除冰机器人的控制仿真设计【19100字】【优秀机械毕业设计论文】

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关键词：: 除冰机器人控制节制仿真设计优秀优良机械毕业设计论文

资源描述：

文档包括:
说明书一份,35页,19100字左右.
任务书.doc
开题报告.doc
PPT答辩稿.doc
诚信承诺书.doc
外文翻译.doc
文献综述.doc

任务书

毕业设计题目除冰机器人的控制仿真设计
毕业设计主要内容和要求：
1、内容：如今对输电线路实施除冰是防止冰灾的有效途径，如何具体的除冰方法则应用了除冰机器人，除冰机器人造价低，工作效率高，安全可靠，能够实现在线除冰作业，不影响电力的输送，是一项很有发展前景的课题。
2、要求：
（1）关节控制
（2）笛卡尔空间运动控制和自适应控制
（3）点位控制和连续轨迹控制
（4）速度控制、加速度控制、力控制
毕业设计主要参考资料：
（1）张屹，邵威，高虹亮，罗成. 高压输电线路除冰机器人的机构设计[J].三学大学学报，2008.12，Vol.30 No.6：P69-72.
（2）高虹亮，孟遂民，罗成，马小强.架空输电线路除冰机器人的结构设计[J].电力建设，2009.3，Vol.30 No.3：P93-96.
（3）甘辰予，陈劲生.LEGO 智能除冰机器人的设计[J].大众科技，2009.10，No.10.
（4）蒋正龙，陆佳政，雷红才，黄福勇. 湖南2008年冰灾引起的倒塔原因分析[J].高电压技术，2008.11，Vol.34 No.11：P2468-2474.
（5）吴功平，肖晓晖，肖华，戴锦春，鲍务均，胡杰. 架空高压输电线路巡线机器人样机研制[J].电力系统自动化，2006.7.10，Vol.30 No.13：P90-107.
（6）张运楚，梁自泽，谭民. 架空电力线路巡线机器人的研究综述[J].机器人，2004.9，Vol.26 No.5:P467-473.
（7）许源刘人玮李军. 湖南电网防冻融冰体系改革之探讨[J].2003,Vol.23 No.5:P24-27.
（8）李红旗，陈志高，于钦刚，李翔，陈懿夫. 输电线路机械除冰技术研究[J].自然灾害对电力设施的影响与应对研讨会2008.5,Vol.23 No.5:P24-27
（9）李宁，周羽生，邝江华，彭琢. 输电线路除冰技术的研究[J]. 防灾科技学院学报,2008.9, V01．10 No．3:P33-37.
（10）Serge Jourden. De—leer Installation at Lrvis Substation on Hydro Qurbec’s High Voltage System[J].SOUTHERN POWER SYSTEM TECHNOLOGY，20099，Vol.3 No.1：P1-6.
（11）濮良贵，纪名刚. 机械设计[M]. 北京:高等教育出版社，2002.
（12）张红先，李波，方针. 2008年湖南电网冰灾中技术措施的应用效果分析[J]. 湖南电力,2008,Vol.3 No.3:P10-16

毕业设计应完成的主要工作：
1、除冰机器人的控制设计电路图四张。
2、除冰机器人的控制设计设计说明书一份6000字。
5、外文资料翻译不少于3000字。
毕业设计进度安排：
序号毕业设计各阶段内容时间安排备注
1 选题，熟悉课题，搜集相关资料 2010.12.1-2010.12.16
2 资料翻译，设计加工工艺规程 2011.01.17-2011.01.28
3 完成设计过程中的参数计算 2011.02.21-2011.03.21
4 进行初步设计，及设计说明书的初稿 2011.03.22-2011.04.01
5 除冰机器人控制设计（电路图） 2011.04.02-2011.04.10
6 确定说明书及相关文案的修改 2011.04.11-2011.04.20
7 整理相关资料，准备答辩 2011.04.21-2011.05.10

开题报告

毕业设计题目除冰机器人的控制仿真设计
一、设计的目的
目前机器人在高压输电线路上的应用主要是线路巡检。而对线路除冰的应用还鲜有研究。如今对输电线路实施除冰是防止冰灾的有效途径，如何具体的除冰方法则应用了除冰机器人，除冰机器人造价低，工作效率高，安全可靠，能够实现在线除冰作业，不影响电力的输送，是一项很有发展前景的课题。
二、设计的意义
为了保证电力系统的可靠性，提高高压输电线除冰的效率，减少损失，维护工人的安全，开发一种可以替代或部分替代工人进行除冰作业的新型设备一直是国内外相关研究的热点。因此，研制安全有效的除冰机械以代替人进行导线除冰具有较好的应用前景和实用意义。。
三、设计的研究现状
在国外，一些国家的地理与气候情况与我国相似，甚至一些国家的情况更加恶劣，为了保证电力系统的可靠性，提高高压输电线除冰的效率，减少损失，维护工人的安全，开发一种可以替代或部分替代工人进行除冰作业的新型设备一直是国内外相关研究的热点．因此，研制安全有效的除冰机械以代替人进行导线除冰具有较好的应用前景和实用意义。
全球气候正经历以变暖为主要特征的变化，气候变暖导致“厄尔尼诺”和“拉尼娜”等极端天气气候事件的频率与强度明显增加，输电线路所处地质条件复杂，容易遭受冰灾等极端天气的影响，目前国内外对已多次发生的输电线路冰灾事故进行了相关的研究。袭击湖南的持续低温、雨雪、冰冻天气过程来I临之前，湖南温度偏高、空气干燥。湖南东、南、西部三面环山，向中部、北部过渡为丘陵和平地，冷空气袭击湖南后，湖南降温迅速，冷暖空气交汇形成的锋面逆温强度大，加上湖南北低南高的地势使逆温层得以加强，地势陡增处南下冷空气因推进受阻而徘徊驻留，随着暖湿气流不断补充，易形成长时间降雨、冰冻，形成持续的雨凇。由于降温迅速，湘西高海拔山区和纬度较高的湘北地区地表气温低，但降水主要集中在湘南、湘中、湘东，且停留时间较长，导致湘南、湘中、湘东冰冻灾害强于湘北和湘西高海拔山区。湖南电网冰冻灾害是在大尺度天气形势控制下形成的，拉尼娜现象起到推波助浪的作用，冰冻灾害受损范围与程度具有较强的微地形影响特征。长时间的低温(0~﹣5℃)、降水过程为覆冰提供了适宜条件。受冷暖空气共同影响，湖南从01-11／02-07，共出现4次明显的雨雪天气过程，这次持续时间长的冻雨和冰冻天气给湖南电网带来了灾难性的影响。湖南省电力公司500 kV线路33条有14条线路倒塔182基，变形75基，导线断线或受损159处，地线断线或受损322处；220 kV有44条线路倒塔679基，110 kV有121条倒塔1864基；≤35 kV高压线路倒杆6万4千多基，发生断线超过5万处；低压线路倒杆断杆33万多基，断线近37万处，在整个冰冻期间，发生了多次电网解裂和衡阳、郴州等地区大面积停电事故，使湖南电网受了有史以来最严峻的威胁，直接经济损失数10亿元。
四、设计研究方案
1、关节控制
2、笛卡尔空间运动控制和自适应控制
3、点位控制和连续轨迹控制
4、速度控制、加速度控制、力控制
五、设计进度安排
1、选题，熟悉课题，搜集相关资料 2010.12.1-2010.12.16
2、资料翻译，设计加工工艺规程 2011.01.17-2011.01.28
3、完成设计过程中的参数计算 2011.02.21-2011.03.21
4、进行初步设计，及设计说明书的初稿 2011.03.22-2011.04.01
