工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)分析【六自由度機(jī)械手】,六自由度機(jī)械手,工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)分析【六自由度機(jī)械手】,工業(yè),機(jī)械手,設(shè)計(jì),運(yùn)動(dòng),結(jié)構(gòu),分析,自由度 開題報(bào)告 題 目：專用機(jī)械手設(shè)計(jì)與工程分析 系 別 專 業(yè) 班 級(jí) 姓 名 學(xué) 號(hào) 導(dǎo) 師 2010年 11 月 28 日 開題報(bào)告填寫要求 1．開題報(bào)告作為畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)對(duì)學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報(bào)告應(yīng)在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，由學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作前期內(nèi)完成。 2．開題報(bào)告內(nèi)容必須按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計(jì)的電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式（可從教務(wù)處網(wǎng)頁上下載）填寫并打印（禁止打印在其它紙上后剪貼），完成后應(yīng)及時(shí)交給指導(dǎo)教師審閱。 3．開題報(bào)告字?jǐn)?shù)應(yīng)在1500字以上，參考文獻(xiàn)應(yīng)不少于15篇（不包括辭典、手冊(cè)，其中外文文獻(xiàn)至少3篇），文中引用參考文獻(xiàn)處應(yīng)標(biāo)出文獻(xiàn)序號(hào)，“參考文獻(xiàn)”應(yīng)按附件中《參考文獻(xiàn)“注釋格式”》的要求書寫。 4． 年、月、日的日期一律用阿拉伯?dāng)?shù)字書寫，例：“2008年11月26日”。 撰寫內(nèi)容要求（可加頁，小四號(hào)宋體，行距22磅）： 1. 綜述（題目背景、研究意義及國內(nèi)外相關(guān)研究情況） 題目背景： 機(jī)械手是模仿人手的部分動(dòng)作，按照給定的程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或者操作的自動(dòng)機(jī)械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱為“工業(yè)機(jī)械手”。生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手可以提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水平和勞動(dòng)生產(chǎn)率，可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)。尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣和放射性等惡劣環(huán)境中，它可以代替人進(jìn)行正常的工作，意義更為重大。通過機(jī)械設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)，綜合訓(xùn)練學(xué)生四年所學(xué)設(shè)計(jì)、分析和制造方面的綜合知識(shí)。 機(jī)械手主要由手部、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動(dòng)（擺動(dòng)）、移動(dòng)和復(fù)合運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作，改變被抓持物件的位置和姿勢(shì)。 研究意義： 在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程中的自動(dòng)化已成為突出的主題。各行各業(yè)的自動(dòng)化水平越來越高，現(xiàn)代化加工車間，常配有機(jī)械手，以提高生產(chǎn)效率，完成工人難以完成的或者危險(xiǎn)的工作?？墒菣C(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)很大程度上不是連續(xù)的。據(jù)資料介紹，美國生產(chǎn)的全部工業(yè)零件中，有75%是小批量生產(chǎn);金屬加工生產(chǎn)批量中有四分之三在50件以下，零件真正在加工機(jī)床上加工的時(shí)間僅占零件生產(chǎn)時(shí)間的5%。從這里看出，裝卸、搬運(yùn)等工序機(jī)械化的迫切性，工業(yè)機(jī)械手就是為實(shí)現(xiàn)這些工序自動(dòng)化而產(chǎn)生的。 國內(nèi)外情況： 目前在我國機(jī)械手常用于完成的工作有：注塑工業(yè)中從模具中快速抓取制品并將制品傳送到下一個(gè)生產(chǎn)工序;機(jī)械手加工行業(yè)中用于取料、送料；澆注行業(yè)中用于提取高溫爐液等。 