開 題 報(bào) 告題 目 五自由度工業(yè)機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) 所 在 院 (系 ) 專業(yè)班級(jí) 指導(dǎo)教師 年 月 日題 目 五自由度工業(yè)機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一、選題的目的及研究意義通過五自由度工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)，可以為進(jìn)一步研究工業(yè)機(jī)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(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》課程及機(jī)械電子工程專業(yè)等機(jī)電結(jié)合的綜合教學(xué)實(shí)驗(yàn)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(shí)，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(dú)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(jìn)入 20 世紀(jì) 80 年代以來，機(jī)械手技術(shù)的進(jìn)步與其在各個(gè)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(dá)國家均把機(jī)械手技術(shù)的開發(fā)、研究列入國家高新技術(shù)發(fā)展計(jì)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(jī)械手技術(shù)的有關(guān)課程。為了培養(yǎng)機(jī)械手開發(fā)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、維護(hù)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(jī)械手學(xué)課程。因此，本機(jī)械手的研制成功，對(duì)機(jī)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(jī)械手研究的重點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面: (1) 機(jī)械手操作機(jī)，通過有限元分析、模態(tài)分析及仿真設(shè)計(jì)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的運(yùn)用，機(jī)械手操作機(jī)己實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計(jì)。以德國 KUKA 公司為代表的機(jī)械手公司，將機(jī)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(jī)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(jī)械手的性能。 (2) 并聯(lián)機(jī)械手：采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)，利用機(jī)械手技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高精度測量及加工，這是機(jī)械手技術(shù)向數(shù)控技術(shù)的拓展，為將來實(shí)現(xiàn)機(jī)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(jìn)一步提高，已由過去控制標(biāo)準(zhǔn)的 6 軸機(jī)械手發(fā)展到現(xiàn)在能夠控制 21軸甚至 27 軸機(jī)械手，并且實(shí)現(xiàn)了軟件伺服和全數(shù)字控制。人機(jī)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(shí)現(xiàn)實(shí)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(jī)械手系統(tǒng)中已得到成功應(yīng)用，并實(shí)現(xiàn)了焊縫自動(dòng)跟蹤和自動(dòng)化生產(chǎn)線上物體的自動(dòng)定位以及精密裝配作業(yè)等，大大提高了機(jī)械手的作業(yè)性能和對(duì)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(jī)械手控制器已實(shí)現(xiàn)了與 Canbus、Profibus 總線及一些網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)接，使機(jī)械手由過去的獨(dú)立應(yīng)用向網(wǎng)絡(luò) 化應(yīng)用邁進(jìn)了一大步，也使機(jī)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(jī)械手系統(tǒng)的可靠性有了很大提高。過去機(jī)械手系統(tǒng)的可靠性一般為幾千小時(shí)，而現(xiàn)在已達(dá)到 5 萬小時(shí)，幾乎可以滿足任何場合的需求。 國內(nèi)機(jī)械手研究現(xiàn)狀：隨著科學(xué)技術(shù)和世界各國機(jī)械手技術(shù)的發(fā)展，我國在機(jī)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(jìn)步。從 20 世紀(jì) 80 年代末到 20 世紀(jì) 90 年代，國家 863 計(jì)劃把機(jī)械手列為自動(dòng)化領(lǐng)域的重要研究課題，系統(tǒng)地開展了機(jī)械手基礎(chǔ)科學(xué)、關(guān)鍵技術(shù)與機(jī)械手元部件、先進(jìn)機(jī)械手系統(tǒng)集成技術(shù)的研究及機(jī)械手在自動(dòng)化工程上的應(yīng)用。在工業(yè)機(jī)械手選型方面，確定以開發(fā)點(diǎn)焊、弧焊、噴漆、裝配、搬運(yùn)等機(jī)械手為主。這是中國機(jī)械手事業(yè)從研制到應(yīng)用邁出的重要一步。一批從事機(jī)械手研究、開發(fā)、應(yīng)用的人才和隊(duì)伍在實(shí)踐中成長、壯大，一批以機(jī)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(jī)械手自動(dòng)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(dòng)化水平的不斷提高，機(jī)械手自動(dòng)化線的市場也會(huì)越來越大，并且逐漸成為自動(dòng)化生產(chǎn)線的主要方式。