5、除冰机器人控制设计（电路图） 2011.04.02-2011.04.10
6、确定说明书及相关文案的修改 2011.04.11-2011.04.20
7、整理相关资料，准备答辩 2011.04.21-2011.05.10
六、毕业设计应完成的主要工作
1、除冰机器人的控制设计电路图四张。
2、除冰机器人的控制设计设计说明书一份6000字。
5、外文资料翻译不少于3000字。
七、毕业设计主要参考资料
（1）张屹，邵威，高虹亮，罗成. 高压输电线路除冰机器人的机构设计[J].三学大学学报，2008.12，Vol.30 No.6：P69-72.
（2）高虹亮，孟遂民，罗成，马小强.架空输电线路除冰机器人的结构设计[J].电力建设，2009.3，Vol.30 No.3：P93-96.
（3）甘辰予，陈劲生.LEGO 智能除冰机器人的设计[J].大众科技，2009.10，No.10.
（4）蒋正龙，陆佳政，雷红才，黄福勇. 湖南2008年冰灾引起的倒塔原因分析[J].高电压技术，2008.11，Vol.34 No.11：P2468-2474.
（5）吴功平，肖晓晖，肖华，戴锦春，鲍务均，胡杰. 架空高压输电线路巡线机器人样机研制[J].电力系统自动化，2006.7.10，Vol.30 No.13：P90-107.
（6）张运楚，梁自泽，谭民. 架空电力线路巡线机器人的研究综述[J].机器人，2004.9，Vol.26 No.5:P467-473.
（7）许源刘人玮李军. 湖南电网防冻融冰体系改革之探讨[J].2003,Vol.23 No.5:P24-27.
（8）李红旗，陈志高，于钦刚，李翔，陈懿夫. 输电线路机械除冰技术研究[J].自然灾害对电力设施的影响与应对研讨会2008.5,Vol.23 No.5:P24-27
（9）李宁，周羽生，邝江华，彭琢. 输电线路除冰技术的研究[J]. 防灾科技学院学报,2008.9, V01．10 No．3:P33-37.
（10）Serge Jourden. De—leer Installation at Lrvis Substation on Hydro Qurbec’s High Voltage System[J].SOUTHERN POWER SYSTEM TECHNOLOGY，20099，Vol.3 No.1：P1-6.
（11）濮良贵，纪名刚. 机械设计[M]. 北京:高等教育出版社，2002.
（12）张红先，李波，方针. 2008年湖南电网冰灾中技术措施的应用效果分析[J]. 湖南电力,2008,Vol.3 No.3:P10-16

除冰机器人的设计
摘要
随着科技的发展，机器人技术也越来越普及。在各个领域的发展到一定阶段，机器也开始代替人的工作，对那些具有安全隐患的工作也是机器人应用最多的地方，如今西南地区随着天气的影响对输电线的破坏也越来越加重，本次设计是针对这种情况设计一种专门除冰的一种机器人，通过对内部的控制设计达到对机械的操作，进而达到除冰的效果。在根据运动学仿真，验证了动作规划的合理性。接下来，用Lagrange法建立了机器人的多刚体系统动力学模型，推导了机器人逆动力学方程的求解算法，并结合机器人的虚拟样机，并且考虑导线的柔性，对除冰机器人单臂越障的过程进行了仿真，根据结果，为除冰机器人最薄弱的关节选择了合适和电机，验证了除冰机器人本体结构设计的可行性。最后，研究了柔性导线的悬挂形状，并用Lagrange方程建立了机器人的刚柔耦合动力学模型，在ADAMS中用除冰机器人的虚拟样机模型和导线的柔性模型进行了仿真，得到机器人运动与导线变形间耦合特性。验证了即使在考虑导线柔性的情况下，因此，研制安全有效的除冰机械以代替人进行导线除冰具有较好的实用意义。
关键词：除冰机器人；运动学；多刚体动力学；刚柔耦合动力学

Abstract
With the development of science and technology, robotics is becoming increasingly popular. In various fields of development to a certain stage, machines began to replace the work of a place where most work is also a robot application security risks, and now the southwest with the weather damage to the transmission line more and more aggravated this design is a specialized de-icing for this case to design a robot, and internal control designed to meet the operation of machines, thus achieving the effect of de-icing.kinematics simulation to verify the rationality of the action plan. Next, using the Lagrange method, the robot's multi-body dynamics model, the derivation of the algorithm of the robot inverse dynamics equations, combined with the virtual prototype of the robot, and to consider the flexibility of the wire de-icing robot single arm the more impaired the process of simulation, based on the results, the weakest de-icing robot joints to choose the right motor, verify the feasibility of de-icing design of the robot body structure. Finally, flexible wire hanging shape, and the Lagrange equations of the robot rigid-flexible coupling dynamic model, a flexible model of the virtual prototype model of the robot in ADAMS using de-icing and wire were simulated to get the robot motion coupling between the wire deformation features.verified even in the wire flexible, so the development of safe and effective de-icing machines to replace human conductors de-icing has practical significance.
