小型碼垛機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-機(jī)械手設(shè)計(jì)【三維SW】

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全面提高員工素質(zhì)，完善自動(dòng)化倉(cāng)庫的管理機(jī)制物流設(shè)備要實(shí)現(xiàn)高效能利用，需要有相適應(yīng)的物流環(huán)境和科學(xué)管理，這些都要求有高素質(zhì)的人才。在目前缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的情況下，可采取“走出去，請(qǐng)進(jìn)來”的辦法，去發(fā)達(dá)國(guó)家考察學(xué)習(xí)，請(qǐng)專業(yè)人士或高校教師介紹經(jīng)驗(yàn)、傳授知識(shí)、辦學(xué)習(xí)班等，或在技術(shù)院校招聘物流專業(yè)技術(shù)型人才，盡快解決操作人員和維修人員缺乏的局面。做好消化吸收工作，使其盡快國(guó)產(chǎn)化，以適應(yīng)市場(chǎng)需要。 2、倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人的現(xiàn)狀 自1950年以來，越來越多的自動(dòng)化機(jī)器設(shè)備開始運(yùn)用到物流領(lǐng)域。這些機(jī)器設(shè)備開始逐步取代運(yùn)輸、搬運(yùn)、存儲(chǔ)和打包這些任務(wù)，成為提升物流水平的重要手段之一。在標(biāo)準(zhǔn)化的包裝流程推動(dòng)下快速發(fā)展的分散控制系統(tǒng)、逐漸普及的工作站模式都進(jìn)一步促進(jìn)了機(jī)器人在物流領(lǐng)域的應(yīng)用。目前，物流行業(yè)的機(jī)器人應(yīng)用已經(jīng)成為繼汽車行業(yè)后的機(jī)器人第二大應(yīng)用領(lǐng)域。目前機(jī)器人在國(guó)內(nèi)整個(gè)物流領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中于兩種，從事包裝碼垛作業(yè)的機(jī)器人和從事自動(dòng)化搬運(yùn)的機(jī)器人【2】。而對(duì)于物流環(huán)節(jié)中的瓶頸問題——倉(cāng)儲(chǔ)問題卻沒有引入機(jī)器人來解決。根據(jù)中國(guó)倉(cāng)儲(chǔ)協(xié)會(huì)2011年全國(guó)倉(cāng)儲(chǔ)發(fā)展指數(shù) 數(shù)據(jù)顯示，2010年全國(guó)通用倉(cāng)庫需求面積達(dá)7．0l億平方米，實(shí)有倉(cāng)庫面積僅5．5億平方米，全國(guó)倉(cāng)庫供需指數(shù)為0．785。也就是說，我國(guó)通用倉(cāng)庫總體上處于供不應(yīng)求的狀態(tài)。面對(duì)如此嚴(yán)峻的倉(cāng)儲(chǔ)問題，阿里巴巴將斥千億建立全國(guó)性的倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)，京東商城也購(gòu)買土地建立物流中心。但機(jī)器人應(yīng)用在倉(cāng)儲(chǔ)問題上的缺失仍是我國(guó)倉(cāng)儲(chǔ)乃至物流業(yè)無法快速發(fā)展的重要原因之一。 2. 本選題在國(guó)內(nèi)外的研究狀況及發(fā)展趨勢(shì)： 1、倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人應(yīng)用在國(guó)外的成功案例【3】 與國(guó)內(nèi)不同，國(guó)外的物流業(yè)經(jīng)歷了數(shù)十年的發(fā)展，再加上國(guó)外先進(jìn)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)，Kiva，Swisslog等企業(yè)都已經(jīng)尋找到創(chuàng)新型的倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人系統(tǒng)來解決倉(cāng)儲(chǔ)問題。下面就國(guó)際上先進(jìn)的倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人系統(tǒng)之一，Kiva機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行分析，研究倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人給企業(yè)帶來的巨大效益。 2、 Kiva系統(tǒng)的功能介紹【1】 Kiva倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人系統(tǒng)與傳統(tǒng)的倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)最大的不同就是它讓物品適應(yīng)場(chǎng)地，其倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人系統(tǒng)可以在任意時(shí)間將任意物品送達(dá)任意位置。Kiva倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)基于一個(gè)個(gè)獨(dú)立可以自主導(dǎo)航移動(dòng)的貨架搬運(yùn)機(jī)器人。這些最高可以舉起3000磅重量的機(jī)器人將貨架舉起，然后將貨架搬運(yùn)到系統(tǒng)指定地點(diǎn)。這些機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路徑都由系統(tǒng)通過相應(yīng)的算法計(jì)算完成后將指令通過Wi—Fi網(wǎng)絡(luò)傳輸給機(jī)器人，然后機(jī)器人通過精密地導(dǎo)航裝置將貨架運(yùn)送到指定地點(diǎn)。每個(gè)機(jī)器人都安裝有朝上和朝下的兩個(gè)攝像頭，分別負(fù)責(zé)讀取二維碼和處理坐標(biāo)點(diǎn)信息。每個(gè)二維碼對(duì)應(yīng)于每一個(gè)貨架。因此準(zhǔn)確的二維碼讀取保證了貨架接駁的準(zhǔn)確性。而地面的坐標(biāo)信息則是為了精確的定位機(jī)器人的位置而鋪設(shè)， 從而保證機(jī)器人的位置能夠?