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畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告
設(shè)計(jì)（論文）題目: 高空作業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)
院 系 名 稱: 機(jī)電工程學(xué)院
專 業(yè) 班 級(jí): 機(jī)械08-4班
學(xué) 生 姓 名: 關(guān)宏
導(dǎo) 師 姓 名: 劉喜平
開 題 時(shí) 間: 2012年2月27日
指導(dǎo)委員會(huì)審查意見：
簽字： 年 月 日
1 課題研究的目的和意義
1.1 設(shè)計(jì)目的
高空作業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)是為實(shí)現(xiàn)無(wú)攀爬式全自動(dòng)高空接線而設(shè)計(jì)的機(jī)器人裝置。裸高壓導(dǎo)線輸電線路的備用導(dǎo)線高空接線，其繞線軌跡不規(guī)范、轉(zhuǎn)子線圈的線徑粗、折彎力較大、折彎運(yùn)動(dòng)空間受限等，給高空接線增加了難度，而多自由度的高空全自動(dòng)繞線裝置的研究是高空接線中亟待解決的瓶頸問題。本課題根據(jù)仿生學(xué)和機(jī)器人學(xué)的原理，運(yùn)用常用的機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及其組合，實(shí)現(xiàn)高空握持導(dǎo)線、不規(guī)則的圓周繞線運(yùn)動(dòng)和橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的全新自動(dòng)繞線機(jī)器人的研究。
1.2設(shè)計(jì)意義
機(jī)器人可以代替人進(jìn)行繁重、危險(xiǎn)的勞動(dòng)，顯著減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度和工作負(fù)擔(dān)，大大改善了勞動(dòng)條件，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率和自動(dòng)化水平。在高空裸導(dǎo)線的接線中，以前都需要操作人員攀高接線，勞動(dòng)強(qiáng)度大、安全性不可靠；而無(wú)攀爬式全自動(dòng)高空接線機(jī)器人能夠代替工人進(jìn)行高空作業(yè)，避免了工作中潛在的各種危險(xiǎn)，同時(shí)提高了工作效率，并且減少了高壓輸電線路的電流損耗，也為低碳經(jīng)濟(jì)提供了一個(gè)新的探索方案。該設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)實(shí)用性高，具有光明的發(fā)展前景。
2 文獻(xiàn)綜述
2.1現(xiàn)狀及分析
裸高壓導(dǎo)線輸電線路的高空接線工作，一直是困擾高空作業(yè)人員的棘手問題，由于其危險(xiǎn)性極大，作業(yè)條件艱難，僅靠人力很難做到，所以都是借助高空作業(yè)車的幫助來(lái)實(shí)現(xiàn)的。而高空作業(yè)車體積龐大且笨重，耗資巨大，而且在路況不好的地方很難行進(jìn)，這就導(dǎo)致了很多地區(qū)的高空接線工作很難進(jìn)行。近年來(lái)，越來(lái)越多的人致力于多自由度的高空全自動(dòng)繞線裝置的研究，試圖找到一種簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)、安全、有效的方法，來(lái)解決這一難題。
在一切追求人性化的今天，越來(lái)越多繁重、危險(xiǎn)和高難度的工作，開始采用機(jī)器人（包括機(jī)械手）來(lái)代替人類完成。無(wú)論在國(guó)外還是國(guó)內(nèi)，高空接線這種工作都已經(jīng)考慮運(yùn)用機(jī)器人技術(shù)。人類的很多不足都能夠通過機(jī)器人來(lái)彌補(bǔ)，這樣不僅節(jié)省了人力，而且降低了風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也讓機(jī)器人得到充分的利用。目前，無(wú)攀爬式全自動(dòng)高空接線機(jī)器人還沒有真正投入使用，但由于其顯著的優(yōu)越性，即高效率、安全性高、經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)等，正在被越來(lái)越多的專家學(xué)者研究試驗(yàn)，前景可觀。
本課題設(shè)計(jì)的無(wú)攀爬式全自動(dòng)高空接線機(jī)器人主要實(shí)現(xiàn)高空握持導(dǎo)線、不規(guī)則的圓周繞線運(yùn)動(dòng)和橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，其主要結(jié)構(gòu)有：
1)握持導(dǎo)線機(jī)構(gòu)
機(jī)械手是一種能模擬人的手臂動(dòng)作，按預(yù)定程序、軌跡及其它要求，實(shí)現(xiàn)抓取、搬運(yùn)工件或操縱工具的自動(dòng)化裝置，主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測(cè)裝置等所組成。機(jī)械手的種類很多，關(guān)于分類的問題，目前在國(guó)內(nèi)尚無(wú)統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)，在此暫按使用范圍、驅(qū)動(dòng)方式和控制系統(tǒng)等進(jìn)行分類。機(jī)械手按用途分為通用機(jī)械手和專用機(jī)械手兩類；按驅(qū)動(dòng)方式分，有氣壓傳動(dòng)機(jī)械手、液壓傳動(dòng)機(jī)械手、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)械手和電力傳動(dòng)機(jī)械手；按控制方式分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制機(jī)械手。
機(jī)械手的工作原理：機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測(cè)裝置等所組成。在PLC程序控制的條件下，采用液壓傳動(dòng)方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的相應(yīng)部位發(fā)生規(guī)定要求的，有順序，有運(yùn)動(dòng)軌跡，有一定速度和時(shí)間的動(dòng)作。同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時(shí)可對(duì)機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動(dòng)作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。位置檢測(cè)裝置隨時(shí)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較，然后通過控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置.
