开题报告-用于蛇形柔性臂的机械手抓的设计与仿真.docx

石及李X1.ANTECHNO1.ICA1.UNIVERSITY毕业设计（论文）开题报告题目:用于蛇形柔性骨的机械手爪的结构设计与仿真院（系）机电工程学院专业机械设计制造及其自动化班级姓名学号导师20XX年3月12日1毕业设计（论文）综述（艘目背景、研究意义及国内外相关研究情况）1.1 选题背景随着时代的发展，在工业制造中慢慢的引入了越来越多的机器人，他能够节省很多的人力资源，对我们社会有很大的帮助。其中机器的蛇形柔性再在机器人结构中扮演者重要角色,蛇形柔性臂由于具有多于确定机器人空间位置和姿态所需的自由度，易于回避障碍和克服奇异点，使它在现实中具有很强的实用性，如核电设备中错标繁发的管道检查、化工设备中有毒化学废料的处理等工作，目前，在被杆式同步万向节和端部微盘组合式吸盘两项专利技术的基础上所开发的RT1.蛇形柔性普，由于运动轨迹不连续，其转动角度的控制精度不高，因此，在要求定位精度较而的抓取动作时，必须设计能提供较高位置控制精度的末端机械手爪，以弥补RT-I蛇形柔性臂控制的不足"。如果能设汁一个优秀的蛇形柔性臂的机械手爪，是混流装配线提高生产柔性，降低生产成本，缩短交货期的重要保障之一。蛇形柔性再是一种细长杆件，同时又经常处于悬普梁状态，因此，动力传动系统要力求轻巧.为了减小动力传动系统的重量，该柔性将采用单电机驶动，通过特殊万向节带动每单元节内部的芯轴同步转动，从而将电机的动力传递到每单元节.再由计算机通过电磁离合器控制每单.元节内的弯曲机构与芯轴挂上或断开。柔性蛇形机器人由于其自身具有冗余自由度，故易于克服障碍和回避奇异点，能完成一般机械管所不能完成的动作。如高冗余度全方位柔性瞥可较容易进入缝隙中探测或抓取样品等。目前，柔性机器人的研究一般要求：单元重量轻，体枳小;关节弯曲灵活且弯曲角度大；控制简单、精度淘、驱动件（电机）数量少。对此，上海交通大学仿生机构学研究室研制了RT1型柔体机器人。本文基于该结构对工作空间及逆运动解、轨迹规划作了进一步的研究”.蛇形机械手鹘的诞生解决了传统机械再无法在狭小狂杂空间中运动的问题，在很多制造业中都有应用.蛇形机械臂的原理很简单，它由几段组成，每段有两个自由度，由三根线缆控制，每一根的长度由伺服电机或直线作动器决定。通过拉动或者延伸线缆的长度来控制形状。设计个好的机械手爪便能使这个能力得到显著提升，它有着这些方面的优点Z提高机器人的运动精度：提高机器人操作肉的灵活度和避障能力：提高机器人手抓的操作能力、灵活性与快速反应能力：提高机器人的运动速度和响应频率：加强机器人的移动能力。随着机械走向全自动化的速度越来越快，设计机器人的F爪这一任务也变得越来越重，只有科学的设计，才能为企业，为社会创造出更大的价值.1.2 研究意义80年代中期，技术革命的第3次浪潮冲击着全世界,在这个浪潮中，机错人技术起着先锋作用，工业机器人总数每年以30%以上的速度在增长，推动汽车工业形成全球规模的产业。当时，我国机器人的研究和开发尚处于起步阶段，研究和应用的水平都较低叫国家也很大程度上支持我国的机罂人发展，现在基本上掌握了机器人的设计制造技术、控制系统硬件和软件技术、运动学和轨迹规划技术，开发出喷漆、焊接、装配、搬运等机器人。尽管如此，我国的机器人技术及其工程应用的水平同国外比还有很大差距。究其原因。主要是我国还没有形成机器人产业。当前我国机器人生产都是应用户的要求，“一个用户，一次重新设计”，产品规格多,批地小、零件的通用性差、供货周期长,成本高,而且质量，可靠性都不稔定因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，刻产品进行全面规划，搞好系列化，通用化，模式化设计，积极推进机器人产业化的进程.随着空间技术和机器人技术的发展，重量轻、速度快、能耗小、造价低、结构索凌及负载/本体侦量比大的机器人操作制得到了越来越广泛的应用。然而它们的应用不可避免地带来些问题，例如，高速运动使轻膜长健杆存在分布柔性；齿轮弹性、电机启停和谐波驱动装置使操作科关节存在集中柔性：这些柔性使末端执行器在驱动力矩消失后发生残余振动。为了抑制振动，国内外许多学者致力于柔性臂控制策略的研究，取得了一些成果，但是还存在一些问题。例如，有的学者从柔性臂的动力学特性入手，希望找到一种能筋精确描述柔性臂运动规律的数学模型，从而得到合适的主动控制策略。然而，由于柔性酋是一个非线性、强耦合的蛊阶系统，无论哪种模型都存在近似，并常常存在系统的未建模信息。此外，有的学者还从机构出发，试图利用机器人的“自运动”人为构造的激励力来提高振动抑制的效果.这种方法富有创造性，但对手高速、高精度柔性多冗余度机器人动力学方程的简化和夏杂机构的应用，存在有效性和可行性等问题，而且“构造的激励力”只能近似地消除某儿阶模态振动，使“抑振”效果仍然有限。因此针对系统的未建模信息，人们希望引人智能控制策略来实现柔性性的控制1.与此同时，机器人机械结构的研究是研发过程中项重要内容，多年来符受国内外学齐的高度重视。