机械手的工作原理，并进行分析各运动之间的关系；了解全自动机械手的实际应用情形，以便绘制详细的机械臂的原理图和装配图。
3学习和掌握全自动机械手实现手术的相关方式和技术，并结合课题实际分析各类相关方式和技术的优缺点，以便肯定方案和设计内容。
4按照机械人的工作要求，肯定机械人的大体功能和方案。
如机械人的自由度、信息的存储量、运算机功能、动作精度的要求、所能抓取的重量、允许的运动范围、和对温度、震动等环境的适应性。
5通过到加工车间参观学习和查看资料，通过小组讨论沟通方式学习和掌握全自动机械手各部份运动与动力的传递，功能的实现，各部份的衔接和运动范围的控制以设计出整个机械臂的结构。
3.进度计划
进度安排
序号
设计（论文）工作内容
时间（起止周数）
1
调研，资料收集及整理；
4周至7周
2
分析全自动机械手中“臂”机构的基本原理，基本理论及方法；全自动机械手中“臂”机构的传动设计及基本设计计算；
7周至8周
3
全自动机械手中“臂”机构的设计、结构图、装配图设计；
8周至11周
4
全自动机械手中“臂”机构传动分析研究；
11周至12周
5
分析整理,拟写毕业设计论文；
12周至13周
6
修改毕业设计论文,准备答辩,答辩；
13周至15周
学生签名：
尹顺杰
2010年4月29日
4、指导教师意见
指导教师签名：
年月日
主要参考文献
[1]熊有伦．机械人技术基础[M]．武汉：
华中科技大学出版社，1996:
1.
[2]蔡自兴．机械人学[M]．北京：
清华大学出版社，2000：
1-3.
[3]蒋新松.未来机械人技术进展方向的探讨[J]．机械人,1996，18（5）:
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[4]莫海军，吴少炜．排爆机械人及相关技术[J]．机械人技术与应用，2005，4．维普资讯网.
[5]金茂箐，曲忠萍，张桂华．国外工业机械人进展态势分析[J]．机械人技术与应用,2001，02．
[6]赖维德．对我国工业机械人的一些观点[J]．中国机械工程，1998，9（6）．
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[8]张杨林．国内工业机械人市场及进展趋势[J]．公共科技，2006，6:
191-192.
[9]吴振彪.工业机械人[M].武汉：
华中科技大学出版社，:
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