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)地反饋給系統(tǒng)。Kiva倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人系統(tǒng)每時(shí)每刻都在處理大量的信息并進(jìn)行相應(yīng)的算法計(jì)算。為了保證系統(tǒng)的正常、高效運(yùn)行，Kiva采用Blacldin處理器。這種高性能、高帶寬的處理器保證了系統(tǒng)執(zhí)行圖像采集、分段、亞像素目標(biāo)定位和數(shù)據(jù)矩陣代碼讀取的復(fù)雜圖像處理算法可以快速地處理整個(gè)倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，進(jìn)而保證了系統(tǒng)對(duì)機(jī)器人的導(dǎo)航可以高效、動(dòng)態(tài)、快速地進(jìn)行。 3、我國(guó)物流業(yè)發(fā)展倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人的建議 在未來，倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人的應(yīng)用水平必將成為決定物流企業(yè)能否在發(fā)展中占領(lǐng)先機(jī)，擴(kuò)大自身競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的重要影響因素之一。下面從企業(yè)和政府兩方面提出促進(jìn)倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人應(yīng)用的建議。 3．1 企業(yè)方面 3．1．1提升自身軟實(shí)力 一是引進(jìn)相關(guān)的信息化、自動(dòng)化專業(yè)人才，降低企業(yè)倉(cāng)儲(chǔ)管理方面的成本。二是對(duì)包括基層員工 和領(lǐng)導(dǎo)在內(nèi)的全體員工的物流意識(shí)的培養(yǎng)，通過定期的培訓(xùn)推廣倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人的相關(guān)理念和技術(shù)，保證倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人在引入后能在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)揮切實(shí)功效。 3．1．2提高企業(yè)倉(cāng)儲(chǔ)管理的信息化程度 我國(guó)很多中小企業(yè)的倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)基于人工操作，缺乏信息化的建設(shè)。這不僅導(dǎo)致企業(yè)管理者無法及時(shí)了解庫存信息，更無法進(jìn)行需求預(yù)測(cè)和生產(chǎn)規(guī)劃。滯后的信息化發(fā)展更成為制約倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人在我國(guó)大部分企業(yè)應(yīng)用的重要原因。因?yàn)閭}(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人系統(tǒng)的建立需要信息化的倉(cāng)庫管理數(shù)據(jù)支持。 3．2政府方面 3．2．1制定相關(guān)國(guó)家政策支持 目前我國(guó)機(jī)器人技術(shù)的落后、國(guó)外機(jī)器人系統(tǒng)的高成本加上我國(guó)低人力成本等因素的影響，導(dǎo)致倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人系統(tǒng)在我國(guó)的發(fā)展遇到了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。政府應(yīng)該制定相應(yīng)的政策，給予引入倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人系統(tǒng)的企業(yè)一定的政策性優(yōu)惠，從而推動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人在我國(guó)的發(fā)展與應(yīng)用。 3．2．2推動(dòng)我國(guó)倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人系統(tǒng)的研究 一是建設(shè)產(chǎn)學(xué)研聯(lián)盟：聯(lián)合高校，充分發(fā)揮人力、物力，形成強(qiáng)大的研究、開發(fā)和應(yīng)用隊(duì)伍。二是與國(guó)外先進(jìn)的研究所、公司合作，共同開發(fā)適合中國(guó)企業(yè)倉(cāng)儲(chǔ)模式的機(jī)器人系 統(tǒng)，改變過去一味引進(jìn)和依賴國(guó)外的技術(shù)的局面，為我國(guó)今后自主研制倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人提供相應(yīng)的技術(shù)儲(chǔ)備。相信在企業(yè)軟實(shí)力與信息化程度的提升、政府相關(guān)的政策支持、倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人系統(tǒng)技術(shù)研究的深入等多方面的推動(dòng)下，倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人系統(tǒng)將在我國(guó)物流領(lǐng)域逐步應(yīng)用與發(fā)展，幫助我國(guó)企業(yè)從根本上解決物流倉(cāng)儲(chǔ)問題，促進(jìn)我國(guó)物流業(yè)乃至整個(gè)工業(yè)的發(fā)展與進(jìn)步。 4、倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì) 倉(cāng)儲(chǔ)型配送中心是從倉(cāng)儲(chǔ)和配送這兩方面來分析成本的，這對(duì)企業(yè)來說也是有推進(jìn)作用的。