Key words：Deicing robot; kinematics; multi-body dynamics; rigid-flexible coupling dynamics

目录
摘要 1
1 引言 1
1.1 除冰机器人的研究 1
1.2 研究现状 1
1.3工业机器人的控制系统的分类 2
2控制系统的设计 3
2.1 工作电源及控制系统 3
2.2 传感器的应用 4
2.2.1 温度传感器 4
2.2.2 光照传感器 5
2.3 单片机的选用及硬件设计 5
2.4 8255A芯片与AT89C51接口电路设计 7
2.5时钟电路的设计 8
2.6 ADC0809引脚配置及其接口电路设计 9
3指令系统编程 11
3.1运动及轴的指令系统 11
3.2 输入/输出指令说明或编程 12
3.2.1程序循环和结构循环 12
3.2.2恒量 14
3.3轴参数说明和编程 14
4除冰机器人的运动模块 16
4.1无线传输模块 16
4.2 测控系统 17
4.3控制功能模块 18
4.4 系统软件的设计 20
4.5 系统监控程序设定 22
参考文献 24
致谢 25
附录 26

内容简介：: 1 2 3 4 5 6 7 8 2D 4G N E R 2 0 0 0P T R 1P T R 2 0 0 01 23 45 67 89 1 01 1 1 21 3 1 4J P 1H e a d e r 7 X 2X T A L 11 9X T A L 21 8R S E A L E P 1 . 0 / T 21P 1 . 1 / T 2 E . 23P 1 . 34P 1 . 45P 1 . 56P 1 . 67P 1 . 78P 3 . 7 / R P 3 . 6 / W P 3 . 5 / T 11 5P 3 . 4 / T 01 4P 3 . 3 / I N T 11 3P 3 . 2 / I N T 01 2P 3 . 1 / T X P 3 . 0 / R X P 2 . 72 8P 2 . 62 7P 2 . 52 6P 2 . 42 5P 2 . 32 4P 2 . 22 3P 2 . 12 2P 2 . 02 1P 0 . 73 2P 0 . 63 3P 0 . 53 4P 0 . 43 5P 0 . 33 6P 0 . 23 7P 0 . 13 8P 0 . 03 9U 4S T 8 9 C 5 212Y 1X T A M h 3 0 p 3 0 p 2 2 u 复位R 31 2 0 0+ C 11 6 V / 2 2 0 u 0 . 1 u 1 S W I T C L E P U T P U L M 7 8 0 5 - 5 0 . 1 u F+ 1 2 V + 5 部分+ 5 2G N D S 1 8 B 2 0R 64 . 7 K+ 5 5 L C D 1 6 0 2P 0 0P 0 1P 0 2P 0 3P 0 4P 0 5P 0 6P 0 7P 2 4P 2 5P 2 6P 2 75 11 2 N 3 9 0 6+ 5 4 7 2P 2 7L 13 3 0 m 1 0 u 0 . 1 u F+ 5 02 6I N 12 7I N 22 8I N 31I N 42I N 53I N 64I N 75A D D A D D A D D A L V r e f +1 2V r e f V C G N O T 81 7O U T 71 4O U T 61 5O U T 58O U T 41 8O U T 31 9O U T 22 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40线双列直插式封装，具体配置如图 3所示。各引脚功能分述如下 : 数据总线 (8条 )于传送 255A 间的数据、命令和状态字。控制总线 (6条 )电平有效。电平有效。若为高电平，则 8255为低电平有效。 255为低电平(，则所选 8255于选中行 I/ 8位 )源线 (两条 )5许变化 10%，除冰机器人 8255 除冰机器人时钟电路以用作里系统时钟选用内部方式，因为这种方式结构紧凑、成本低廉、可靠性高。过入端 )、出端 )外接作为反馈元件的片外石英晶体 (或陶瓷谐振器 )和电容而利用部的振荡器产生时钟，其中晶体呈感性，其决定着振荡器的振荡频率 ;电容路中反馈元件选用石英晶体，电容 2均为 30容的安装位置应尽量靠近单片机。除冰机器人位芯片内置有多路模拟开关以及通道地址译码和锁存电路，因此能够对多路模拟信号进行分时采集与转换。位逐次比较式 A/28引脚，双列直插封装，具有地址锁存控制的 8路模拟开关，应用单一 +5模拟输入电压范围为 O +5V，对应的转换数字量为 00H 换时间为 1须调零或调整满量程。因此能够实现 8路模拟信号的分时采集和转换 (每个瞬间只能转换一路 )，转换后的数据送入三态输出数据锁存器。 A/路模拟量分时输入，共用一个 A/ A、 B、最低位除冰机器人 A/样是使模拟信号在时间上离散化，量化及编码是把采样后的值按比例变换成相应的二进制数码。如 8位 A/ 5过数字量的运算比较的结果实现对模拟量的测量及控制。除冰机器人图 2除冰机器人除冰机器人的位置运动除冰机器人的运动即是除冰机器人的正逆运动。当已知所有的关节变量时，可用正运动学来确定机器人末端的位姿。如果要使机器人末端放在特定的点上并且具有特定的姿态，可用逆运动学来计算出每一关节变量的值。首先利用矩阵建立物体、位置、姿态以及运动的表示方法，然后研究直角坐标型、圆柱坐标型以及球坐标型等不同构型机器人的正逆运动学，最后利用示法来推导机器人所有可能构型的正逆运动学方程。除冰机器人刚体的运动表示一个物体在空间的表示可以这样实现：通过在它上面固连一个坐标系，再将该固连的坐标系在空间表示出来。由于这个坐标系一直固连在该物体上，所以该物体相对于坐标系的位姿是已知的。因此，只要这个坐标系可以在空间表示出来，那么这个物体相对于固定坐标系的位姿也就已知了。空间坐标系可以用矩阵表示，其中坐标原点以及相对于参考坐标系的表示该坐标系姿态的三个向量也可以由该矩阵表示出来。除冰机器人绕轴旋转表示为简化绕轴旋转的推导，首先假设该坐标系位于参考坐标系的原点并且与之平行，之后将结果推广到其他的旋转以及旋转的组合。