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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(shè)計
學(xué)生姓名 學(xué)號
所在院(系)
專業(yè)班級
指導(dǎo)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(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(yuǎn)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
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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
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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(dǎo)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(fù)責(zé)人簽字(蓋公章)
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?年 月 日
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