開 題 報 告題 目 五自由度工業(yè)機械手結構設計 學生姓名 學號 所 在 院 (系 ) 專業(yè)班級 指導教師 年 月 日題 目 五自由度工業(yè)機械手結構設計一、選題的目的及研究意義通過五自由度工業(yè)機械手設計，可以為進一步研究工業(yè)機械手的工作原理和工作過程奠定一定的基礎。將其作為《機電一體化系統(tǒng)設計》課程及機械電子工程專業(yè)等機電結合的綜合教學實驗設備，不僅可以使學生在輕松愉快的氛圍中充分理解相關課程的專業(yè)知識，而且可以激發(fā)學生的專業(yè)學習興趣，樹立系統(tǒng)的工程概念，培養(yǎng)其獨立開展科學研究的能力。 現代科學技術的迅速發(fā)展，尤其是進入 20 世紀 80 年代以來，機械手技術的進步與其在各個領域的廣泛應用，引起了各國專家學者的普遍關注。許多發(fā)達國家均把機械手技術的開發(fā)、研究列入國家高新技術發(fā)展計劃。世界各國普遍在高等院校為大學本科生及研究生開設了介紹機械手技術的有關課程。為了培養(yǎng)機械手開發(fā)、設計、生產、維護方面的人才，我國很多高校也為本科生和研究生開設了機械手學課程。因此，本機械手的研制成功，對機電一體化專業(yè)教學及科研有著十分重要的意義。二、綜述與本課題相關領域的研究現狀、發(fā)展趨勢、研究方法及應用領域等1. 研究現狀：國外目前機械手研究的重點主要有以下幾個方面: (1) 機械手操作機，通過有限元分析、模態(tài)分析及仿真設計等現代設計方法的運用，機械手操作機己實現了優(yōu)化設計。以德國 KUKA 公司為代表的機械手公司，將機械手并聯平行四邊形結構改為開鏈結構，拓展了機械手的工作范圍，加之輕質鋁合金材料的應用大大提高了機械手的性能。 (2) 并聯機械手：采用并聯機構，利用機械手技術，實現高精度測量及加工，這是機械手技術向數控技術的拓展，為將來實現機械手和數控技術一體化奠定了基礎。意大利 COMAU 公司，日本 FANUC 等公司已開發(fā)出了此類產品。 (3) 控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)的性能進一步提高，已由過去控制標準的 6 軸機械手發(fā)展到現在能夠控制 21軸甚至 27 軸機械手，并且實現了軟件伺服和全數字控制。人機界面更加友好，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，但在某些領域的離線編程已實現實用化。 (4) 傳感系統(tǒng)：激光傳感器、視覺傳感器和力傳感器在機械手系統(tǒng)中已得到成功應用，并實現了焊縫自動跟蹤和自動化生產線上物體的自動定位以及精密裝配作業(yè)等，大大提高了機械手的作業(yè)性能和對環(huán)境的適應性。日本 KAWASAKI, YASKAWA, FANUC 和瑞典 ABB、德國 KUKA, REIS 等公司皆推出了此類產品。 (5) 網絡通信功能：日本 YASKAWA 和德國 KUKA 公司的最新機械手控制器已實現了與 Canbus、Profibus 總線及一些網絡的聯接，使機械手由過去的獨立應用向網絡 化應用邁進了一大步，也使機械手由過去的專用設備向標準化設備有了發(fā)展。 (6) 可靠性：由于微電子技術的快速發(fā)展和大規(guī)模集成電路的應用，使機械手系統(tǒng)的可靠性有了很大提高。過去機械手系統(tǒng)的可靠性一般為幾千小時，而現在已達到 5 萬小時，幾乎可以滿足任何場合的需求。 國內機械手研究現狀：隨著科學技術和世界各國機械手技術的發(fā)展，我國在機械手科學研究、技術開發(fā)和應用工程等方面取得了可喜的進步。從 20 世紀 80 年代末到 20 世紀 90 年代，國家 863 計劃把機械手列為自動化領域的重要研究課題，系統(tǒng)地開展了機械手基礎科學、關鍵技術與機械手元部件、先進機械手系統(tǒng)集成技術的研究及機械手在自動化工程上的應用。在工業(yè)機械手選型方面，確定以開發(fā)點焊、弧焊、噴漆、裝配、搬運等機械手為主。這是中國機械手事業(yè)從研制到應用邁出的重要一步。一批從事機械手研究、開發(fā)、應用的人才和隊伍在實踐中成長、壯大，一批以機械手為主業(yè)的產業(yè)化基地已經破土而出。 我國近幾年機械手自動化生產線已經不斷出現，并給用戶帶來顯著效益。隨著我國工業(yè)企業(yè)自動化水平的不斷提高，機械手自動化線的市場也會越來越大，并且逐漸成為自動化生產線的主要方式。我國機械手自動化生產線裝備的市場剛剛起步，而國內裝備制造業(yè)正處于由傳統(tǒng)裝備向先進制造裝備轉型的時期，這就給機械手自動化生產線研究開發(fā)者帶來巨大商機。