本課題的機(jī)械手要能夠滿足抓住引線、握住導(dǎo)線，并且手臂最好能夠進(jìn)行橫向伸縮，而且要具有一定的承載能力，因?yàn)樵诶@線機(jī)構(gòu)纏線過程中，機(jī)械手要支撐住整個(gè)機(jī)構(gòu)，如果承載能力不夠，會(huì)出現(xiàn)安全問題。
2)全自動(dòng)繞線機(jī)構(gòu)
該部分的主要功能是將導(dǎo)線和引線用綁線纏住，繞線機(jī)、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、行星齒輪機(jī)構(gòu)等均能夠?qū)崿F(xiàn)繞線動(dòng)作。
(1)繞線機(jī)：
繞線機(jī)，顧名思義是把線狀的物體纏繞到特定的工件上的機(jī)器。歐美繞線機(jī)以其加工精度高、質(zhì)量穩(wěn)定而在國(guó)際繞線機(jī)市場(chǎng)上占有重要地位。 歐美繞線機(jī)一般可繞0.01-2mm的線徑，轉(zhuǎn)動(dòng)誤差極小。繞線機(jī)用精密微機(jī)控制，以程序控制操作，這些程序極易掌握，人機(jī)對(duì)話簡(jiǎn)單，即使工作人員并無(wú)繞線工作的經(jīng)驗(yàn)也可應(yīng)付自如。目前歐洲生產(chǎn)的繞線機(jī)已經(jīng)趨于自動(dòng)化，而美國(guó)的繞線機(jī)介于自動(dòng)和半自動(dòng)之間，德國(guó)制造的外形比較美觀，零件比較講究，但是造價(jià)高。隨著國(guó)際繞線機(jī)市場(chǎng)的蓬勃發(fā)展，相互間的競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，各國(guó)的廠家都必須開發(fā)出新一代的繞線機(jī)?，F(xiàn)在主要是趨向自動(dòng)化的發(fā)展方向。
全自動(dòng)繞線機(jī)是近幾年才發(fā)展起來(lái)的新機(jī)種，為了適應(yīng)高效率、高產(chǎn)量的要求，全自動(dòng)機(jī)種一般都采用多頭聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)廠家大多都是參照了臺(tái)灣等地的進(jìn)口機(jī)型的設(shè)計(jì)，采用可編程控制器作為設(shè)備的控制核心，配合機(jī)械手、氣動(dòng)控制元件和執(zhí)行附件來(lái)完成自動(dòng)排線、自動(dòng)纏腳、自動(dòng)剪線、自動(dòng)裝卸骨架等功能，這種機(jī)型的生產(chǎn)效率極高，大大的降低了對(duì)人工的依賴，一個(gè)操作員工可以同時(shí)照看幾臺(tái)這樣的設(shè)備，生產(chǎn)品質(zhì)比較穩(wěn)定，非常適合產(chǎn)量要求高的加工場(chǎng)合。這種機(jī)型由于集成了數(shù)控、氣動(dòng)、光控許多的新技術(shù)，所以價(jià)格小則幾萬(wàn)元高則十幾萬(wàn)元，價(jià)格也使得許多的用戶望而嘆步，另外由于功能要求決定了該設(shè)備的零部件采用了大量非標(biāo)準(zhǔn)件和定制件，所以一旦出現(xiàn)故障相對(duì)的維修過程將會(huì)很復(fù)雜，周期也會(huì)比較長(zhǎng)。而且這種繞線機(jī)多數(shù)形體巨大，適合大批量，高精度的工作要求場(chǎng)合，不是本設(shè)計(jì)的理想選擇。
(2)齒輪齒條機(jī)構(gòu)：