當(dāng)今我國(guó)還處于起步階段對(duì)于倉(cāng)儲(chǔ)這一塊還有許多空白的地方，很多不該有支出的地方不明不白的就有了花費(fèi)，同時(shí)在配送這方面也存在著很多不合理，在全球都在講究利益的最大化的同時(shí)，唯有把自身的成本降到最低才能把企業(yè)推向頂點(diǎn)。隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，需求的不斷提升，中國(guó)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫從無到有，從小到大,從總量的明顯擴(kuò)張到結(jié)構(gòu)的明顯升級(jí)，逐步形成了有中國(guó)多樣化，多層次的消費(fèi)市場(chǎng)。這其中小型倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人功不可沒。機(jī)器人工程是近二十多年來迅速發(fā)展起來的綜合學(xué)科。它集中了機(jī)械工程、電子工程、計(jì)算機(jī)工程、自動(dòng)控制工程以及人工智能等多種學(xué)科的最新研究成果，是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一，也是我國(guó)科技界跟蹤國(guó)際高科技發(fā)展的重要方面［1］。工業(yè)機(jī)器人的研究、制造和應(yīng)用水平，是一個(gè)國(guó)家科技水平和經(jīng)濟(jì)實(shí)力的象征，正受到許多國(guó)家的廣泛重視。 自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人是物資流通中的關(guān)鍵單元，擔(dān)負(fù)著重要的作用，在發(fā)達(dá)國(guó)家“建就建自動(dòng)倉(cāng)庫”已成為必然。我國(guó)經(jīng)濟(jì)已逐漸融入世界經(jīng)濟(jì)，成為全球的加工基地。實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化，從而提高倉(cāng)庫的管理水平自動(dòng)化立體倉(cāng)庫系統(tǒng)由貨架、堆垛機(jī)、出入庫輸送機(jī)、自動(dòng)控制系統(tǒng)與管理信息系統(tǒng)等構(gòu)成，能按照指令自動(dòng)完成貨物的存取作業(yè)，并對(duì)倉(cāng)庫的貨物進(jìn)行自動(dòng)化管理，使物料搬運(yùn)倉(cāng)儲(chǔ)更加合理。由于采用貨架儲(chǔ)存，并結(jié)合計(jì)算機(jī)管理，可以容易地實(shí)現(xiàn)先入先出、發(fā)陳儲(chǔ)新的出入庫原則防止貨物自然老化、變質(zhì)、生銹等現(xiàn)象的出現(xiàn)。同時(shí)降低對(duì)人工需求的依賴，特別是降低特殊倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境中的人力資源成本 由于采用了自動(dòng)化技術(shù)后，自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)能適應(yīng)黑暗、有毒、低溫等特殊場(chǎng)合的需要［1］。 3. 主要研究?jī)?nèi)容： 由于倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人的一體化設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，所以本課題側(cè)重于研究小型倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。而倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要的任務(wù)包含以下三方面： 1. 小型倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 2. 小型倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人多自由度機(jī)身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.小型倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人的抓取結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4.完成論文的條件、方法及措施，包括實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、調(diào)研計(jì)劃、資料收集、參考文獻(xiàn)等內(nèi)容。 本論文（設(shè)計(jì)）要研究或解決的問題： 1 . 設(shè)計(jì)思路，工作原理，方案優(yōu)選定型。 2 . 驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。 3 . 多自由度機(jī)身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 4 . 抓取結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。 本論文（設(shè)計(jì)）采用的研究手段和方法： 首先查閱和參考相關(guān)資料文獻(xiàn)，做出小型倉(cāng)庫機(jī)器人的整體設(shè)計(jì)方案，然后通過對(duì)整機(jī)結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)、機(jī)身結(jié)構(gòu)、抓取結(jié)等各方面的計(jì)算與選型，進(jìn)行分析和優(yōu)化。最后在導(dǎo)師的指導(dǎo)下做出最佳的設(shè)計(jì)方案。 課題擬采用的方案： 設(shè)計(jì)中最主要的部分就是機(jī)器人多自由度機(jī)身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，機(jī)身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是機(jī)器人總體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心環(huán)節(jié)。機(jī)身是機(jī)械手的主要執(zhí)行部件。他的作用是支撐腕部和手部（包括工件與工具）。并帶動(dòng)他們作空間運(yùn)動(dòng)。 