假设系统坐标系位于参考坐标系的原点，系统坐标系绕参考坐标系的假设旋转坐标系上有一点，相对于运动坐标系的坐标为 B。当坐标系绕标系上的点旋转之前，时两个坐标系位置相同，并且相互平行）。旋转后，该点坐标在旋转坐标系（ x ,y ,z）中保持不变，但在参考坐标系中却改变了。现在要求找到运动坐标系旋转后为运动坐标除冰机器人正逆运动方程本次设计的机器人，即它的所有连杆长度和关节角度都是已知的，那么计算机器人夹点的位姿就称为正运动学分析。换言之，如果已知所有机器人关节变量，用正运动学方程就能计算任一瞬间机器人的位姿。然而，如果想要将机器人的夹点放在一个期望的位姿，就必须知道机器人的每一个连杆的长度和关节的角度，才能将夹点定位在所期望的位姿，这就叫做逆运动学分析，也就是说，这里不是把已知的机器人变量代入正向运动学方程中，而是要设法找到这些方程的逆，从而求得所需的关节变量，使机器人放置在期望的位姿。事实上，逆运动学方程更为重要，机器人的控制器将用这些方程来计算关节值，并以此来运行机器人到达期望的位姿。致谢四年的本科学习生涯即将结束 ,在本人做毕业设计中，得到了我的指导老师杨义勇的悉心指导和无私帮助。他严谨的治学态度和谦和的为人给我留下了深刻的印象。在我的课题调研和设计阶段，虽然杨老师公务繁忙，教学任务重。依然对我的设计工作悉心指导，对我的开题方向和研究内容做了大量的工作。最后我要深深地感谢我的家人，正是他们含辛茹苦地把我养育成人，在生活和学习上给予我无尽的爱、理解和支持，才使我时刻充满信心和勇气，克服成长路上的种种困难，顺利的完成大学学习。中国地质大学长城学院毕业设计任务书学生姓名李金泽学号 05208327 班级机制三班指导教师杨义勇职称教授单位中国地质大学长城学院毕业设计题目除冰机器人的控制仿真设计毕业设计主要内容和要求： 1、内容：如今对输电线路实施除冰是防止冰灾的有效途径，如何具体的除冰方法则应用了除冰机器人，除冰机器人造价低，工作效率高，安全可靠，能够实现在线除冰作业，不影响电力的输送，是一项很有发展前景的课题。 2、要求：（ 1）关节控制（ 2）笛卡尔空间运动控制和自适应控制（ 3）点位控制和连续轨迹控制（ 4）速度控制、加速度控制、力控制毕业设计主要参考资料：（ 1）张屹，邵威，高虹亮，罗成 . 高压输电线路除冰机器人的机构设计 J（ 2）高虹亮，孟遂民，罗成，马小强 J（ 3）甘辰予，陈劲生能除冰机器人的设计 J（ 4）蒋正龙，陆佳政，雷红才，黄福勇 . 湖南 2008 年冰灾引起的倒塔原因分析 J（ 5）吴功平，肖晓晖，肖华，戴锦春，鲍务均，胡杰 . 架空高压输电线路巡线机器人样机研制 J（ 6）张运楚，梁自泽，谭民 . 架空电力线路巡线机器人的研究综述 J467（ 7）许源刘人玮李军 . 湖南电网防冻融冰体系改革之探讨 J24（ 8）李红旗，陈志高，于钦刚，李翔，陈懿夫 . 输电线路机械除冰技术研究 J24 9）李宁，周羽生，邝江华，彭琢 . 输电线路除冰技术的研究 J. 防灾科技学院学报 ,10 3:（ 10） s 20099，（ 11）濮良贵，纪名刚 . 机械设计 M. 北京 :高等教育出版社， 2002. （ 12）张红先，李波，方针 . 2008 年湖南电网冰灾中技术措施的应用效果分析 J. 湖南电力 ,2008,10毕业设计应完成的主要工作： 1、除冰机器人的控制设计电路图四张。 2、除冰机器人的控制设计设计说明书一份 6000 字。 5、外文资料翻译不少于 3000 字。毕业设计进度安排：序号毕业设计各阶段内容时间安排备注 1 选题，熟悉课题，搜集相关资料 2 资料翻译，设计加工工艺规程 3 完成设计过程中的参数计算 4 进行初步设计，及设计说明书的初稿 5 除冰机器人控制设计（电路图） 6 确定说明书及相关文案的修改 7 整理相关资料，准备答辩课题信息：课题性质：设计论文课题来源：教学科研生产其它发出任务书日期：指导教师签名：年月日教研室意见：教研室主任签名：年月日学生签名：中国地质大学长城学院本科毕业论文外文资料翻译系别：工程技术系专业：机械设计制造及其自动化姓名：李金泽学号： 05208327 2012 年 5 月 4 日 2 外文资料翻译译文机器人学是近几十年来迅速发展起来的一门综合学科。它集中了机械工程、电子工程、计算机科学、自动控制以及人工智能等多种学科的最新研究成果，体现了光机电一体化技术的最新成就，是当代科学技术发展最活跃的领域之一，也是我国科技界跟踪国际高技术发展的重要课题。 “机械手”（多数指附属于主机、程序固定的自动抓取、操作装置（国内一般称作机械手或专用机械手）。如自动线、自动机的上下料，加工中心的自动换到的自动化装置。随着现代科学技术的发展，机械手的应用也越来越广泛。在机械工业中，大量应用于铸、锻、焊、冲、热处理、机械加工以及装配等工种。在其他部门，如轻工业、建筑业、国防工业等工种中也均有应用。在机械工业中，应用机械手的意义可以概括如下： (1)可以提高生产过程的自动化程度。应用机械手有利于在自动生产线中实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换、以及机器的装配等的自动化程度，从而提高劳动生产率，降低生产成本。 (2)可以改善劳动条件，避免人身事故。在高温、高压、低温、低压、噪声、臭味、有放射性物质的环境场合，用人手直接操作是很危险的甚至是不可能的。而应用机械手即可部分或者全部代替人完成作业，使劳动条件得以改善。 (3)可以减少人力，并便于有节奏的生产。应用机械手代替人手进行作业，这是直接减少人力的一个侧面，同时应用机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一方面。因此，在自动化机床和综合加工自动线上，目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的生产。 (4)用液压系统来控制机械手，比一般的机械控制具有更好的稳定性，并且控制的精确度更高。 (5)运用机械手可以实现连续的生产，而大大提高在生产线的工作的时间，从而能大幅提高劳动的生产率。