研究生开题报告王文卓.docx

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研究生开题报告王文卓

中国农业大学

硕士研究生论文开题报告

所在院系工学院

专业车辆工程

学生姓名

入学时间2012年9

课题名称袋装农资搬运机械

柔性抓取装置的结构设计

中国农业大学研究生院制

填表时间2013年4月25日

一、

立论依据（以下各项均可加页）

（包括课题的研究意义，国内外研究现状分析，附主要的参考文献）

1、课题研究意义

水泥、化肥、粮食、面粉、饲料、农副产品和矿产品等粉粒状物料大都采用袋包装运输，并且这些物料产量巨大，如2007年全国水泥产量达13．54亿吨，其中袋装水泥供应量7．89亿吨；2007年全国化肥产量达5304．8万吨；2007年全国的粮食年产量约为5．015亿吨；2008年全国水泥产量达13．9亿吨；2008年全国化肥产量达5867．55万吨；2008年全国的粮食年产量约为5．12亿吨。

目前我国袋装物料的仓库搬运和装卸运输方式主要是靠肩扛和小车拉，不仅装卸工人的劳动强度大、工作效率低，而且是在粉尘的环境下工作，危害装卸工人的身心健康。

采用机器人装卸袋装物料具有抓取可靠、移动灵活和摆放整齐等特点，可以减小袋装物料的放置空间，便于仓储管理，并且减轻了装卸工人的劳动强度，提高装卸效率，减少环境污染。

袋装物料搬运机器人既可以用在生产线上的物料搬运堆垛，也可用于汽车等运输工具的装卸堆垛，因此由机器人代替人工搬运袋装物料就成为一种合理的选择，对袋装物料搬运机器人的研究也成为本世纪国内建材行业研究的热点之一。

在我国拥有大量的袋装物料需要进行运输，如果应用搬运机器人进行作业，那么其应用前景是极其广阔的，它提高了袋装物料搬运的自动化水平，提高了我国物流的技术、生产和管理素质，实现了提高装卸效率的目的。

本课题主要针对的火车车皮运输过程中的装卸搬运为研究对象，所以在车皮内这样狭小的空间里，人工的搬运变得更加困难，而且由于火车的运输量极大，对搬运人员的体力是一大考验，另外由于袋装物资堆垛极为紧密，所以增加了搬运的难度，同时也就降低了搬运的效率，这对物流运输来说是增加成本的大问题。

因此具有柔性抓取性能的机械手的研发对大量的袋装物资的装卸搬运有重大的意义。

2、国外研究现状分析

90年代，机器人的发展已经不再局限于机器人本身，而成为新一代自动化机器的发展方向。

目前绝大多数工业机器人都是可编程控制的机器人，其主要特点在于它的通用性和灵活性。

一些工厂已经初步实现了包括应用机器人、实现自动规划、自动设计、自动制造和自动管理等综合生产过程的机器人化。

目前世界上有95％的机器人都是工业机器人。

工业机器人目前被广泛应用在传统的机械制造业等领域中。

其中汽车工业占第一位（28．9％），电器制造业第二位（16．4％），化工第三位（11．7％）。

在西方发达国家，汽车工业中机器人应用密度非常高，其中焊接机器人应用量为最大。

在其他行业，比如工程机械、电机、电器、化工等领域，也都装配了大量工业机器人，主要的工业机器人有点焊、弧焊、喷涂、搬运、装配、包装、码垛等机器人。

美国是世界机器人的发源地，其机器人发展技术一直引领着世界机器人技术的发展方向。

日本虽然起步很晚，但是已经成为世界机器人发展史上的典范。

日本于1968年才拥有了第一台机器人，之后不断改进机器人的性能，再加上日本产业界和政府的高度重视，使得日本逐渐取代美国成为“机器人王国”，目前它拥有全世界60％左右的机器人。

