開 題 報 告題 目 五自由度工業(yè)機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計 學(xué)生姓名 學(xué)號 所 在 院 (系 ) 專業(yè)班級 指導(dǎo)教師 年 月 日題 目 五自由度工業(yè)機械手結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)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(chǔ)。將其作為《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》課程及機械電子工程專業(yè)等機電結(jié)合的綜合教學(xué)實驗設(shè)備，不僅可以使學(xué)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(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)興趣，樹立系統(tǒng)的工程概念，培養(yǎng)其獨立開展科學(xué)研究的能力。 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，尤其是進入 20 世紀(jì) 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(yīng)用，引起了各國專家學(xué)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(xué)本科生及研究生開設(shè)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(shè)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(shè)了機械手學(xué)課程。因此，本機械手的研制成功，對機電一體化專業(yè)教學(xué)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(yīng)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(shè)計等現(xiàn)代設(shè)計方法的運用，機械手操作機己實現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)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(yīng)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(chǔ)。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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(yīng)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(luò)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(luò)的聯(lián)接，使機械手由過去的獨立應(yīng)用向網(wǎng)絡(luò) 化應(yīng)用邁進了一大步，也使機械手由過去的專用設(shè)備向標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)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(yīng)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(xué)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(xué)研究、技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用工程等方面取得了可喜的進步。從 20 世紀(jì) 80 年代末到 20 世紀(jì) 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(chǔ)科學(xué)、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(yīng)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(yīng)用邁出的重要一步。一批從事機械手研究、開發(fā)、應(yīng)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(jì)各國爭奪的經(jīng)濟技術(shù)制高點。如何在 21世紀(jì)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(dāng)務(wù)之急。由于目前我國機械手的基礎(chǔ)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(jì)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?，無論從資金方面考慮，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(luò)等多個學(xué)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(xué)科發(fā)展密切相關(guān)。機械手在制造業(yè)的應(yīng)用范圍越來越廣闊，其標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)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(yīng)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(wù)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(yīng)用方案業(yè)務(wù)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(yīng)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(luò)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(shè)計的優(yōu)化和作業(yè)的柔性化以及系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化和智能化等方面。3. 研究方法：運動學(xué)正問題的研究目前主要是利用齊次坐標(biāo)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(xué)逆問題的討論帶來很多不便。運動學(xué)逆問題比正問題復(fù)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(xué)方程的計算過程需要解多元非線性方程組，數(shù)學(xué)上尚無完備的方法求其解析解，機構(gòu)學(xué)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(luò)解法也開始進行探討。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對于非線性映射的強大的逼近能力，采用 BP 網(wǎng)絡(luò)，利用位置逆解結(jié)果作為訓(xùn)練樣本，通過大量樣本的訓(xùn)練學(xué)習(xí)，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(xué)正解，避免了求位置正解時公式推導(dǎo)和編程計算等的繁雜性[14]。 運動學(xué)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(dāng)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(xué)的基礎(chǔ)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(wù)的要求，計算出預(yù)期的運動軌跡。首先對機械手的任務(wù)、運動路徑和軌跡進行描述。例如，用戶給出手部的目標(biāo)位姿，規(guī)劃所要完成的任務(wù)是:確定到該目標(biāo)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(xí)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(wù)包含: 解變換方程(運動學(xué)正解)、進行運動學(xué)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(yīng)用領(lǐng)域：目前工業(yè)機械手主要應(yīng)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(yīng)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(yīng)用領(lǐng)域日益擴大，其應(yīng)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(shè)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(shè)計4) 工業(yè)機械手的機械傳動裝置設(shè)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(shè)計方案3) 主要零部件的選型4) 設(shè)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(shè)計說明書4. 設(shè)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[1] 濮良貴，紀(jì)名剛，機械設(shè)計，北京高等教育出版社，2006： 186-342.；[2] 吳宗澤，羅圣國.機械設(shè)計課程設(shè)計手冊，北京高等教育出版社，2006：35-121；[3] 成大先.機械設(shè)計手冊(第 3 卷)(精).北京：化學(xué)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(xué)技術(shù)出版社,2000 [5] 諸靜.機械手與控制技術(shù)[M].杭州:浙江大學(xué)出版社,1991 [6] 吳廣玉,姜復(fù)興.機械手工程導(dǎo)論[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)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(xué)出版社,1989 [8] 付京孫.機械手學(xué)[M].合肥:中國科學(xué)技術(shù)出版社,1992 [9] 王坤興.機械手技術(shù)的發(fā)展趨勢[J]:機械手技術(shù)與應(yīng)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(xué)技術(shù)出版社,2001 [11] 陳佩云.我國工業(yè)機械手發(fā)展?fàn)顩r[J]:機械手技術(shù)與應(yīng)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(shù)與應(yīng)用.2000, (3): 2-5 [13] 馬頌德.基礎(chǔ)技術(shù)研究與隊伍建設(shè)[J]:機械手技術(shù)與應(yīng)用.2001, (5) : 2-5[14] 王啟智,徐心和. PUMA 機械手逆運動方程的推導(dǎo)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(shè)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(shè)計14.4.02-14.4.25部件設(shè)計14.4.26-14.5.10零件設(shè)計14.5.11-14.5.25編寫設(shè)計計算說明書14.5.26 -14.5.31預(yù)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(dǎo)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(shè)計的思路應(yīng)進一步改進，以求最佳設(shè)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(jié)構(gòu)再改進指導(dǎo)教師（簽名）： 年 月 日 所在院（系）審查意見：審核通過負(fù)責(zé)人簽字(蓋公章) 年 月 日