目前國外已經(jīng)出現(xiàn)了觸覺和視覺機(jī)械手。第二代機(jī)械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，具有視覺觸覺能力，甚至聽想的能力。研究安裝各種傳感器，能把感覺到的信息反饋，使機(jī)械手具有感覺機(jī)能。 國外也出現(xiàn)了第三代機(jī)械手，它能獨(dú)立地完成工作過程中的任務(wù)。它與電子計(jì)算 機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系。 2. 本課題研究的主要內(nèi)容和擬采用的研究方案、研究方法或措施 主要內(nèi)容： 題目?jī)?nèi)容主要包括三個(gè)方面，專用機(jī)械手設(shè)計(jì)，建模和工程分析： A. 在設(shè)計(jì)方面要求依據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)線專用機(jī)械手的方案，結(jié)構(gòu)。 B.在建模方面要求建立專用機(jī)械手等的實(shí)體裝配模型。對(duì)實(shí)體裝配模型進(jìn)行工程簡(jiǎn)化。 C. 在工程分析方面要求合理確定約束條件，分析機(jī)械手手指在生產(chǎn)中的變形量并對(duì)強(qiáng)度進(jìn)行校核。 D. 運(yùn)動(dòng)分析方面要求提取六自由度機(jī)械手手指的速度，加速度，特性。并輸出運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線 。 E. 整個(gè)機(jī)械臂安裝在一個(gè)回轉(zhuǎn)支座上，回轉(zhuǎn)角度范圍為360度；大臂可做升降運(yùn)動(dòng)；小臂相對(duì)于大臂可擺動(dòng)，擺動(dòng)范圍為60-120度；小臂末端的手腕也可以擺動(dòng)，擺動(dòng)范圍為-60度到+60度；手腕的末端安裝一機(jī)械手，機(jī)械手具有開閉能力，用于直徑30-45mm工件的抓取，工件長(zhǎng)度350mm，重量8kg。 研究方案： 1. 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇。工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是直接驅(qū)動(dòng)使各部件動(dòng)作的機(jī)構(gòu)，對(duì)工業(yè)機(jī)器人的性能和功能影響很大。它為執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動(dòng)力，并驅(qū)動(dòng)其動(dòng)作。工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式主要有機(jī)械、液壓、電動(dòng)、氣動(dòng)四種。這四種方式各自都有自己不同的特點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，工業(yè)機(jī)器人還有可能用到組合的驅(qū)動(dòng)方式，或者在一個(gè)機(jī)器人的不同關(guān)節(jié)部位，可采用不同的驅(qū)動(dòng)方式。不過總的來說，到底選用那種驅(qū)動(dòng)主要取決于機(jī)器人的工作情況。 2. 機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案。a.手爪的開合方式：滑槽杠桿式回轉(zhuǎn)型、雙支點(diǎn)連桿杠桿式、齒輪齒條杠桿式、手爪平行開閉式;b.手爪開合的驅(qū)動(dòng)方式:氣壓驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng);c.手臂的擺動(dòng):利用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和直齒輪傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)手臂的擺動(dòng);e機(jī)械手臂的轉(zhuǎn)動(dòng):利用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和錐齒輪傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 研究方法或措施： 1. 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇。