水平多關節(jié)機器人設計開題報告

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1、 本科生畢業(yè)設計（論文） 開題報告 學生姓名: 學 號: 14021217 班 級: 140212 專 業(yè): 機械工程及自動化 指導教師: 開 題 報 告 課題名稱：水平多關節(jié)型工業(yè)機器人設計 ——機身與大臂結構及控制系統(tǒng)設計 一、課題介紹: 課題背景： 據有關專家介紹，機器人充分體現了人和機器的各自優(yōu)長，它比傳統(tǒng)機器具有更大的靈活性和更廣泛的應用范圍。機器人的出現和應用是人類生產和社會進步的需要，是科學技術發(fā)展和生產工具進化的必然。 　　在制造業(yè)中誕生的工業(yè)機器人是繼動力機、計算

2、機之后而出現的全面延伸人的體力和智力的新一代生產工具，作為現代制造業(yè)的主要自動化裝備在制造業(yè)中廣泛應用，并將在未來的制造企業(yè)中扮演越來越重要的角色。 　　機器人及其自動化成套裝備已成為目前國內外極受重視的高新技術應用領域。機器人及其自動化成套裝備是指以機器人為核心，以信息技術和網絡技術為媒介，將所有設備連接到一起而形成的大型自動化生產線。它是先進制造裝備的典型代表，是發(fā)展先進制造技術實現生產線的數字化、網絡化和智能化的重要手段。 　　據介紹，機器人及其成套設備的應用將使現代制造業(yè)產生變革，對改變傳統(tǒng)生產模式，全面提升企業(yè)的綜合競爭力具有重大作用。機器人及其自動化成套裝備的擁有量和水平是衡量

3、一個國家制造綜合實力的重要標志之一。 在機器人中，人（操作者）是不可缺少的重要組成部分，在用這種裝置完成一項操作任務的整個過程中，自始至終都必須有人的參加。同時，人通過觀察系統(tǒng)對從動部件的工作情況及其周圍環(huán)境保持直接或間接的視覺監(jiān)視，從而能充分的依靠人的感覺和智力及時做出判斷和決策，以適應工作對象或其周圍環(huán)境的變化，隨機應變地完成那些較為復雜的、或者事先難以預料的操作任務。 目前，機器人已經越來越多、越來越廣泛地應用于生產生活的各個方面。金字塔探密，機器人功不可沒。美國攻打伊拉克，機器人也發(fā)揮了重要作用。中國神州五號的成功發(fā)射，充分顯示了我國在機器人某個領域的實力。 我國現代

4、工業(yè)機器人技術發(fā)展現狀的研究 1、工業(yè)機器人技術概念 工業(yè)機器人由操作機（機械本體）、控制器、伺服驅動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構成，是一種仿人操作、自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生產設備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產。它對穩(wěn)定、提高產品質量，提高生產效率，改善勞動條件和產品的快速更新換代起著十分重要的作用。機器人技術是綜合了計算機、控制論、機構學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術，是當代研究十分活躍，應用日益廣泛的領域。機器人應用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。機器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的

5、特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機器的進化過程產物，它是工業(yè)以及非產業(yè)界的重要生產和服務性設備，也是先進制造技術領域不可缺少的自動化設備。 2、工業(yè)機器人技術發(fā)展現狀 在普及第一代工業(yè)機器人的基礎上，第二代工業(yè)機器人已經推廣，成為主流安裝機型，第三代智能機器人已占有一定比重（占日本1998年安裝臺數的10%，銷售額的36%） （1）機械結構 ①已關節(jié)型為主流，80年代發(fā)明的使用于裝配作業(yè)的平面關節(jié)機器人約占總量的1/3。90年代初開發(fā)的適應于窄

6、小空間、快節(jié)奏、360度全工作空間范圍的垂直關節(jié)機器人大量用于焊接和上、下料。 ②應3K和汽車、建筑、橋梁等行業(yè)需求，超大型機器人應運而生。如焊接樹10米長、10噸以上大構件的弧焊機器人群，采取螞蟻啃骨頭的協(xié)作機構。 ③CAD、CAE等技術已普遍用于設計，仿真和制造中。 （2）控制技術 ①大多數采用32位CPU，控制軸數多達27軸，NC技術、離線編程技術大量采用。 ②協(xié)調控制技術日趨成熟，實現了多手與變位機、多機器人的協(xié)調控制，正逐步實現多智能體的協(xié)調控制。 ③采用基于PC的開放結構的控制系統(tǒng)已成為一股潮流，其成本低、具有標準現場網絡功能。