齒輪齒條傳動(dòng)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，它的傳動(dòng)功率大，速度范圍廣，效率高，工作可靠，壽命長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)緊湊，能保證恒定傳動(dòng)比。但是，這樣的機(jī)構(gòu)可以反向驅(qū)動(dòng)，也就是齒條做直線運(yùn)動(dòng)來(lái)帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，適合大距離的傳動(dòng)，如機(jī)床導(dǎo)軌底下帶動(dòng)拖板箱移動(dòng)的就是齒輪齒條傳動(dòng)，齒輪齒條機(jī)構(gòu)需要外加鎖緊裝置，因?yàn)辇X輪齒條機(jī)構(gòu)不能自鎖。而且它的制造及其安裝精度要求高，成本高，不適于兩軸中心距過大的傳動(dòng)及振動(dòng)沖擊較大的場(chǎng)合。
(3)行星齒輪機(jī)構(gòu)：
行星齒輪機(jī)構(gòu)有很多類型，其中最簡(jiǎn)單的行星齒輪機(jī)構(gòu)是由1個(gè)太陽(yáng)輪、1個(gè)齒圈、1個(gè)行星架和支承在行星架上的幾個(gè)行星齒輪組成的，稱為1個(gè)行星排。行星齒輪機(jī)構(gòu)中的太陽(yáng)輪、齒圈及行星架有一個(gè)共同的固定軸線，行星齒輪支承在固定于行星架的行星齒輪軸上，并同時(shí)與太陽(yáng)輪和齒圈嚙合。當(dāng)行星齒輪機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，空套在行星架上的行星齒輪軸上的幾個(gè)行星齒輪一方面可以繞著自己的軸線旋轉(zhuǎn)，另一方面又可以隨著行星架一起繞著太陽(yáng)輪回轉(zhuǎn)，就像天上行星的運(yùn)動(dòng)那樣，兼有自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)兩種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（將星齒輪的名稱即因此而來(lái)），在行星排中，具有固定軸線的太陽(yáng)輪、齒圈和行星架稱為行星排的3個(gè)基本元件。行星齒輪機(jī)構(gòu)可按不同的方式進(jìn)行分類，按照齒輪的嚙合方式不同，行星齒輪機(jī)構(gòu)可以分為外嚙合式和內(nèi)嚙合式兩種。外嚙合式行星齒輪機(jī)構(gòu)體積大，傳動(dòng)效率低，故在汽車上已被淘汰；內(nèi)嚙合式行星齒輪機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)效率高，因而在自動(dòng)變速器中被廣為使用。按照齒輪的排數(shù)不同，行星齒輪機(jī)構(gòu)可以分為單排和多排兩種。多排行星齒輪機(jī)構(gòu)是由幾個(gè)單排行星齒輪機(jī)構(gòu)組成的。按照太陽(yáng)輪和齒圈之間的行星齒輪組數(shù)的不同，行星齒輪機(jī)構(gòu)可以分為單行星齒輪式和雙行星齒輪式兩種。
全自動(dòng)繞線機(jī)構(gòu)要用直徑為2mm的細(xì)線將直徑粗10mm的導(dǎo)線握在一起，然后用1分鐘左右的時(shí)間完成繞線過程。所以考慮到本設(shè)計(jì)要求經(jīng)濟(jì)適用，效率高，優(yōu)先考慮行星齒輪機(jī)構(gòu)和齒輪齒條機(jī)構(gòu)，這兩種機(jī)構(gòu)較繞線機(jī)相比，更符合設(shè)計(jì)要求，機(jī)構(gòu)輕便，而且價(jià)格適宜，具有更強(qiáng)的實(shí)用性，更加大眾化。除此之外，帶傳動(dòng)，四桿機(jī)構(gòu)等也可以繞線，具體設(shè)計(jì)就要根據(jù)設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求而確定。
2.2初步可行性研究
無(wú)攀爬式全自動(dòng)高空接線機(jī)器人的主要優(yōu)點(diǎn)：
(1)經(jīng)濟(jì)性：現(xiàn)在使用的高空作業(yè)車格價(jià)一般為幾百萬(wàn)不等，經(jīng)濟(jì)性低，需要使用者的經(jīng)濟(jì)承受能力很強(qiáng)；而無(wú)攀爬式全自動(dòng)高空接線機(jī)器人的價(jià)格在幾千元左右，與前者相比，優(yōu)越性一目了然。