但是，無論從工業(yè)機械手的數量上還是技術上，我們都是比較落后的。而我國作為一個工業(yè)大國，不能寄希望從其他國家得到真正的高技術，必須自主的發(fā)展我國的高技術，機械手作為高技術領域的一個重要分支，將成為 21 世紀各國爭奪的經濟技術制高點。如何在 21世紀加速我國機械手的發(fā)展，使我國早日進入機械手大國行列，已成為當務之急。由于目前我國機械手的基礎數量太低，以工業(yè)機械手為例，到了 2010 年我國機械手擁有量只能達到世界擁有量1.38%～2%，這與我國作為 21 世紀前半葉世界主要制造國的要求差距太大，如果這種差距只能以進口機械手來彌補，其巨大損失不是可以用貨幣損失來計算的?？梢姡瑹o論從資金方面考慮，還是從長遠利益考慮，我們有必要自主地對機械手進行研究和開發(fā)。 2. 發(fā)展趨勢：機械手涉及到機械、電子、控制、計算機、人工智能、傳感器、通訊與網絡等多個學科和領域，是多種高新技術發(fā)展成果的綜合集成。因此它的發(fā)展與上述學科發(fā)展密切相關。機械手在制造業(yè)的應用范圍越來越廣闊，其標準化、模塊化、網絡化和智能化的程度也越來越高，功能越來越強，并向著成套技術和裝備的方向發(fā)展。機械手應用從傳統(tǒng)制造業(yè)向非制造業(yè)轉變，向以人為中心的個人化和微小型方向發(fā)展，并將服務于人類活動的各個領域。總趨勢是從狹義的機械手概念向廣義的機械手技術(RT) 概念轉移；從工業(yè)機械手產業(yè)向解決工程應用方案業(yè)務的機械手技術產業(yè)發(fā)展。機械手技術（RT）的內涵已變?yōu)殪`活應用機械手技術的、具有實在動作功能的智能化系統(tǒng)。目前，工業(yè)機械手技術正在向智能機器和智能系統(tǒng)的方向發(fā)展，其發(fā)展趨勢主要為：結構的模塊化和可重構化；控制技術的開放化、PC 化和網絡化；伺服驅動技術的數字化和分散化；多傳感器融合技術的實用化；工作環(huán)境設計的優(yōu)化和作業(yè)的柔性化以及系統(tǒng)的網絡化和智能化等方面。3. 研究方法：運動學正問題的研究目前主要是利用齊次坐標變換矩陣方法將位置和姿態(tài)統(tǒng)一描述，該法思路清晰，但運算速度較慢，隨著機械手機構自由度的增加對運動學逆問題的討論帶來很多不便。運動學逆問題比正問題復雜的多，主要表現在逆解的存在性和唯一性，存在性決定機械手的操作空間，逆解一般來說非唯一。目前對具有特殊形狀的機械手機構如球形手腕機械手機構，其逆解是封閉的，但并不唯一。對一般的機械手機構逆解必須使用數值計算方法，因而數值解的計算速度和精度受到人們的關注，同時機械手機構中常見的奇異狀態(tài)(不可解狀態(tài))在數值解中如何避免也是討論三維問題之一。 工業(yè)機械手運動學方程的計算過程需要解多元非線性方程組，數學上尚無完備的方法求其解析解，機構學研究者采用數值分析的方法，取得了一系列進展。但是多數或者算法不穩(wěn)定，或者過分依賴初值，且計算量大，求解速度慢。工業(yè)機械手機構位置正解的神經網絡解法也開始進行探討。利用神經網絡對于非線性映射的強大的逼近能力，采用 BP 網絡，利用位置逆解結果作為訓練樣本，通過大量樣本的訓練學習，實現機械手從關節(jié)變量空間到工作變量空間的非線性映射，從而取得并聯機械手運動學正解，避免了求位置正解時公式推導和編程計算等的繁雜性[14]。 運動學方程的建立與求解是一個機械手系統(tǒng)的關鍵技術，一直受到廣泛的關注，但仍然是當今的一個研究熱點，有著一定的發(fā)展空間。機械手軌跡規(guī)劃屬于機械手底層規(guī)劃，是在機械手的運動學的基礎上，討論在關節(jié)空間和笛卡爾空間中機械手運動過程中的軌跡規(guī)劃和軌跡生成方法。所謂軌跡是指機械手在運動過程中的位移、速度和加速度。而軌跡規(guī)劃是根據作業(yè)任務的要求，計算出預期的運動軌跡。首先對機械手的任務、運動路徑和軌跡進行描述。例如，用戶給出手部的目標位姿，規(guī)劃所要完成的任務是:確定到該目標的路徑點、持續(xù)時間、運動速度等軌跡參數，并在計算機的內部描述所要求的軌跡，即選擇習慣給定及合理的軟件數據結構。最后，對內部描述的軌跡，實時計算機械手運動的位移、速度和加速度，生成運動軌跡。 軌跡規(guī)劃既可在關節(jié)空間也可在直角空間進行，但是所規(guī)劃的軌跡函數都必須連 續(xù)和平滑，使得操作臂的運動平穩(wěn)。用戶根據作業(yè)給出的各個路徑點后，路徑規(guī)劃的任務包含: 解變換方程(運動學正解)、進行運動學反解和插值運算等；在關節(jié)空間進行規(guī)劃時，大量工作是對關節(jié)變量的插值運算。因此，對于插值算法的研究是機械手軌跡規(guī)劃的一個重要方面。 4. 