综上所述，有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋势。专用机械手经过几十年的发展，如今已进入了以通用机械手为标志的时代。通用机械手可以应用于更加多的场合，从而节约了不少的开发以及设计的成本。由于通用机械手的发展，进而促进了智能机器人的研制。通用机械手涉及的内容，不仅包括一般的机械、液压、气动等基础知识，而且还应用了一些电子技术、电视技术、通讯技术、计算技术、无线电控制、仿生学等，因此它是一项综合性较强的技术。目前国内外对发展这一技术都很重视。几十年来，这项技术的研究和发展一直比较活跃，设计在不断的修改，品种在不断的增加，应用领域在不断的扩大。虽然在这方面相对于发达国家还有点落后，但是国内现在也越来越感觉到机械手的重要性，国家大力支持相关的设计及产品的开发。在机器人的发展以及机械手的设计上也取得了一定的成果，国内每年都将举行机器人大赛，以增加研发单位的交流与合作。 3 (1)研制有更多自由度的液压机械手，这样机械手就可以变得更加的灵活，从而完成更加多的动作。 (2)研制带有行走机构的机械手，这种机械手可以从一个工作地点移动到另一个工作地点。 (3)研制维修维护方便的通用机械手。 (4)研制能自动编制和自动改变程序的通用机械手。 (5)研制具有一定感触和一定智力的智能机械手。这种机械手具有各种传感装置，并配有计算机。根据仿生学的理论，用计算机充当其大脑，使它进行思考和记忆。用听筒和声敏元件作为耳朵能听，用扬声器作为嘴能说话进行应答，用热电偶和电阻应变仪作为触觉和感触。用滚轮或者双足式机构脚来实现自动移位。这样的智能机械手可以由人的特殊语言对其下达命令，布置任务，使自动化生产线成为智能化生产线。 (6)机械手的外观达到美观的要求，尽量用最简单的结构和设备能完成更加多的动作 (7)研制具有柔性系统的通用机械手目前，在国外广泛应用的再现式通用机械手，虽然一般也都有记忆装置，但其程序都是预先编好的，或由人在工作之前领动一次，而后机械手可以按领动的工作内容正确进行再现动作。如果把这种再现式通用机械手称为第二代机械手的话，那么现在处于研制阶段的智能机械手就是第三代了。现在研究的机械手正在朝着一种可以存储大量的程序的并且可以改变并重新写入程序的方向发展，而且机械手具有比原来的更多的自由度。现在国内具有越来越强的自主研发的单位，我相信在不久的将来，我国一定能够赶上并将且超越发达国家在机械手乃至整个机械方面处于领先地位。它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。夹持式是最常见的一种，其中常用的有两指式、多指式和双手双指式 :按手指夹持工件的部位又可分为内卡式 (或内涨式 )和外夹式两种 :按模仿人手手指的动作，手指可分为一支点回转型，二支点回转型和移动型 (或称直进型 )，其中以二支点回转型为基本型式。当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时，就变成了一支点回转型手指 ;同理，当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时，就成为移动型。回转型手指开闭角较小，结构简单，制造容易，应用广泛。移动型应用较少，其结构比较复杂庞大，当移动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位置，能适应不同直径的工件。具有足够的握力 (即夹紧力 )在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。手指间应具有一定的开闭角。两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开，若夹持不同直径的工件，应按最大直 4 径的工件考虑。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。保证工件准确定位，为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带“ V”形面的手指，以便自动定心。具有足够的强度和刚度手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，但应尽量使结构简单紧凑，自重轻，并使手部的中心在手腕的回转轴线上，以使手腕的扭转力矩最小为佳。应考虑被抓取对象的要求 (1)抓取形状手指形状应根据工件形状而设计。如工件为圆柱形则采用“ V”形手指；圆球状工件用圆弧形三指手指，方料用平面形手指，细丝工件用尖指勾形或细齿钳爪手指。总之应根据工件形状来选定手指形状。 (2)抓取部位抓取部位的尺寸尽可能是不变的若加工后尺寸有变化，手指应能适应尺寸变化的要求，否则不允许定为抓取部位。对于工件表面质量要求高的，抓取时尽量避开高质量表面或在手指上加软质垫片 (如橡皮抱沫塑料石棉衬垫等 )，以防夹持时损坏工件。 (3)抓取数量若用一对手指抓取多个工件，为了不发生个别工件的松动或脱落现象，在手指上可增加弹性衬垫，如橡皮、泡沫、塑料等，对于较长工件可采用双指或多指抓取。应考虑手指的多用性手指是专用性较强的部件，为适应小批量多品种工件的不同形状和尺寸的要求，可制成组合式的手指，对于这种手指要求结构简单，安装维修方便，更换迅速和准确，以便扩大机械手的使用范围。目前国内工业机械于主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面，数量、品种、性能方面都不能满足工业生产发展的需要。因此，国内主要是逐步扩大机械手应用范围，重点发展铸锻、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件。在应用专用机械手的同时，相应地发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合式机械手等。将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，以及适于不同类型的夹紧机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不用的典型部件，即可组成各种不同用途的机械手。