我國機(jī)械手自動(dòng)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(jìn)制造裝備轉(zhuǎn)型的時(shí)期，這就給機(jī)械手自動(dòng)化生產(chǎn)線研究開發(fā)者帶來巨大商機(jī)。但是，無論從工業(yè)機(jī)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(gè)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(jī)械手作為高技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，將成為 21 世紀(jì)各國爭奪的經(jīng)濟(jì)技術(shù)制高點(diǎn)。如何在 21世紀(jì)加速我國機(jī)械手的發(fā)展，使我國早日進(jìn)入機(jī)械手大國行列，已成為當(dāng)務(wù)之急。由于目前我國機(jī)械手的基礎(chǔ)數(shù)量太低，以工業(yè)機(jī)械手為例，到了 2010 年我國機(jī)械手擁有量只能達(dá)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(jìn)口機(jī)械手來彌補(bǔ)，其巨大損失不是可以用貨幣損失來計(jì)算的?？梢姡瑹o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(duì)機(jī)械手進(jìn)行研究和開發(fā)。 2. 發(fā)展趨勢：機(jī)械手涉及到機(jī)械、電子、控制、計(jì)算機(jī)、人工智能、傳感器、通訊與網(wǎng)絡(luò)等多個(gè)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(jī)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(qiáng)，并向著成套技術(shù)和裝備的方向發(fā)展。機(jī)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(gè)人化和微小型方向發(fā)展，并將服務(wù)于人類活動(dòng)的各個(gè)領(lǐng)域?？傏厔菔菑莫M義的機(jī)械手概念向廣義的機(jī)械手技術(shù)(RT) 概念轉(zhuǎn)移；從工業(yè)機(jī)械手產(chǎn)業(yè)向解決工程應(yīng)用方案業(yè)務(wù)的機(jī)械手技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。機(jī)械手技術(shù)（RT）的內(nèi)涵已變?yōu)殪`活應(yīng)用機(jī)械手技術(shù)的、具有實(shí)在動(dòng)作功能的智能化系統(tǒng)。目前，工業(yè)機(jī)械手技術(shù)正在向智能機(jī)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(dòng)技術(shù)的數(shù)字化和分散化；多傳感器融合技術(shù)的實(shí)用化；工作環(huán)境設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)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(yùn)算速度較慢，隨著機(jī)械手機(jī)構(gòu)自由度的增加對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問題的討論帶來很多不便。運(yùn)動(dòng)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(jī)械手的操作空間，逆解一般來說非唯一。目前對(duì)具有特殊形狀的機(jī)械手機(jī)構(gòu)如球形手腕機(jī)械手機(jī)構(gòu)，其逆解是封閉的，但并不唯一。對(duì)一般的機(jī)械手機(jī)構(gòu)逆解必須使用數(shù)值計(jì)算方法，因而數(shù)值解的計(jì)算速度和精度受到人們的關(guān)注，同時(shí)機(jī)械手機(jī)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(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的計(jì)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(jī)構(gòu)學(xué)研究者采用數(shù)值分析的方法，取得了一系列進(jìn)展。但是多數(shù)或者算法不穩(wěn)定，或者過分依賴初值，且計(jì)算量大，求解速度慢。工業(yè)機(jī)械手機(jī)構(gòu)位置正解的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解法也開始進(jìn)行探討。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)于非線性映射的強(qiáng)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(shí)現(xiàn)機(jī)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(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)正解，避免了求位置正解時(shí)公式推導(dǎo)和編程計(jì)算等的繁雜性[14]。 運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的建立與求解是一個(gè)機(jī)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(gè)研究熱點(diǎn)，有著一定的發(fā)展空間。機(jī)械手軌跡規(guī)劃屬于機(jī)械手底層規(guī)劃，是在機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)的基礎(chǔ)上，討論在關(guān)節(jié)空間和笛卡爾空間中機(jī)械手運(yùn)動(dòng)過程中的軌跡規(guī)劃和軌跡生成方法。所謂軌跡是指機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)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(jì)算出預(yù)期的運(yùn)動(dòng)軌跡。首先對(duì)機(jī)械手的任務(wù)、運(yùn)動(dòng)路徑和軌跡進(jìn)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(diǎn)、持續(xù)時(shí)間、運(yùn)動(dòng)速度等軌跡參數(shù)，并在計(jì)算機(jī)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(duì)內(nèi)部描述的軌跡，實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的位移、速度和加速度，生成運(yùn)動(dòng)軌跡。 