五自由度工业机械手结构设计【5自由度】【三维SW模型】【含5张CAD图纸+文档全套】
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5自由度
三维SW模型
含5张CAD图纸+文档全套
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机械手
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全套
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- 内容简介：
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开题报告 题 目 五自由度工业机械手结构设计 学生姓名 学号 所在院(系) 专业班级 指导教师 年 月 日题 目五自由度工业机械手结构设计一、选题的目的及研究意义通过五自由度工业机械手设计，可以为进一步研究工业机械手的工作原理和工作过程奠定一定的基础。将其作为机电一体化系统设计课程及机械电子工程专业等机电结合的综合教学实验设备，不仅可以使学生在轻松愉快的氛围中充分理解相关课程的专业知识，而且可以激发学生的专业学习兴趣，树立系统的工程概念，培养其独立开展科学研究的能力。 现代科学技术的迅速发展，尤其是进入20世纪80年代以来，机械手技术的进步与其在各个领域的广泛应用，引起了各国专家学者的普遍关注。许多发达国家均把机械手技术的开发、研究列入国家高新技术发展计划。世界各国普遍在高等院校为大学本科生及研究生开设了介绍机械手技术的有关课程。为了培养机械手开发、设计、生产、维护方面的人才，我国很多高校也为本科生和研究生开设了机械手学课程。因此，本机械手的研制成功，对机电一体化专业教学及科研有着十分重要的意义。二、综述与本课题相关领域的研究现状、发展趋势、研究方法及应用领域等1. 研究现状：国外目前机械手研究的重点主要有以下几个方面: (1) 机械手操作机，通过有限元分析、模态分析及仿真设计等现代设计方法的运用，机械手操作机己实现了优化设计。以德国 KUKA 公司为代表的机械手公司，将机械手并联平行四边形结构改为开链结构，拓展了机械手的工作范围，加之轻质铝合金材料的应用大大提高了机械手的性能。 (2) 并联机械手：采用并联机构，利用机械手技术，实现高精度测量及加工，这是机械手技术向数控技术的拓展，为将来实现机械手和数控技术一体化奠定了基础。意大利COMAU公司，日本FANUC等公司已开发出了此类产品。 (3) 控制系统：控制系统的性能进一步提高，已由过去控制标准的6轴机械手发展到现在能够控制21轴甚至27轴机械手，并且实现了软件伺服和全数字控制。人机界面更加友好，基于图形操作的界面也已问世。编程方式仍以示教编程为主，但在某些领域的离线编程已实现实用化。 (4) 传感系统：激光传感器、视觉传感器和力传感器在机械手系统中已得到成功应用，并实现了焊缝自动跟踪和自动化生产线上物体的自动定位以及精密装配作业等，大大提高了机械手的作业性能和对环境的适应性。日本 KAWASAKI, YASKAWA, FANUC和瑞典ABB、德国KUKA, REIS等公司皆推出了此类产品。 (5) 网络通信功能：日本 YASKAWA 和德国 KUKA 公司的最新机械手控制器已实现了与 Canbus、Profibus总线及一些网络的联接，使机械手由过去的独立应用向网络 化应用迈进了一大步，也使机械手由过去的专用设备向标准化设备有了发展。 (6) 可靠性：由于微电子技术的快速发展和大规模集成电路的应用，使机械手系统的可靠性有了很大提高。过去机械手系统的可靠性一般为几千小时，而现在已达到5万小时，几乎可以满足任何场合的需求。 国内机械手研究现状：随着科学技术和世界各国机械手技术的发展，我国在机械手科学研究、技术开发和应用工程等方面取得了可喜的进步。从20世纪80年代末到20世纪90年代，国家863计划把机械手列为自动化领域的重要研究课题，系统地开展了机械手基础科学、关键技术与机械手元部件、先进机械手系统集成技术的研究及机械手在自动化工程上的应用。在工业机械手选型方面，确定以开发点焊、弧焊、喷漆、装配、搬运等机械手为主。这是中国机械手事业从研制到应用迈出的重要一步。