應用領域：目前工業(yè)機械手主要應用于制造業(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)達的國家中，工業(yè)機械手得到越來越廣泛的應用。隨著生產的發(fā)展，機械手功能和性能的不斷改善和提高，機械手的應用領域日益擴大，其應用范圍已不限于制造業(yè)，還用于農業(yè)、林業(yè)、交通運輸業(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（技術路線）或設計（實驗）方案進行說明1. 主要問題：1) 工業(yè)機械手驅動裝置的選擇2) 工業(yè)傳動比的選擇3) 工業(yè)機械手的執(zhí)行機構設計4) 工業(yè)機械手的機械傳動裝置設計5) 工業(yè)機械手工作運行穩(wěn)定性的保障2. 思路與方法：本課題要求機械手手臂能達到工作空間的任意位置和姿態(tài)，同時要結構簡單，容易控制。綜合考慮后確定該機械手具有五個自由度，其中手臂三個自由度，手爪部分二個自由度。3. 技術路線：1) 查閱國內外相關資料2) 根據參數確定設計方案3) 主要零部件的選型4) 設計各機構的圖紙繪制以及總裝圖的繪制5) 資料文件的整理編寫設計說明書4. 設計方案：由于在同樣的體積條件下，關節(jié)型機械手比非關節(jié)型機械手有大得多的相對空間(手腕可達到的最大空間體積與機械手本體外殼體積之比)和絕對工作空間，結構緊湊，同時關節(jié)型機械手的動作和軌跡更靈活，因此該型機械手采用關節(jié)型機械手的結構。四、檢索與本課題有關參考文獻資料的簡要說明[1] 濮良貴，紀名剛，機械設計，北京高等教育出版社，2006： 186-342.；[2] 吳宗澤，羅圣國.機械設計課程設計手冊，北京高等教育出版社，2006：35-121；[3] 成大先.機械設計手冊(第 3 卷)(精).北京：化學工業(yè)出版社，2005：125-130；[4] 劉進長,辛健成.機械手世界[M].鄭州:河南科學技術出版社,2000 [5] 諸靜.機械手與控制技術[M].杭州:浙江大學出版社,1991 [6] 吳廣玉,姜復興.機械手工程導論[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學出版社,1988 [7」 周遠清,張再興.智能機械手系統(tǒng)[M].北京:清華大學出版社,1989 [8] 付京孫.機械手學[M].合肥:中國科學技術出版社,1992 [9] 王坤興.機械手技術的發(fā)展趨勢[J]:機械手技術與應用.1999.(6):10-12 [10] 國家 863 計劃智能機械手專家組,機械手博覽[M].合肥:中國科學技術出版社,2001 [11] 陳佩云.我國工業(yè)機械手發(fā)展狀況[J]:機械手技術與應用.2001, (1):2-5 [12] 劉進長.我國機械手發(fā)展戰(zhàn)略研究[J]:機械手技術與應用.2000, (3): 2-5 [13] 馬頌德.基礎技術研究與隊伍建設[J]:機械手技術與應用.2001, (5) : 2-5[14] 王啟智,徐心和. PUMA 機械手逆運動方程的推導方法及求解[J]:機械手.1998,3:81-87 [15] McDonald.Robot Technology:Theory,Design and Application[M].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,1992[18] 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,1989[20] Architecture CNC Controller for Milling Machine Retrofitting August 18-21, 2009, Fukuoka International Congress Center, Japan五、畢業(yè)設計進程安排 起止日期工作內容14.2.24-14.3.15開題報告及外文翻譯14.3.16-14.4.01總體設計14.4.02-14.4.25部件設計14.4.26-14.5.10零件設計14.5.11-14.5.25編寫設計計算說明書14.5.26 -14.5.31預答辯及修改工作14.6.01-14.6.04主審教師評閱14.6.05---結束答辯及成績綜合評定六、指導教師意見1．對開題報告的評語開題報告格式規(guī)范，論述較為全面，對設計的思路應進一步改進，以求最佳設計方案2．對開題報告的意見及建議對五自由度工業(yè)機械手的結構再改進指導教師（簽名）： 年 月 日 所在院（系）審查意見：審核通過負責人簽字(蓋公章) 年 月 日