軌跡規(guī)劃既可在關(guān)節(jié)空間也可在直角空間進(jìn)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(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。用戶根據(jù)作業(yè)給出的各個(gè)路徑點(diǎn)后，路徑規(guī)劃的任務(wù)包含: 解變換方程(運(yùn)動(dòng)學(xué)正解)、進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)反解和插值運(yùn)算等；在關(guān)節(jié)空間進(jìn)行規(guī)劃時(shí)，大量工作是對(duì)關(guān)節(jié)變量的插值運(yùn)算。因此，對(duì)于插值算法的研究是機(jī)械手軌跡規(guī)劃的一個(gè)重要方面。 4. 應(yīng)用領(lǐng)域：目前工業(yè)機(jī)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(dá)的國家中，工業(yè)機(jī)械手得到越來越廣泛的應(yīng)用。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，機(jī)械手功能和性能的不斷改善和提高，機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)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(yùn)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(duì)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(jì)（實(shí)驗(yàn)）方案進(jìn)行說明1. 主要問題：1) 工業(yè)機(jī)械手驅(qū)動(dòng)裝置的選擇2) 工業(yè)傳動(dòng)比的選擇3) 工業(yè)機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)4) 工業(yè)機(jī)械手的機(jī)械傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)5) 工業(yè)機(jī)械手工作運(yùn)行穩(wěn)定性的保障2. 思路與方法：本課題要求機(jī)械手手臂能達(dá)到工作空間的任意位置和姿態(tài)，同時(shí)要結(jié)構(gòu)簡單，容易控制。綜合考慮后確定該機(jī)械手具有五個(gè)自由度，其中手臂三個(gè)自由度，手爪部分二個(gè)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(jì)方案3) 主要零部件的選型4) 設(shè)計(jì)各機(jī)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(jì)說明書4. 設(shè)計(jì)方案：由于在同樣的體積條件下，關(guān)節(jié)型機(jī)械手比非關(guān)節(jié)型機(jī)械手有大得多的相對(duì)空間(手腕可達(dá)到的最大空間體積與機(jī)械手本體外殼體積之比)和絕對(duì)工作空間，結(jié)構(gòu)緊湊，同時(shí)關(guān)節(jié)型機(jī)械手的動(dòng)作和軌跡更靈活，因此該型機(jī)械手采用關(guān)節(jié)型機(jī)械手的結(jié)構(gòu)。四、檢索與本課題有關(guān)參考文獻(xiàn)資料的簡要說明[1] 濮良貴，紀(jì)名剛，機(jī)械設(shè)計(jì)，北京高等教育出版社，2006： 186-342.；[2] 吳宗澤，羅圣國.機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊，北京高等教育出版社，2006：35-121；[3] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(第 3 卷)(精).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005：125-130；[4] 劉進(jìn)長,辛健成.機(jī)械手世界[M].鄭州:河南科學(xué)技術(shù)出版社,2000 [5] 諸靜.機(jī)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(jī)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(yuǎn)清,張?jiān)倥d.智能機(jī)械手系統(tǒng)[M].北京:清華大學(xué)出版社,1989 [8] 付京孫.機(jī)械手學(xué)[M].合肥:中國科學(xué)技術(shù)出版社,1992 [9] 王坤興.機(jī)械手技術(shù)的發(fā)展趨勢[J]:機(jī)械手技術(shù)與應(yīng)用.1999.(6):10-12 [10] 國家 863 計(jì)劃智能機(jī)械手專家組,機(jī)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(jī)械手發(fā)展?fàn)顩r[J]:機(jī)械手技術(shù)與應(yīng)用.2001, (1):2-5 [12] 劉進(jìn)長.我國機(jī)械手發(fā)展戰(zhàn)略研究[J]:機(jī)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(duì)伍建設(shè)[J]:機(jī)械手技術(shù)與應(yīng)用.2001, (5) : 2-5[14] 王啟智,徐心和. PUMA 機(jī)械手逆運(yùn)動(dòng)方程的推導(dǎo)方法及求解[J]:機(jī)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(jì)進(jìn)程安排 起止日期工作內(nèi)容14.2.24-14.3.15開題報(bào)告及外文翻譯14.3.16-14.4.01總體設(shè)計(jì)14.4.02-14.4.25部件設(shè)計(jì)14.4.26-14.5.10零件設(shè)計(jì)14.5.11-14.5.25編寫設(shè)計(jì)計(jì)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(píng)閱14.6.05---結(jié)束答辯及成績綜合評(píng)定六、指導(dǎo)教師意見1．對(duì)開題報(bào)告的評(píng)語開題報(bào)告格式規(guī)范，論述較為全面，對(duì)設(shè)計(jì)的思路應(yīng)進(jìn)一步改進(jìn)，以求最佳設(shè)計(jì)方案2．對(duì)開題報(bào)告的意見及建議對(duì)五自由度工業(yè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)再改進(jìn)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