四種驅(qū)動(dòng)方式的對(duì)比： 機(jī)械傳動(dòng) 電機(jī)驅(qū)動(dòng) 氣壓傳動(dòng) 液壓傳動(dòng) 內(nèi)容 異步電機(jī)，直流電機(jī) 步進(jìn)或伺服電機(jī) 輸 力矩 輸出力矩較大 輸出力可較大 輸出力矩較小 氣體壓力小，輸出力 矩小，如需輸出力矩較大，結(jié)構(gòu)尺寸過大 液體壓力高，可以獲得較大的輸出力 控制性能 速度可高，速度和加速度均由機(jī)構(gòu)控制，定位精度高，可與主機(jī)嚴(yán)格同步 控制性能較差，慣性大，步易精確定位 控制性能好，可精確定位，但控制系統(tǒng)復(fù)雜 可高速，氣體壓縮性大，精確定位較困難，低速步易控制 油液壓縮性小，壓力流量均容易控制，可無級(jí)調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制 體積 當(dāng)自由度多時(shí)，機(jī)構(gòu)復(fù)雜，體積液較大 要油減速裝置，體積較大 體積較小 體積較大 在輸出力相同的條件下體積小 維修使用 維修使用方便 維修使用方便 維修使用較復(fù)雜 維修簡(jiǎn)單，能在高溫，粉塵等惡劣環(huán)境種使用，泄漏影響小 維修方便，液體對(duì)溫度變化敏感，油液泄漏易著火 應(yīng)用范圍 適用于自由度少的專用機(jī)械手，高速低速均能適用 適用于抓取重量大和速度低的專用機(jī)械手 可用于程序復(fù)雜和運(yùn)動(dòng)軌跡要求嚴(yán)格的小型通用機(jī)械手 中小型專用通用機(jī)械手都有 中小型專用通用機(jī)械手都有，特別時(shí)重型機(jī)械手多用 成本 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低 成本低 成本較高 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能源方便，成本低 液壓元件成本較高，油路也較復(fù)雜 由上表可知，氣壓傳動(dòng)雖然輸出力矩較小，但同時(shí)他具有控制簡(jiǎn)單和成本低的突出優(yōu)點(diǎn)。結(jié)合以上三種原理方案的特點(diǎn)進(jìn)行綜合比較，決定采用第3種方案進(jìn)行本次設(shè)計(jì)。根據(jù)所要設(shè)計(jì)機(jī)器人的特點(diǎn)，夾取工件的重量較小。對(duì)于手爪的開合，采用氣壓驅(qū)動(dòng)，機(jī)械手臂的轉(zhuǎn)動(dòng)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和錐齒輪傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，手臂的擺動(dòng)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和直齒輪傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，這樣可以使機(jī)器人的占地面積較小，還可以得到較高的回轉(zhuǎn)精度。 2.機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案。 方案1：采用齒輪齒條杠桿式手部，手爪開合采用液壓驅(qū)動(dòng)；手臂的擺動(dòng)采用異步電機(jī)（大臂和小臂）；機(jī)械手臂的轉(zhuǎn)動(dòng)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用齒輪機(jī)構(gòu)。 該方案的特點(diǎn)是：布置結(jié)構(gòu)較大，質(zhì)量較重，不過腰部和臂部電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸出力，得到比較大的直線運(yùn)動(dòng)力和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)力。 方案2：采用滑槽杠桿式手部，手爪開合采用氣壓驅(qū)動(dòng)；手臂的擺動(dòng)采用液壓驅(qū)動(dòng)；手臂的轉(zhuǎn)動(dòng)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和錐齒輪傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。 該方案的特點(diǎn)是：整體選用氣壓驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，節(jié)省成本，對(duì)環(huán)境無污染。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)可以得到精確的回轉(zhuǎn)角度。但是考慮到工作場(chǎng)合是在高溫條件下不適合采用油控裝置。 方案3：采用平行開閉式機(jī)械手，氣壓驅(qū)動(dòng)；手臂擺動(dòng)選用齒輪傳動(dòng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)。手臂的轉(zhuǎn)動(dòng)也采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)與錐齒輪傳動(dòng)。 該方案的特點(diǎn)是：在整體中采用了兩各種不同的驅(qū)動(dòng)，本著發(fā)揮每種驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)去設(shè)計(jì)。但是該方案要求的控制系統(tǒng)比較精確復(fù)，能夠達(dá)到機(jī)器手的運(yùn)動(dòng)要求，整體質(zhì)量也較為輕，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單。 3. 本課題研究的重點(diǎn)及難點(diǎn)，前期已開展工作 課題重點(diǎn)： 為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需要六個(gè)自由度。