既便于设计制造，又便于改换工作，扩大了应用的范围。同时要提高精度，减少冲击，定位精确，以更好地发挥机械手的作用。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能地机械手，并考虑于计算机联用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。在国外机械制造业中，工业机械手应用较多，发展较快。目前主要用于机床、模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业中，它可按照事先制定的作业程序完成规定的操作，但是还不具备任何传感反馈能力，不能应付外界的变化。如发生某些偏离时，就将引起零部件甚至机械手本身的损坏。为此，国外机械手的发展趋势是大力研制具有某 5 些智能的机械手，使其拥有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，做出相应的变更。如位置发生稍些偏差时，即能更正，并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪（即距离传感器）以及卫星计算机。工作时，电视照相机将物体形象变成视频信号，然后传送给计算机，以便分析物体的种类、大小、颜色和方位，并发出指令控制机械手进行工作。触觉功能即在机械手上安装有触觉反馈控制装置。工作时机械手先伸出手指寻找工件，通过装在手指内的压力敏感元件产生触感作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小可通过装在手指内侧的压力敏感元件来控制，达到自动调整握力的大小。总之，随着传感技术的发展，机械手的装配作业的能力将进一步提高。到 1995 年，全世界约有 50%的汽车由机械手装配。现今机械手的发展更主要的是将机械手和柔性制造系统以及柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。 6 外文原文 is in of It on so on of of to of is of is of to ( : to to or a . as to of is in a of of In as In of of be as (1) of of is in to as as (2) In is of be or to so be (3) is of of is at of it is to 7 at in to of (4) a to (5) a To of is of of of a of be to a of of of of so so it is a At to of in a of in to is a of of of In of s in to & D in 1) a of (2) a be to of (3) of of (4) be 8 (5) a of a of is a to of to as it as as a of as or to be of to (6) to to (7) of of t in in or by be to If is of in of is of is a a of of I in be to up in a It is of is by is is of a of is of a is of be or by 9 be a or , to a a is is is do to of in of be in or of to or a of of is or if of of be To to is to to V of so by by in of to or to a at of so be an (1) to of as V to a or In be on of 10 to (2) is as If be to to of as as to or on a as , to to (3) if a of a of in to or as be or be to of he to to of in be a of of so as to of of At in of of of is to of on of in to In of at of a to of as is of as a to be of a of of of At to 11 to of It be on as as of in a is of In is At it be in to of of to in As of it to is of of a as on of in is a a TV to is to in to an to in is on to by in a to to be on a to to of In of be 995, 0% of s by of is so as to of 中国地质大学长城学院本科毕业设计题目除冰机器人的控制仿真设计系别工程技术系专业机械设计制造及其自动化学生姓名李金泽学号 05208327 指导教师杨义勇职称教授 2012 年 05 月 01 日中国地质大学长城学院毕业设计开题报告学生姓名李金泽学号 05208327 专业班级机制三班指导教师杨义勇职称教授单位中国地质大学长城学院课题性质设计论文课题来源科研教学生产其它毕业设计题目除冰机器人的控制仿真设计一、设计的目的目前机器人在高压输电线路上的应用主要是线路巡检。而对线路除冰的应用还鲜有研究。如今对输电线路实施除冰是防止冰灾的有效途径，如何具体的除冰方法则应用了除冰机器人，除冰机器人造价低，工作效率高，安全可靠，能够实现在线除冰作业，不影响电力的输送，是一项很有发展前景的课题。二、设计的意义为了保证电力系统的可靠性，提高高压输电线除冰的效率，减少损失，维护工人的安全，开发一种可以替代或部分替代工人进行除冰作业的新型设备一直是国内外相关研究的热点。因此，研制安全有效的除冰机械以代替人进行导线除冰具有较好的应用前景和实用意义。。