機(jī)身設(shè)計(jì)的基本要求為［3］：a 承載能力大，剛度好，自重輕 b 運(yùn)動(dòng)速度高，慣性小 c 動(dòng)作靈活手臂動(dòng)作應(yīng)靈活 d 位置精度要高 本次設(shè)計(jì)倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人主要是進(jìn)行倉(cāng)庫中物料的搬運(yùn)，是將倉(cāng)庫中的物料搬運(yùn)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化?？紤]到本次設(shè)計(jì)的倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人搬運(yùn)的物料是在8KG以下，而且物料不是很復(fù)雜，精度不是很高，所以設(shè)計(jì)的物料搬運(yùn)機(jī)器人采用四個(gè)自由度，分別是手臂隨著腰部的旋轉(zhuǎn)和上下伸縮進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，手臂的左右伸縮和手部的夾緊與放松。此四個(gè)自由度可以保證在工業(yè)生產(chǎn)中能夠?qū)⑽锪习徇\(yùn)到空間的各個(gè)位置上。倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人的四個(gè)自由度可以將夾取的物料搬運(yùn)到四周的位置上，但為了讓它的工作范圍擴(kuò)大，能夠減少機(jī)器人的投入量，所以我們將它固定在帶有輪子的機(jī)身上，從而實(shí)現(xiàn)其目的。倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人的工作過程如下：當(dāng)物料要求從物架上搬運(yùn)時(shí)，機(jī)器人通過手臂的伸縮和腰部的旋轉(zhuǎn)調(diào)整好位置，手部夾住物料。然后傳感器發(fā)出信號(hào)，通過機(jī)器人的底座旋轉(zhuǎn)，腰部伸縮，手臂伸縮將物料搬運(yùn)到指定的位置，手部松開，將物料放在指定的位置，再回到下一個(gè)物料的位置，這就完成了一個(gè)周期。 設(shè)計(jì)（論文）計(jì)劃進(jìn)度： 3月10日～3月22日，查閱文獻(xiàn)，翻譯外文，畢業(yè)實(shí)習(xí)。 3月23日～5月5日，完成初步方案設(shè)計(jì)與論證。 5月6 日～5月10日，中期檢查。 5月11日～6月17日，分析修改方案設(shè)計(jì)與論證，完成論文。 6月24日～6月28日，畢業(yè)答辯。 7月1日～7月5日，修改論文，提交有關(guān)材料。 參考文獻(xiàn) 【1】孟繁華. 機(jī)器人應(yīng)用技術(shù).哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1989. 【2】 周伯英. 工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995. 【3】杜祥瑛. 工業(yè)機(jī)器人及其應(yīng)用.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1986. 【4】徐灝. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第5卷[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992. 【5】天津大學(xué)《工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》編寫組.工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)基礎(chǔ).天津：天津科學(xué)技術(shù)出版社，1980. 【6】成大先. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本液壓傳動(dòng).化學(xué)工業(yè)出版社，2004. 設(shè)計(jì)（論文）計(jì)劃進(jìn)度： 3月10日～3月22日，查閱文獻(xiàn)，翻譯外文，畢業(yè)實(shí)習(xí)。 3月23日～5月5日，完成初步方案設(shè)計(jì)與論證。 5月6 日～5月10日，中期檢查。 5月11日～6月17日，分析修改方案設(shè)計(jì)與論證，完成論文。 6月24日～6月28日，畢業(yè)答辯。 7月1日～7月5日，修改論文，提交有關(guān)材料。 參考文獻(xiàn) 【1】孟繁華. 機(jī)器人應(yīng)用技術(shù).哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1989. 【2】 周伯英. 工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995. 【3】杜祥瑛. 工業(yè)機(jī)器人及其應(yīng)用.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1986. 【4】徐灝. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第5卷[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992. 【5】天津大學(xué)《工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》編寫組.工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)基礎(chǔ).天津：天津科學(xué)技術(shù)出版社，1980. 【6】成大先. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本液壓傳動(dòng).化學(xué)工業(yè)出版社，2004. 5.指導(dǎo)教師意見及建議： 簽字： 年 月 日 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 開題報(bào)告 論文題目：小型倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 系部名稱：機(jī)械工程系 專業(yè)班級(jí)： 學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 教師職稱：