一批从事机械手研究、开发、应用的人才和队伍在实践中成长、壮大，一批以机械手为主业的产业化基地已经破土而出。 我国近几年机械手自动化生产线已经不断出现，并给用户带来显著效益。随着我国工业企业自动化水平的不断提高，机械手自动化线的市场也会越来越大，并且逐渐成为自动化生产线的主要方式。我国机械手自动化生产线装备的市场刚刚起步，而国内装备制造业正处于由传统装备向先进制造装备转型的时期，这就给机械手自动化生产线研究开发者带来巨大商机。但是，无论从工业机械手的数量上还是技术上，我们都是比较落后的。而我国作为一个工业大国，不能寄希望从其他国家得到真正的高技术，必须自主的发展我国的高技术，机械手作为高技术领域的一个重要分支，将成为21世纪各国争夺的经济技术制高点。如何在 21世纪加速我国机械手的发展，使我国早日进入机械手大国行列，已成为当务之急。由于目前我国机械手的基础数量太低，以工业机械手为例，到了2010年我国机械手拥有量只能达到世界拥有量1.38%2%，这与我国作为21世纪前半叶世界主要制造国的要求差距太大，如果这种差距只能以进口机械手来弥补，其巨大损失不是可以用货币损失来计算的。可见，无论从资金方面考虑，还是从长远利益考虑，我们有必要自主地对机械手进行研究和开发。 2. 发展趋势：机械手涉及到机械、电子、控制、计算机、人工智能、传感器、通讯与网络等多个学科和领域，是多种高新技术发展成果的综合集成。因此它的发展与上述学科发展密切相关。机械手在制造业的应用范围越来越广阔，其标准化、模块化、网络化和智能化的程度也越来越高，功能越来越强，并向着成套技术和装备的方向发展。机械手应用从传统制造业向非制造业转变，向以人为中心的个人化和微小型方向发展，并将服务于人类活动的各个领域。总趋势是从狭义的机械手概念向广义的机械手技术(RT) 概念转移；从工业机械手产业向解决工程应用方案业务的机械手技术产业发展。机械手技术（RT）的内涵已变为灵活应用机械手技术的、具有实在动作功能的智能化系统。目前，工业机械手技术正在向智能机器和智能系统的方向发展，其发展趋势主要为：结构的模块化和可重构化；控制技术的开放化、PC 化和网络化；伺服驱动技术的数字化和分散化；多传感器融合技术的实用化；工作环境设计的优化和作业的柔性化以及系统的网络化和智能化等方面。3. 研究方法：运动学正问题的研究目前主要是利用齐次坐标变换矩阵方法将位置和姿态统一描述，该法思路清晰，但运算速度较慢，随着机械手机构自由度的增加对运动学逆问题的讨论带来很多不便。运动学逆问题比正问题复杂的多，主要表现在逆解的存在性和唯一性，存在性决定机械手的操作空间，逆解一般来说非唯一。目前对具有特殊形状的机械手机构如球形手腕机械手机构，其逆解是封闭的，但并不唯一。对一般的机械手机构逆解必须使用数值计算方法，因而数值解的计算速度和精度受到人们的关注，同时机械手机构中常见的奇异状态(不可解状态)在数值解中如何避免也是讨论三维问题之一。 工业机械手运动学方程的计算过程需要解多元非线性方程组，数学上尚无完备的方法求其解析解，机构学研究者采用数值分析的方法，取得了一系列进展。但是多数或者算法不稳定，或者过分依赖初值，且计算量大，求解速度慢。工业机械手机构位置正解的神经网络解法也开始进行探讨。利用神经网络对于非线性映射的强大的逼近能力，采用 BP 网络，利用位置逆解结果作为训练样本，通过大量样本的训练学习，实现机械手从关节变量空间到工作变量空间的非线性映射，从而取得并联机械手运动学正解，避免了求位置正解时公式推导和编程计算等的繁杂性14。 运动学方程的建立与求解是一个机械手系统的关键技术，一直受到广泛的关注，但仍然是当今的一个研究热点，有着一定的发展空间。机械手轨迹规划属于机械手底层规划，是在机械手的运动学的基础上，讨论在关节空间和笛卡尔空间中机械手运动过程中的轨迹规划和轨迹生成方法。所谓轨迹是指机械手在运动过程中的位移、速度和加速度。而轨迹规划是根据作业任务的要求，计算出预期的运动轨迹。首先对机械手的任务、运动路径和轨迹进行描述。例如，用户给出手部的目标位姿，规划所要完成的任务是:确定到该目标的路径点、持续时间、运动速度等轨迹参数，并在计算机的内部描述所要求的轨迹，即选择习惯给定及合理的软件数据结构。最后，对内部描述的轨迹，实时计算机械手运动的位移、速度和加速度，生成运动轨迹。 