日本在汽车制造和电器制造等工业领域大规模应用工业机器人，扩大了其经济在世界经济发展中的竞争地位。

此外，俄罗斯、德国、法国、意大利等国家的机器人技术也处于很高的水平。

发达国家的工业机器人已广泛应用于机械加工生产线上，而我国仍属于一个新兴的行业。

尤其在机械行业，工业机器人的研究与应用工作才刚刚起步，目前只有弧焊、搬运等工序应用于汽车制造、工程机械等少数场合。

我国的工业机器人从二十世纪80年代“七五”科技攻关开始发展。

在国家政策的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人。

但总的来看．我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外相比还有一定的距离，主要表现在：

可靠性较低；机器人应用工程起步较晚，应用领域较窄：

生产线系统技术差距较大。

目前，我国应用的工业机器人3／4以上为国外进口。

但与前些年相比，我国机器人水平和工程应用已经得到了相当的发展，而且对工业机器人的应用需求有逐年提高的趋势。

一方面。

国内越来越多的制造企业开始把应用机器人作为提高其竞争力的主要途径；另一方面，我国的科技界在将机器人技术成果转化到应用领域的过程中做出了一定贡献。

在国家“863”计划中专门成立了机器人技术主题专家组，为企业的机器人应用提供了良好的技术支持。

目前在我国的机器人产业化基地有：

中科院沈阳自动化所、哈工大机器人所、上海大学机电一体化中心、北京自动化所等。

搬运机器人作为主要从事搬运等动作为主的工业机器人，搬运机器人已被广泛应用于机械制造、食品加工等生产制造过程中。

它的发展主要经历了三个发展历程：

第一代搬运机器入主要特征是示教再现型，具备各种遥控操作器。

第二代搬运机器人的主要特征是带有传感系统，可以离线编程。

这种传感系统使得机器人具有视觉、触觉等功能，可以完成精密元件的检测、装配、物料装卸等。

第三代搬运机器入的主要特征是具备自治能力。

它不仅具备感觉功能，而且根据这些感觉，它还有一定的决策及规划能力；能根据人的命令，按所处环境自行决策，能够自动进行轨迹规划，目前该类搬运机器人尚处于不断研发过程之中。

采用机器人搬运物料具有抓取可靠、移动灵活和摆放整齐等特点，可以规范物料的放置空间，便于仓储管理，并且减轻了装卸工人的劳动强度，提高装卸效率，减少环境污染。

现在工业机器人已获得日益广泛的应用，随着成组装运的发展，向货板上装货作业呈现出自动化的发展趋势，出现了搬运机器人，完成硬纸箱、塑料箱、袋状物、油桶、罐头盒等物品堆放与自动搬运等操作；特别是自动仓库的出现，更加速了这种堆列搬运机器人的广泛应用。

在国外搬运机器人的发展较快，在机械行业生产中的使用非常广泛。

日本、德国等国家在大批量生产如家电、食品、水泥、化肥等行业广泛使用了搬运机器人。

日本安川公司的六轴SKl6机器入不仅可以满足焊接和切削需求，而且还可以为机床或压力机上物料，其有效负荷为16kg，最大工作半径为1555mm，重复定位精度为±O．1mm。

美国松下自动化公司推出的VR一系列材料搬运机器人，可以分别为8kg、16kg、32kg和120kg的重物，且该机器人可以进行原料搬运、机器装卸和去除毛刺的操作；日本研制出的机器人自动装卸机，由机器人和传送带装置结合，能在13秒种内装卸一件重量在30公斤左右的货物；意大利博高马（Procomac）公司开发出名为法努克的卸垛机械人，能一起搬运起托架及其上面的塑料瓶。

我国“七五”、“八五”期间也有一些单位研制搬运机器人，例如哈尔滨工业大学与海尔机器人公司联合开发了注塑机取放料搬运机器人。

但在整体开发与应用水平上，较国外仍有较大的差距。

在袋装物料的搬运方面，搬运机器人主要应用在生产线上。

在日本的码垛搬运机器人已经在工厂大量应用。

例如FUJIACE公司生产的码垛搬运机器人，可将生产线上生产的袋装物料快速抓取，并码垛在托盘上。

我国的哈尔滨工业大学机器人研究所开发了由自动称重、自动包装和物料袋自动码垛等系统组成的气动搬运机器人自动生产线，完成袋装颗粒乙烯的自动搬运、排码成垛。

北京科技大学许纪倩等发表了米袋搬运机器人工作站的文章，介绍了自动化机器人工作站对5公斤和10公斤的米袋进行定点搬运、码垛作业。

在我国，水泥、化肥、粮食、面粉、饲料、农副产品和矿产品等粉粒状物料大多采用袋包装进行运输，且此类物料产量极其巨大。

以水泥为例：

2004年我国的水泥总产量为9．7亿吨，其中袋装水泥产量为6．5亿吨，2005年水泥产量达到10．64亿吨（中国水泥网报道）；据最新统计2006年我国水泥总产量达到12．2亿吨。