(2)安全性：高空作業(yè)安全一直是我國(guó)的重中之重，而本設(shè)計(jì)可避免這一問題，安全性高。
(3)效率高：無(wú)攀爬式全自動(dòng)高空接線機(jī)器人在繞線過程中的時(shí)間約為1分鐘，而整個(gè)過程約為2分鐘，與較傳統(tǒng)的方法相比較，工作效率大大提高。
(4)適用范圍廣：在何種環(huán)境均可工作，對(duì)工作條件沒有特別高的要求，實(shí)用性強(qiáng)。
鑒于以上優(yōu)點(diǎn)，無(wú)攀爬式全自動(dòng)高空接線機(jī)器人具有很高的可行性。
3 基本內(nèi)容、擬解決的主要問題
3.1基本內(nèi)容
本設(shè)計(jì)主要完成無(wú)攀爬式的高空遙控作業(yè)，實(shí)現(xiàn)高空握持導(dǎo)線、不規(guī)則的圓周繞線運(yùn)動(dòng)和橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的全新自動(dòng)繞線。具體內(nèi)容為用繞線直徑為2mm的鋁質(zhì)綁線將直徑為10mm的引線和導(dǎo)線纏在一起，并完成導(dǎo)線的固定工作，繞線用時(shí)1分鐘左右。
3.1.1無(wú)攀爬式全自動(dòng)高空接線機(jī)器人的擬實(shí)現(xiàn)工作流程
(1)用絕緣拉桿插入拉桿插孔后，送機(jī)器人接近引線，控制機(jī)器人右手抓住引線；
(2)送機(jī)器人接近導(dǎo)線，控制機(jī)器人左右手同時(shí)握住導(dǎo)線；
(3)控制機(jī)器人用嘴咬住導(dǎo)線和引線后，使綁線如舌頭一樣，勾住導(dǎo)線和引線，同時(shí)身體做繞導(dǎo)運(yùn)動(dòng)，將綁線纏在導(dǎo)線和引線上；
(4)最后，用嘴咬斷多余綁線后，工作結(jié)束。
3.2 擬解決問題
(1)機(jī)器人手臂要能夠抓住引線，并握住導(dǎo)線。
(2)繞線機(jī)構(gòu)將導(dǎo)線和引線纏在一起，在繞線結(jié)束之后，將綁線兩頭固定，保證其不會(huì)松動(dòng)。
4 技術(shù)路線
通過查閱資料，明確設(shè)計(jì)目的，進(jìn)行總體結(jié)構(gòu)方案的擬定，經(jīng)過對(duì)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)的計(jì)算，進(jìn)行繞線機(jī)構(gòu)、握持機(jī)構(gòu)、進(jìn)給機(jī)構(gòu)等的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行總體裝配圖的繪制，最后，繪制主要零件工作圖，編寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書。
5 進(jìn)度安排
2月27日～3月20日：分配任務(wù)，書寫開題報(bào)告；
3月21日～4月10日：查閱資料，進(jìn)行設(shè)計(jì)分析；
4月11日～4月18日：擬定總體設(shè)計(jì)方案；
4月19日～5月3日： 運(yùn)動(dòng)和力學(xué)參數(shù)的計(jì)算；
5月4日～5月10日：繞線機(jī)構(gòu)、握持機(jī)構(gòu)、進(jìn)給機(jī)構(gòu)等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
5月11日～5月30日：繪制無(wú)攀爬式全自動(dòng)高空接線機(jī)器人總體裝配圖
6月1日～6月10日：繪制主要零件工作圖，編寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書；
6月11日～6月15日：完成設(shè)計(jì)，準(zhǔn)備答辯。
6 主要參考文獻(xiàn)
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