三、设计的研究现状在国外，一些国家的地理与气候情况与我国相似，甚至一些国家的情况更加恶劣，为了保证电力系统的可靠性，提高高压输电线除冰的效率，减少损失，维护工人的安全，开发一种可以替代或部分替代工人进行除冰作业的新型设备一直是国内外相关研究的热点因此，研制安全有效的除冰机械以代替人进行导线除冰具有较好的应用前景和实用意义。全球气候正经历以变暖为主要特征的变化，气候变暖导致“厄尔尼诺”和“拉尼娜”等极端天气气候事件的频率与强度明显增加，输电线路所处地质条件复杂，容易遭受冰灾等极端天气的影响，目前国内外对已多次发生的输电线路冰灾事故进行了相关的研究。袭击湖南的持续低温、雨雪、冰冻天气过程来 I 临之前，湖南温度偏高、空气干燥。湖南东、南、西部三面环山，向中部、北部过渡为丘陵和平地，冷空气袭击湖南后，湖南降温迅速，冷暖空气交汇形成的锋面逆温强度大，加上湖南北低南高的地势使逆温层得以加强，地势陡增处南下冷空气因推进受阻而徘徊驻留，随着暖湿气流不断补充，易形成长时间降雨、冰冻，形成持续的雨凇。由于降温迅速，湘西高海拔山区和纬度较高的湘北地区地表气温低，但降水主要集中在湘南、湘中、湘东，且停留时间较长，导致湘南、湘中、湘东冰冻灾害强于湘北和湘西高海拔山区。湖南电网冰冻灾害是在大尺度天气形势控制下形成的，拉尼娜现象起到推波助浪的作用，冰冻灾害受损范围与程度具有较强的微地形影响特征。长时间的低温 (05 )、降水过程为覆冰提供了适宜条件。受冷暖空气共同影响，湖南从 0102出现 4 次明显的雨雪天气过程，这次持续时间长的冻雨和冰冻天气给湖南电网带来了灾难性的影响。湖南省电力公司 500 路 33 条有 14 条线路倒塔 182 基，变形 75 基，导线断线或受损 159 处，地线断线或受损 322 处； 220 44 条线路倒塔 679 基， 110 121 条倒塔 1864 基； 35 压线路倒杆 6 万 4 千多基，发生断线超过 5 万处；低压线路倒杆断杆 33 万多基，断线近 37 万处，在整个冰冻期间，发生了多次电网解裂和衡阳、郴州等地区大面积停电事故，使湖南电网受了有史以来最严峻的威胁，直接经济损失数 10 亿元。四、设计研究方案 1、关节控制 2、笛卡尔空间运动控制和自适应控制 3、点位控制和连续轨迹控制 4、速度控制、加速度控制、力控制五、设计进度安排 1、选题，熟悉课题，搜集相关资料、资料翻译，设计加工工艺规程、完成设计过程中的参数计算、进行初步设计，及设计说明书的初稿、除冰机器人控制设计（电路图）、确定说明书及相关文案的修改、整理相关资料，准备答辩、毕业设计应完成的主要工作 1、除冰机器人的控制设计电路图四张。 2、除冰机器人的控制设计设计说明书一份 6000 字。 5、外文资料翻译不少于 3000 字。七、毕业设计主要参考资料（ 1）张屹，邵威，高虹亮，罗成 . 高压输电线路除冰机器人的机构设计 J（ 2）高虹亮，孟遂民，罗成，马小强 J（ 3）甘辰予，陈劲生能除冰机器人的设计 J（ 4）蒋正龙，陆佳政，雷红才，黄福勇 . 湖南 2008 年冰灾引起的倒塔原因分析 J（ 5）吴功平，肖晓晖，肖华，戴锦春，鲍务均，胡杰 . 架空高压输电线路巡线机器人样机研制 J（ 6）张运楚，梁自泽，谭民 . 架空电力线路巡线机器人的研究综述 J467（ 7）许源刘人玮李军 . 湖南电网防冻融冰体系改革之探讨 J24 （ 8）李红旗，陈志高，于钦刚，李翔，陈懿夫 . 输电线路机械除冰技术研究 J24 9）李宁，周羽生，邝江华，彭琢 . 输电线路除冰技术的研究 J. 防灾科技学院学报 ,10 3:（ 10） s 20099，（ 11）濮良贵，纪名刚 . 机械设计 M. 北京 :高等教育出版社， 2002. （ 12）张红先，李波，方针 . 2008 年湖南电网冰灾中技术措施的应用效果分析 J. 湖南电力 ,2008,10导教师意见：指导教师签名：年月日教研室意见：审查结果：同意不同意教研室主任签名：年月日中国地质大学长城学院本科毕业设计（论文）文献综述系别：工程技术系专业：机械设计制造及其自动化姓名：李金泽学号： 05208327 2012 年 3 月 1 日 2 1 引言最近，全球内带有多指机械手或机器人系统已经发展起来了，多种方法应用其上，有拟人化和非拟人化的，不仅调查了这些系统的机械结构，而且还包括其必要的控制系统，如同人手一样，这些机械人系统可以用它们的手去抓不同的物体，而且不用改换夹子，这些机械手具备特殊的运动能力比如小质量和小惯量，这使被抓物体在机械手的工作范围内做更复杂、更精确的操作变得可能这些复杂的操作被抓物体绕任意角度和轴旋转。本文概述了这种机械手的一般设计方法，同时给出此类机械手的一个示例，如卡尔斯鲁灵巧手。本文末介绍了一些新的构想，如利用液体驱动器为类人型机器人设计一个全新的机械手。 2010 年 7 月在德国卡尔斯鲁厄开展的“人形机器人”特别研究，是为了开发在正常环境如厨房或客厅下能够和人类合作和互动的机器人系统。设计这些机器人系统是为了能够在非专业、非工业的条件下如身处多物之中，帮我们抓取不同大小、形状和重量的物体。同时，它们必须能够精细的操纵被抓物体。这种极强的灵活性只能通过一个适应性极强的机械人手抓系统来获得，即所谓的多指机械手或机器人。上文提到的研究项目，就是要制造一个人形机器人，此机器人将装备这种机器人手系统。这个新手将有两个机构合作制造，它们是卡尔斯鲁厄大学的程控制和机器人技术研究院）和司（计算机应用科学研究院）。这两个组织都有制造此种系统的相关经验，但是稍有不同的观点。造的卡尔斯鲁厄灵巧手，是一个四指相互独立的手爪，我们将在此文中详细介绍。造的手是作为残疾人的假肢。 2 结构设计结构设计将对机械手的灵活度起很大的作用，即它能抓取何种类型的物体以及能对被抓物体进行何种操作。设计一个机器人手的时候，必须确定三个基本要素：手指的数量，手指的关节数量，手指的尺寸和安置位置。为了能够在机械手的工作范围内安全的抓取和操作物体，至少需要 3根手指。为了能够对被抓物体的操作获得 6 个自由度（ 3 个平移和 3 个旋转自由度），每个手指必须具备 3 个独立的关节。这种方法在第一代卡尔斯鲁厄灵巧手上被采用过。但是，为了能够重抓一个物体而无需将它先释放再拾取的话，至少需要 4 根手指。