目前我国袋装物料的仓库搬运和装卸运输主要靠肩扛和小车拉的落后方式。

采用搬运机器人进行搬运不仅能够减轻工人的劳动强度，提高工作效率，还能够使工人从粉尘污染的环境中解放出来，保证工人的身心健康。

目前使用搬运机器人的领域还比较少，如何对袋装物料搬运机器人进行研制，并推广到生产应用领域将会成为非常迫切的需要。

目前，国际上已产品化的搬运码垛机器人其型式主要分为三种，一种是直角坐标型，二是空间多关节型，三是平面关节型。

直角坐标型机器人又分为桥架式与悬臂式两种。

桥架式直角坐标型机器人的特点是结构强度及刚度好、效率高、制造加工工艺简单、安装调试及维护方便、便于产品化，但占用空间较大。

悬臂式直角坐标型机器人可与水平平面关节型机器人归并为一类。

空间多关节型机器人的结构紧凑、机动性好、效率高，但结构强度及刚度较差，目前还缺乏有效的结构动态设计方法，而且制造加工工艺复杂，不便于产品化。

平面关节型机器人分为垂直平面关节型和水平平面关节型两种。

垂直平面关节型的特点与空间多关节型基本相同。

水平平面关节型机器人是移动式与关节式结构的组合，受力条件差、效率低、制造加工工艺复杂、性能价格比低，但结构紧凑、占用空间最小。

关于机器人的结构形式，首先，从自由度数目来讲。

对于一个空间的刚体要确定它的位姿，一方面需要在该刚体上选择一个点并指定该点的位置，因此需要三个自由度来确定点的位置。

另一方面，为了完全定位该刚体，除了确定物体上所选点的位置外，还需确定该物体的姿态，这仍需要三个自由度来表示。

这就意味着需要六个自由度才能完全确定刚体的位置和姿态。

同理，需要有六个自由度才能将某物体放置到空间的期望位姿上。

显然机器人的自由度越多，其动作越灵活，通用性也越好。

但自由度多，机器人结构会变得复杂，成本也相应增加，使用和维护也相对困难。

因此，设计机器人必须对工作场合进行合理分析，以规划机器人的自由度，既保证该机器人能够灵活作业提高工作效率，又能够具有相对简单的结构、较低的成本。

目前随着应用领域的不断扩展，对机器人的要求也越来越高，多自由度机器人也越来越多。

例如八脚机器人、蛇形机器人、机器人鱼等，这些机器人的运动更加灵活，能够适应在恶劣的条件下作业。

关于末端夹持器，由于是机器人进行作业的重要部件。

作为机器入的一部分，通常连接在最后一个关节上，与其他机构连接并执行夹持、搬运等多种作业任务。

末端夹持器往往不具备通用性，因而大多数情况下需要根据某种用途进行专门设计的，如焊接、涂胶以及零件装卸等。

有普通的夹紧方式的，吸着方式的，其他还有采用承托、多关节手抓等方式设计的末端夹持器。

现在国外大量袋装物资的堆垛方式普遍为真空吸吊式机械设备，具体的优点在于操作方便，操作空间小，省时省力，机动性强，能够承受的最大重量远大于袋装物资的常规重量，抓取可靠性高，另外真空吸吊机的驱动采用电机驱动，不产生污染。

这种形式的堆垛方式因为设备成本比较高在国内还未被广泛采用。

末端夹持器的设计过程往往需要考虑其对被夹持物的适应性（轮廓、尺寸、形状）、抓取的准确性、抓取方式等问题。

另外，夹持力的好坏也是评价夹持器的重要标准，它主要由3个因素决定：

手部极限能力的约束，物体几何形状材料性质的约束以及任务要求的限制。

关于机器人的动力学分析，国内外也已经有了深入的研究。

机器人的运动学分析主要有两个目的，一是根据机器人的各旋转关节的转角推算出机器人末端执行器的位姿；二是根据机器人末端位姿计算出各个旋转关节的转角。

从运动学的角度讲，前者是运动学正问题，后者是运动学逆问题。

正解问题比较简单，现在大多数有关机器人正解问题的研究都采用D．H方法。

Danevit和Hartenberg提出的一种通用的方法，用齐次变换来描述各个连杆相对于固定参考系的空间坐标关系，比如牛元会等详细介绍了D．H坐标系下机械手正向运动学分析，以自行研制的熔片机中夹持机械手为分析对象，建立机械手的运动学数学模型，进行了典型的正向运动学分析，这种方法简化了解析计算，加快了迭代速度，同时求得的解具有使用性和代表性，对机械手的精密设计和计算具有普遍的适用意义。