7、 （3）驅動技術 ①80年代發(fā)展起來的AC侍服驅動已成為主流驅動技術用于工業(yè)機器人中。DD驅動技術則廣泛地用于裝配機器人中。 ②新一代的侍服電機與基于微處理器的智能侍服控制器相結合已由FANUC等公司開發(fā)并用于工業(yè)機器人中，在遠程控制中已采用了分布式智能驅動新技術。 （4）應用智能化的傳感器 裝有視覺傳感器的機器人數量呈上升趨勢，不少機器人裝有兩種傳感器，有些機器人留了多種傳感器接口。 （5）通用機器人編程語言 在ABB公司的20多個小型號產品中，采用了通用?；瘔K語言RAPID。最近美國“機器人工作空間技術公司”開發(fā)了Robot Script V

8、.10通用語言，運行于該公司的通用機器人控制器URC的Win NT/95環(huán)境。該語言易學醫(yī)用，可用于各種開發(fā)環(huán)境，與大多數WINDOWS軟件產品兼容。 （6）網絡通用方式 大部分機器人采用了Ether網絡通訊方式，占總量的41.3，其它采用RS-232、RA-422、RS-485等通訊接口。 （7）高速、高精度、多功能化 目前，最快的裝配機器人最大合成速度為16.5m/s。位置重復精度為正負0.01mm。但有一種速度競達到80m/s；而另一種并連機構的NC機器人，其位置重復精度大1微秒。 （8）集成化與系統(tǒng)化 當今工業(yè)機器人技術的另一特點是應用從單機、單

9、元向系統(tǒng)發(fā)展。百臺以上的機器人群與微機及周邊智能設備和操作人員形成一個大群體（多智能體）?？鐕蠹瘓F的壟斷和全球化的生產將世界眾多廠家的產品連接在一起，實現了標準化、開放化、網絡化的“虛擬制造”，為工業(yè)機器人系統(tǒng)化的發(fā)展推波助瀾。 3、技術發(fā)展趨勢 隨著計算機技術的不斷向智能化方向發(fā)展，機器人應用領域的不斷擴展和深化以及在系統(tǒng)（FMS、CIMS）中的群體應用，工業(yè)機器人也在不斷向智能化方向發(fā)展，以適應“敏捷制造”（Agile Manufacturing），滿足多樣化、個性化的需要，并適應多變的非結構環(huán)境作業(yè)，向非制造領域進軍。 （1）感覺功能 感覺功能方

10、面將實現多傳感器信息的融合，以檢測多變的外部環(huán)境，做出判斷和決策，其實質類似于人的五官和身體的綜合感覺功能，包括視覺、觸覺、力覺、滑覺、接近覺、壓覺、聽覺、味覺、臭覺、溫覺等。研究包括各類傳感信息的采集及融合處理、傳感器與驅動器一體化技術、感覺功能繼承模塊等。 （2）控制智能化 由引導教向NC，離線編程發(fā)展，進而發(fā)展到進一步應用。隨著系統(tǒng)化、集成化生產的發(fā)展，基于PC的開放式控制系統(tǒng)將機器人控制和車間一級控制的發(fā)展方向，國外專家預測，2007年它將占30％。 （3）移動功能的智能化 為解決長距離搬運作業(yè)、大作業(yè)對象、多作業(yè)對象及極限作業(yè)等問題，需開發(fā)自主移動系統(tǒng)（包括滑

11、動、滾動、行走、爬行、跳躍、飛行等）。 （4）系統(tǒng)應用與集成化 支持以人為核心的生產系統(tǒng)，實現生產系統(tǒng)中機器人群體協(xié)調功能、群智能和多機通訊協(xié)議，開發(fā)能理解人的意志的“同事機器人”。國外專家預測，2000你后有可能IMS要走向MA(R)S（多智能體系統(tǒng)），而該系統(tǒng)中的“同事機器人”（Cobot）將成為操作人員不可或缺的伙伴。圍繞著各種機器人與人共存的諸多課題，正在興起一門新學科“軟機器人學”。 （5）安全可靠性 由于大量不確定因素的存在，要實現智能化的安全可靠性，機器人必須具有對各種意外情況的應變能力，及時采取預防措施和安全對策，包括硬件級、軟件級、應用級和人機系統(tǒng)級的