自由度是機(jī)械手設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越多，機(jī)械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。 課題難點(diǎn)： 機(jī)械手的定位方式。機(jī)械擋塊的定位是在行程終點(diǎn)設(shè)置機(jī)械擋塊。當(dāng)機(jī)械手經(jīng)減速運(yùn)行到終點(diǎn)時(shí)，緊靠擋塊而定位。 機(jī)械手的轉(zhuǎn)動(dòng)功能。本課題的機(jī)械手轉(zhuǎn)動(dòng)功能的實(shí)現(xiàn)是由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和錐齒輪傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。 前期已開展工作： 調(diào)研和收集資料，熟悉Mastercam等機(jī)械手設(shè)計(jì)的相關(guān)軟件，學(xué)習(xí)運(yùn)用Mastercam 進(jìn)行模具設(shè)計(jì)；調(diào)查有關(guān)的機(jī)械手的設(shè)計(jì)，學(xué)習(xí)別人的設(shè)計(jì)思路，為自己設(shè)計(jì)的展開做好準(zhǔn)備。 4. 完成本課題的工作方案及進(jìn)度計(jì)劃（按周次填寫） 第1周：收集資料，借閱參考書，下載相關(guān)英文文獻(xiàn)。 第2～8周：要求依據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)線專用機(jī)械手的方案，結(jié)構(gòu)。選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)。 第8～14周：建立專用機(jī)械手等的實(shí)體裝配模型。對(duì)實(shí)體裝配模型進(jìn)行工程簡(jiǎn)化。 第14～16周：要求合理確定約束條件，分析機(jī)械手在生產(chǎn)中的變形量并對(duì)強(qiáng)度進(jìn)行校核。 第16～18周：分析結(jié)論撰寫論文。 5 指導(dǎo)教師意見（對(duì)課題的深度、廣度及工作量的意見） 指導(dǎo)教師： 年 月 日 6 所在系審查意見： 系主管領(lǐng)導(dǎo)： 年 月 日 注：1. 正文：宋體小四號(hào)字，行距22磅。 2. 開題報(bào)告由各系集中歸檔保存。 參考文獻(xiàn) [1] 徐灝主.《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)3》 機(jī)械工業(yè)出版社，2004 [2] 徐灝主.《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)4》 機(jī)械工業(yè)出版社，2004 [3] 徐灝主.《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)5》 機(jī)械工業(yè)出版社，2004 [4] 張建民.《工業(yè)機(jī)器人》 北京理工大學(xué)出版社，1988 [5] 《工業(yè)機(jī)械手》編寫組.《工業(yè)機(jī)器人手-機(jī)械結(jié)構(gòu)上》 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社 [6] 丁樹模.《液壓傳動(dòng)》 機(jī)械工業(yè)出版社 ，2006 [7] 孫桓,陳作模,葛文杰.《機(jī)械原理》 高等教育出版社, [8] 濮良貴 紀(jì)名剛.《機(jī)械設(shè)計(jì)（第八版）》 高等教育出版社，2006 [9] 馬香峰.《工業(yè)機(jī)器人的操作機(jī)設(shè)計(jì)》 冶金工業(yè)出版社，1996 [10] M·索羅門采夫（俄 ）.《工業(yè)機(jī)器人圖冊(cè)》 機(jī)械工業(yè)出版社，1993 [11] 殷際英 何廣平.《關(guān)節(jié)型機(jī)器人》 化學(xué)工業(yè)出版社，2003 [12] 劉中偉.《液壓與氣壓傳動(dòng)》 化學(xué)工業(yè)出版社， [13] 向敬忠.《機(jī)械設(shè)計(jì)課程圖冊(cè)》 化學(xué)工業(yè)出版社，2009 [14] Franklin S Malick, Monroneville.Portable robot with automatic Pa． Patent No:4887016,Dec．12,1989 [15] Fredilk Persson, Subject to any disclaimerHakan Hvittfeld,Jan Larsson． Patent No:7188544B2 Mar．13,2007 [16] YE Ping, SUN Han-xu, JIA Qing-xuan.Research on Fault-Tolerant Control System for SpaceModular Manipulator System Patent No: 1000-9361, August 2006