而求解逆解问题是机器人机构运动学问题的难点之一，且在实际应用中具有重要意义。

例如，如何用最小的机构尺寸获得必要的工作空间，如何避开机构运动的奇异位置，以及分析机构末端输出误差及实际运动轨迹等问题都需要机构位置逆解。

求解位置逆解的核心是求解一组非线性约束方程，目前求解位置逆解方法主要有几何法和数值法。

几何法主要通过分析杆件在平面上的几何关系，确定出极限位置，从而计算出位置可能的解，其特点是求解简单，避免一些复杂的矩阵计算，求解速度快。

但几何法有其局限性，只是应用于特定的自由度比较少的机器人，无普遍性。

数值法的优点是建立数学模型简单，没有繁琐的数学推导，可求解任何并联机构，缺点是计算速度较慢，当机构接近奇异位形时不易收敛，很难求得全部位置解，结果与初值选取有直接关系。

另外还有一个重要的方面就是关于机械手抓取力的控制方法的研究，现在已经有很成熟的方法可以对抓取力进行准确的控制。

灰色预测增量式PI力控制算法：

只需要少数几个数据就可以建立一个灰色模型，力控制器可以利用过去、当前和未来的果蔬抓持力信息来计算合适的控制校正量对抓持力偏差进行预补偿，控制器可以获得超调量小和响应快速的特点。

基于积分I+模糊PD的并行抓取控制算法：

使力控制器借助人类抓取果蔬的经验和知识确定合适的控制量对抓持力偏差进行在线补偿，使控制器获得响应快速、超调量小和调节时间短的控制性能，减小果蔬抓取损伤，是适合番茄等软果蔬高速抓取的一种控制方法。

采用气动肌肉驱动器进行控制：

机器手可实现对物体安全、柔顺的抓取操作。

单神经元自适应PID控制方法：

比简单的PID控制方法在响应速度和定位精度（柔顺关节位置的精度）上都有了较大的提高，从而可实现机器人操作手在腕部俯仰方向快速、准确的定位。

3小结

综上所述，我国在车皮内的袋装农资装卸搬运的机械化程度不高，人力搬运仍是比较普遍采用的方式。

目前在国外大量袋装物资的堆垛方式普遍为真空吸吊式机械设备，已经基本告别了人力搬运的时代，工业机器人的使用已相当成熟和普遍。

就我国而言，由于我国劳动力资源丰富，人力的成本低，相反工业机器人的成本要高很多，所以工业机器人发展缓慢，导致我国物流装卸搬运的机械化仍处于起步的阶段，同时这其中也有关键的技术问题尚缺乏系统和深入的研究有关。

因此，研究具有柔性抓取袋装农资物料的机械装置对我国物料的装卸搬运的机械化发展有很大的促进推动作用，具有重大的意义。

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二、研究方案（以下各项均可加页）

（包括研究目标、研究内容、拟采取的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析和预期的研究进展）

1、研究目标

项目总体研究目标是以袋装农资搬运的无损准确抓取为主要的研究方向，需完成以下4方面内容：

1、研究抓取装置的抓取施力与包装材料及力学变形特性的关系，设计出夹持可靠的传感器。

2、针对农资包装搬运过程中易变形、易破损的特点，研究设计具有柔性夹持性能的机械手。

3、针对火车车皮空间狭小的特点，研究设计出具有灵活运动性能的机械臂。

4、进行实际抓取袋装物资的实验，实现抓取装置的柔性无损抓取功能。

2、研究内容

根据研究目标，制定以下3个方面的研究内容：

（1）查阅国内外文献、专利和标准，根据抓取装置的抓取施力与包装材料及力学变形特性的关系，确定抓取装置所需的传感器类型，并进行设计，使之达到夹持可靠的运用要求。

（2）根据农资袋的易破损和易滑脱的特点，研究适合抓取袋装物资的机械手和适合于该工作场合的机械臂方案，建立相应的三维模型，分析抓取装置的受力性能，进行装置的动力学分析。

（3）完成袋装物资搬运机械柔性装置的设计，进行实地抓取实验，针对抓取过程中出现的问题，进行修正改进，实现稳定的柔性抓取性能。

3、拟采取的研究方法

本课题拟采用的研究方法有：

文献研究法，调查法，探索研究法，实验法

先采取文献研究法，从中外文献中去了解柔性抓取装置的研究进展，发现现有研究的不足之处，并针对不足之处进行改进和创新。

同时采用调查法，实地考察研究项目的工作环境，对研究的各项要求有良好的把握。

通过探索性的研究方法，找出较为适合的总体方案，同时采用模型法使用三维软件Pro/E建立三维模型，完成建模之后，使用ANSYS对模