12、自診斷和自修復故障。 （6）微型化 向微型化發(fā)展，開發(fā)毫米級機器人，用于微加工、醫(yī)學、宇宙和海洋開發(fā)等領域。就使用性和成本來看，毫米級最可行。 （7）多傳感器信息融合與配置技術 ①機器人的傳感器配置和融合技術在水泥生產過程控制和污水處理自動控制系統(tǒng)中的應用：包括面向工藝過程的多傳感器融合和配置技術；采用智能傳感器的現場總線技術；面向工藝要求的新型傳感器研制。 ②機電一體化智能傳感器：包括具有感知、自主運動、自清污（自調整、自適應）的機電一體化傳感器研究；面向工藝要求的運動機構設計、實現檢測和清污的自主運動；調節(jié)控制系統(tǒng)；機器人機構和控制技術在傳感器設計中的應用。 與

13、國外相比，我國機器人的擁有量還很少，隨著我國國民經濟的持續(xù)高速發(fā)展，適應加快實現經濟結構調整和產業(yè)升級，提高整個工業(yè)的自動化水平的需要，我國機器人技術將取得高速發(fā)展。中國入世后，客觀上迫使國內企業(yè)加快技術步伐，提高企業(yè)自動化水平，提高企業(yè)國際競爭力，為我國機器人產業(yè)的發(fā)展提供良好機遇和嚴峻的挑戰(zhàn)。 工作內容和要求： 1、設計參數及要求： （1）要求： 關節(jié)式機器人，三個自由度以上。 （2）參數： ①最大持重：1.0kg（包括手爪重量） ②結構形式：關節(jié)式 ③運動范圍：大臂180 小臂115 手腕300 垂直距離150mm ④驅動方式：

14、步進電機 ⑤尺 寸：340x380x645 ⑥用PLC控制 （3）工作量： ①機械系統(tǒng)設計：CAD繪圖，A03（裝配圖2張，零件圖1張） ②電氣系統(tǒng)設計：CAD繪圖，A01（電氣原理圖） ③零件設計：100句以上 ④說明書：20000字 ⑤外文翻譯：5000漢字 ⑥查閱有關資料：15篇以上 課題的重點和難點： 1、水平多關節(jié)機器人自由度的設計。 2、與水平多關節(jié)機器人相關參數的計算。 3、水平多關節(jié)機器人基本結構的設計。 4、多關節(jié)機器人電氣原理設計。 可能用到

15、的主要知識和技能： 1、 液壓系統(tǒng)控制等驅動方式。 2、 與機械手有關的結構知識。 3、 單片機的工作原理及引腳接法。 4、 相關的編程軟件。如：可編程序控制器。 需要自學的知識和技能： 1、對現階段機器人發(fā)展現狀的了解。 2、水平多關節(jié)機器人有關的基本計算、機器人基本機械結構的設計 3、多關節(jié)機器人的驅動方式、電氣原理的認識。單片機的工作原理及引腳接法 4、熟練掌握CAD繪圖方法 二、工作計劃 1、第七學期第一周~第八學期第四周： （1）調研，收集有關資料 （2）整理和篩選有關資料 （3）消化理解設計中涉及到的知識 （4）翻譯5000字 （5）開題

16、報告 2、第八學期第五周~第八學期第十六周： （1）第五周~十周：完成草圖 ①：機械系統(tǒng)設計（完成機械系統(tǒng)裝配圖1張，CAD繪圖，AO圖紙）； ②：電器系統(tǒng)設計：a:硬件設計（電氣原理圖一張，CAD繪圖，AO圖紙） b:軟件編程 （2）第十一周~十四周：完成CAD繪圖和設計說明書的編寫 （3）第十五周~十六周：出圖、打印說明書、準備答辯 三、參考文獻 01、許灝主編. 機械設計手冊. 機械工業(yè)出版社，1998，5 02、濮良貴、紀名剛主編. 機械設計. 第六版. 西北工業(yè)大學出版社， 03、甘永立、陳曉華主

17、編. 機械精度設計. 吉林人民出版社，1998，7 04、鄧堤、唐可洪主編. 機電一體化設計. 機械工業(yè)出版社，2001，3 05、張毅剛.單片機應用設計.哈爾濱工業(yè)大學出版社 06、龔振邦.機器人機械設計.電子工業(yè)出版社 07、機器人機械系統(tǒng)原理——理論、方法和算法 08、何友華.可編程序控制器及常用控制電器 09、機電控制系統(tǒng)設計與分析. 10、機電一體化設計基礎. 11、工業(yè)機械手設計基礎.天津科學技術出版社.1979，8 12、可編程序控制器原理與程序設計. 13、可編程序控制器原理及應用. 14、可編程序控制器控制器（PLC）應用技術.