要确定手指的尺寸和安置位置，可以采用两种方法：拟人化，非拟人化。然后将取决于被操作的物体以及选择何种期望的操作类型。拟人化的安置方式很容易从人手到机器人手的转移抓取意图。但是每个手指不同的尺寸和不对称的安 3 置位置将增加加工费用，并且使控制系统变得更加复杂，因为每个手指都必须分别加以控制。对于相同手指的对称布置，常采用非拟人化方法。因为只需加工和构建单一的“手指模块”，因此可减少加工费用，同时也可使控制系统简化。关节的驱动器对手的灵活度也有很大的影响，因为它决定潜在的力量、精度及关节运动的速度。机械运动的两个方面需加以考虑：运动来源，运动方向。在这方面，文献里描述了有几种不同的方法，如文献 3中说运动可由液压缸或气压缸产生，或者正如大部分情况一样使用电动马达。在大多数情况下，运动驱动器（如电动机）太大而不能直接与相应的指关节结合在一起，因此，这个运动必须由驱动器（一般位于机器臂最后的连接点处）转移过来。有几种不同的方法可实现这种运动方式，如使用键、传动带以及软轴。使用这种间接驱动指关节的方法，或多或少地降低了整个系统的强度和精度，同时也使控制系统复杂化，因为每根手指的不同关节常常是机械地连在一起，但是在控制系统的软件里却要将它们分别独立控制。由于具有这些缺点，因此小型化的运动驱动器与指关节的直接融合就显得相当必要。 3卡尔斯鲁厄灵巧手的机械系统机器手的传感系统可将反馈信息从硬件传给控制软件。对手指或被抓物体建立一个闭环控制系统是很必要的。在机器手中使用了 3 种类型的传感器：手爪状态传感器确定指关节和指尖的位置以及手指上的作用力情况。知道了指尖的精确位置将使精确控制变得可能。另外，知道手指作用在被抓物体上的力，就可以抓取易碎物件而不会打破它。抓取状态传感器提供手指与被抓物体之间的接触状态信息。这种触觉信息可在抓取过程中及时确定与物体第一次接触的位置点，同时也可避免不正确的抓取，如抓到物体的边缘和尖端。另外还能观察觉到已抓物体是否滑落，从而避免物体因跌落而损坏。物体状态或姿态传感器用于确定手指内物体的形状、位置和方向。如果在抓取物体之前并不清楚这些信息的情况下，这种传感器是非常必要的。如果此传感器还能作用于已抓物体上的话，它也能控制物体的姿态（位置和方向），从而监测是否滑落。根据不同的驱动系统，有关指关节位置的几何信息可以在运动驱动器或直接在关节处测量。例如，如在电动机和指关节之间有一刚性联轴器，那么就可以用电机轴上的一个角度编码器（在齿轮前或齿轮后）来测量关节的位置。但是如果此联轴器刚度不够或者要获得很高的精度的话，就不能使用这种方法。为了能够获得如重抓等更加复杂的操作，卡尔斯鲁厄灵巧手（由 4 根手指组成，且每根手指由 3 个相互独立的关节组成。设计该手是为了能够在工业环境中应用和操纵箱、缸及螺钉螺帽等物体。因此，我们选用四个相同手指， 4 将它们作对称、非拟人化装置，且每个手指都能旋转 90。鉴于从第一代卡尔斯鲁厄灵巧手设计中得到的经验，比如因传动带而导致的机械问题以及较大摩擦因数导致的控制问题，卡尔斯鲁厄灵巧手采用了一些不同的设计方案。每根手指的关节 2 和关节 3 之间的直流电机被整合到手指前部肢体中。这种布置可使用很硬的球轴齿轮将运动传递到手指的关节处。处在电机轴上的角度编码器（在齿轮前）此时可作为一个精度很高的位置状态传感器。为了感知作用在物体上的手指力量，我们发明了一个 6 维力矩传感器。这个传感器可当作手指末端肢体使用，且配有一个球形指尖。它可以抓取较轻的物体，同时也能抓取 3近重量的物体。此传感器能测量 X、 Y 和 Z 方向的力及绕相关轴的力矩。另外， 3 个共线的激光三角测量传感器被安置在手掌上。因为有 3 个这样的传感器，因此不仅可以测量 3 个单点之间的距离，如果知道物体的形状，还能测出被抓物体表面之间的距离和方向。物体状态传感器的工作频率为 1能检测和避免物体的滑落。 4 控制系统机器人手的控制系统决定哪些潜在的灵巧技能能够被实际利用，这些技能都是由机械系统所提供的。如前所述，控制系统可分为控制计算机即硬件和控制算法即软件。控制系统必须满足以下几个的条件：必须要有足够的输入输出端口。例如，一具有 9 个自由度的低级手，其驱动器至少需要 9 路模拟输出端口，且要有 9 路从角度编码器的输入端口。如再加上每个手指上的力传感器、触觉传感器及物体状态传感器的话，则端口数量将增加几倍。需具备对外部事件快速实时反应的能力。例如，当检测到物体滑落时，能立即采取相应的措施。需具备较高的计算能力以应对一些不同的任务。如可以对多指及物体并执行路径规划、坐标转换及闭环控制系统等任务。控制系统的体积要小，以便能够将其直接集成到操作系统当中。在控制系统与驱动器及传感器之间必须要电气短接。特别是对传感器来说，若没有的话，很多的干扰信号将会干扰传感器信号。为了应对系统的要求，控制硬件一般分布在几个专门的处理器中。如可通过一个简单的微控制器处理很低端的输入输出接口（马达和传感器），因此控制器尺寸很小，能轻易地集成到操作系统中。但是较高水平的控制端口则需要较高的计算能力，且需要一个灵活实时操作系统的支持。这可以通过轻易地解决。因此，控制硬件常有一个非均匀的分布式计算机系统组成，它的一端是微控制器，而另一端则是一个功能强大的处理器。不同的计算单元则通过一个通信系统连接起来，比如总线系统。机器人手的控制软件是相当复杂的。必须要对手指进行实时及平行控制，同 5 时还要计划手指和物体的新的轨迹。因此，为了减少问题的复杂性，就有必要将此问题分成几个子问题来处理。另一方面涉及软件的开发。机器人手其实是一个研究项目，它的编程环境如用户界面，编程工具和调试设施都必须十分强大和灵活。这些只能使用一个标准的操作系统才能得到满足。在机械人中普遍使用的分层控制系统方法都经过了修剪，以满足机械手的特殊控制要求。 5 物体姿态控制这个物体姿态控制器的目的是为了确定好被抓物体的位置和方向以适应给定的轨迹。此任务必须在实时条件通过在线获得，尽管有内部变化及外部干扰的存在。内部变化比如在物体移动过程中，球形指尖在被抓物体上的滚动。这将导致物体的不必要的额外移动

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