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開題報告
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題 目 五自由度工業(yè)機械手結(jié)構(gòu)設計
學生姓名 學號
所在院(系)
專業(yè)班級
指導教師
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年 月 日
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題 目
?五自由度工業(yè)機械手結(jié)構(gòu)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(jié)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(guān)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(xiàn)代科學技術(shù)的迅速發(fā)展，尤其是進入20世紀80年代以來，機械手技術(shù)的進步與其在各個領(lǐng)域的廣泛應用，引起了各國專家學者的普遍關(guān)注。許多發(fā)達國家均把機械手技術(shù)的開發(fā)、研究列入國家高新技術(shù)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(shù)的有關(guān)課程。為了培養(yǎng)機械手開發(fā)、設計、生產(chǎn)、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(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢、研究方法及應用領(lǐng)域等
?1. 研究現(xiàn)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(xiàn)代設計方法的運用，機械手操作機己實現(xiàn)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(lián)平行四邊形結(jié)構(gòu)改為開鏈結(jié)構(gòu)，拓展了機械手的工作范圍，加之輕質(zhì)鋁合金材料的應用大大提高了機械手的性能。 (2) 并聯(lián)機械手：采用并聯(lián)機構(gòu)，利用機械手技術(shù)，實現(xiàn)高精度測量及加工，這是機械手技術(shù)向數(shù)控技術(shù)的拓展，為將來實現(xiàn)機械手和數(shù)控技術(shù)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(chǎn)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(xiàn)在能夠控制21軸甚至27軸機械手，并且實現(xiàn)了軟件伺服和全數(shù)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(lǐng)域的離線編程已實現(xiàn)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(xiàn)了焊縫自動跟蹤和自動化生產(chǎn)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(chǎn)品。 (5) 網(wǎng)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(xiàn)了與 Canbus、Profibus總線及一些網(wǎng)絡的聯(lián)接，使機械手由過去的獨立應用向網(wǎng)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(shù)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(xiàn)在已達到5萬小時，幾乎可以滿足任何場合的需求。
國內(nèi)機械手研究現(xiàn)狀：
隨著科學技術(shù)和世界各國機械手技術(shù)的發(fā)展，我國在機械手科學研究、技術(shù)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(lǐng)域的重要研究課題，系統(tǒng)地開展了機械手基礎科學、關(guān)鍵技術(shù)與機械手元部件、先進機械手系統(tǒng)集成技術(shù)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(chǎn)業(yè)化基地已經(jīng)破土而出。 我國近幾年機械手自動化生產(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(chǎn)線的主要方式。我國機械手自動化生產(chǎn)線裝備的市場剛剛起步，而國內(nèi)裝備制造業(yè)正處于由傳統(tǒng)裝備向先進制造裝備轉(zhuǎn)型的時期，這就給機械手自動化生產(chǎn)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(shù)量上還是技術(shù)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(shù)，必須自主的發(fā)展我國的高技術(shù)，機械手作為高技術(shù)領(lǐng)域的一個重要分支，將成為21世紀各國爭奪的經(jīng)濟技術(shù)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(shù)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(wǎng)絡等多個學科和領(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)展與上述學科發(fā)展密切相關(guān)。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(wǎng)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(shù)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(zhuǎn)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(lǐng)域?？傏厔菔菑莫M義的機械手概念向廣義的機械手技術(shù)(RT) 概念轉(zhuǎn)移；從工業(yè)機械手產(chǎn)業(yè)向解決工程應用方案業(yè)務的機械手技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。機械手技術(shù)（RT）的內(nèi)涵已變?yōu)殪`活應用機械手技術(shù)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(shù)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(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)絡化；伺服驅(qū)動技術(shù)的數(shù)字化和分散化；多傳感器融合技術(shù)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(wǎng)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(gòu)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(xiàn)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(gòu)如球形手腕機械手機構(gòu)，其逆解是封閉的，但并不唯一。對一般的機械手機構(gòu)逆解必須使用數(shù)值計算方法，因而數(shù)值解的計算速度和精度受到人們的關(guān)注，同時機械手機構(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)機械手運動學方程的計算過程需要解多元非線性方程組，數(shù)學上尚無完備的方法求其解析解，機構(gòu)學研究者采用數(shù)值分析的方法，取得了一系列進展。但是多數(shù)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(gòu)位置正解的神經(jīng)網(wǎng)絡解法也開始進行探討。利用神經(jīng)網(wǎng)絡對于非線性映射的強大的逼近能力，采用 BP 網(wǎng)絡，利用位置逆解結(jié)果作為訓練樣本，通過大量樣本的訓練學習，實現(xiàn)機械手從關(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(guān)鍵技術(shù)，一直受到廣泛的關(guān)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(guān)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(jù)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(shù)，并在計算機的內(nèi)部描述所要求的軌跡，即選擇習慣給定及合理的軟件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。最后，對內(nèi)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(guān)節(jié)空間也可在直角空間進行，但是所規(guī)劃的軌跡函數(shù)都必須連 續(xù)和平滑，使得操作臂的運動平穩(wěn)。用戶根據(jù)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(guān)節(jié)空間進行規(guī)劃時，大量工作是對關(guān)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(lǐng)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(chǎn)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(lǐng)域日益擴大，其應用范圍已不限于制造業(yè)，還用于農(nóng)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(shù)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(qū)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(gòu)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(jié)構(gòu)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(shù)路線：
1) 查閱國內(nèi)外相關(guān)資料
2) 根據(jù)參數(shù)確定設計方案
3) 主要零部件的選型
4) 設計各機構(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計說明書
4. 設計方案：由于在同樣的體積條件下，關(guān)節(jié)型機械手比非關(guān)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(jié)構(gòu)緊湊，同時關(guān)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(guān)節(jié)型機械手的結(jié)構(gòu)。
四、檢索與本課題有關(guān)參考文獻資料的簡要說明
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[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(nèi)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(jié)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
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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(jié)構(gòu)再改進
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指導教師（簽名）：
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??年 月 日
所在院（系）審查意見：
?審核通過
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負責人簽字(蓋公章)
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?年 月 日
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