轨迹规划既可在关节空间也可在直角空间进行，但是所规划的轨迹函数都必须连 续和平滑，使得操作臂的运动平稳。用户根据作业给出的各个路径点后，路径规划的任务包含: 解变换方程(运动学正解)、进行运动学反解和插值运算等；在关节空间进行规划时，大量工作是对关节变量的插值运算。因此，对于插值算法的研究是机械手轨迹规划的一个重要方面。 4. 应用领域：目前工业机械手主要应用于制造业中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、金属加工以及金属制品业等。在日、美、西欧等一些工业发达的国家中，工业机械手得到越来越广泛的应用。随着生产的发展，机械手功能和性能的不断改善和提高，机械手的应用领域日益扩大，其应用范围已不限于制造业，还用于农业、林业、交通运输业、原子能工业、医疗、福利事业、海洋和太空的开发事业中。三、对本课题将要解决的主要问题及解决问题的思路与方法、拟采用的研究方法（技术路线）或设计（实验）方案进行说明1. 主要问题：1) 工业机械手驱动装置的选择2) 工业传动比的选择3) 工业机械手的执行机构设计4) 工业机械手的机械传动装置设计5) 工业机械手工作运行稳定性的保障2. 思路与方法：本课题要求机械手手臂能达到工作空间的任意位置和姿态，同时要结构简单，容易控制。综合考虑后确定该机械手具有五个自由度，其中手臂三个自由度，手爪部分二个自由度。3. 技术路线：1) 查阅国内外相关资料2) 根据参数确定设计方案3) 主要零部件的选型4) 设计各机构的图纸绘制以及总装图的绘制5) 资料文件的整理编写设计说明书4. 设计方案：由于在同样的体积条件下，关节型机械手比非关节型机械手有大得多的相对空间(手腕可达到的最大空间体积与机械手本体外壳体积之比)和绝对工作空间，结构紧凑，同时关节型机械手的动作和轨迹更灵活，因此该型机械手采用关节型机械手的结构。四、检索与本课题有关参考文献资料的简要说明1 濮良贵，纪名刚，机械设计，北京高等教育出版社，2006： 186-342.；2 吴宗泽，罗圣国.机械设计课程设计手册，北京高等教育出版社，2006：35-121；3 成大先.机械设计手册(第3卷)(精).北京：化学工业出版社，2005：125-130；4 刘进长,辛健成.机械手世界M.郑州:河南科学技术出版社,2000 5 诸静.机械手与控制技术M.杭州:浙江大学出版社,1991 6 吴广玉,姜复兴.机械手工程导论M.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1988 7 周远清,张再兴.智能机械手系统M.北京:清华大学出版社,1989 8 付京孙.机械手学M.合肥:中国科学技术出版社,1992 9 王坤兴.机械手技术的发展趋势J:机械手技术与应用.1999.(6):10-12 10 国家 863 计划智能机械手专家组,机械手博览M.合肥:中国科学技术出版社,2001 11 陈佩云.我国工业机械手发展状况J:机械手技术与应用.2001, (1):2-5 12 刘进长.我国机械手发展战略研究J:机械手技术与应用.2000, (3): 2-5 13 马颂德.基础技术研究与队伍建设J:机械手技术与应用.2001, (5) : 2-514 王启智,徐心和. PUMA机械手逆运动方程的推导方法及求解J:机械手.1998,3:81-87 15 McDonald.Robot Technology:Theory,Design and ApplicationM.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,199218 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,198920 Architecture CNC Controller for Milling Machine Retrofitting August 18-21, 2009, Fukuoka International Congress Center, Japan五、毕业设计进程安排起止日期工作内容14.2.24-
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