作为机电一体化产品中的机械系统，该产品对其提出了许多新的要求：与般同类型机械相比，他必须具有更好的可能性，维修性以及更新颖的结构，零部件要求模块化，标准化，规格化等，此外，由丁应用领域的扩大以及工作任务的更杂化，多样化,这势必造成机器人产品正朝着多品种，多规格，小批量等方向发展.模块化机器人的研究无疑给其应用提供了更多的选择机会，但基于任务的随机组合特点也使机器人模块化设计成为了i个具有挑故性的课题久因此，在机器人实验平台研究项目的基班上，开展组合模块化机器人机械手爪的设计研尢，应着重对应用于蛇形柔性手臂的机械手爪的相关理论和结构实现进行探讨。1.3 国内外研究情况中国作为亚洲第三大的工业机器人需求国，市场发展稳定，随着我国产业结构调整升级不断深入和国际制造业中心向中国的转移，我国的机疑人市场会进一步加大，市场扩展的速度也会进一步提高",随着机器人研究的深入和各方面需求的巨大增长，机器人的应用领域在不断地扩大，概念也在不断地拓展，不再局限丁搬运、焊接以及大批珏作业的工业机器人，人类已经研制成功或正在研制用下危险环境作业、海洋资源探测、核能利用、军事侦察以及空间探测中的特种机器人。机器人已经从小说素材和科幻电影中发展为广泛应用于各领域的由计算机控制的智能机电装置系统。在机器人获得巨大发展的同时，机器人关键部件之的机器人手爪也获得了长足的进步'°。目前用于蛇形柔性臂的机械手爪的结构设计还不是很完善，目前的柔性机械惜的自身重量要比它能所抓起的质量大得多。如湾自身质量为30Kg,仅能搬运还不到IOKg物体，这与人蹲相比要小的多，其主要原因除了还没有出力大的关节聊动装置意外，还缺乏用轻型材料研制的可搬运质量比自身质增大的柔性机械臂。这类手爪的特点是在操作过程中不存在固定不变的夹持形心，所以他可抓取形状变化比较大的物体，但由于失去了对抓取对象的空间位置的精确控制，因此不适合机器人的装配操作，在实际中有同限性°1.3.1 国外发展现状；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，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。由于机械手的发展，进而促进了智能机涔人的研制。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比较强的技术。H前国外对发展这一技术很全视。几十年来，这项技术的研究和发展一直比较活跃，设计在不断修改，品种在不断的增加，应用领域在不断的扩大。目前国外的发展趋势是：(D研制更多自由度的机械手,这样机械手就可以变得更加灵活,从而完成更加多的工作。(2)研制带有行走机构的机t或手，这种机械手可以从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机械手。(4)研制能自动编制和自动改变程序的机械手。(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巴，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。用听筒和声极元件作为耳朵能听，用扬声器作为嘴能说话进行应答，用热点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，布理任务，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,尽显用最简单的结构和设备能完成更加多的动作。1.3.2 国内发展现状我国工业机器人起步于20世纪70年代初期，经过30多年的发展，大致可分为3个阶段:20世纪70年代的萌芽期.80年代的开发期，90年代的实用化期在高新技术发展的推动下，随着改革开放方针的实施，我国工业机器人在工业自动化的发展进程中扮演着极其重要的角色为了迅速缩短与工业发达国家的差异，并在高起点的平台上发展我国自己的机器人工业，要枳极吸收和利用国外已经成熟的机器人技术，并且要得到国家的重视和支持，目前，在国内广泛存在的机械手，虽然一般也都有记忆装置，但其他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.虽然在这方面相对下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r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。现在国内具有越来越强的自主研发单位，我相信在不久的将来，我国定能够赶上并将旦超越发达国家在机械手乃至整个机械方面处r领先地位。2本课题研究的主要内容和拟采用的研究方案,研究方法或措施2.1 主要研究内容三自由度机械手被人们称为3D机械人。所谓三自由度，就是它能够在个自由度方向上实现操作，即水平、垂直、旋转。运用三自由度机械手进行搽作具有操作灵活的特点，目前应用十分广泛。机械手一股由三部分构成，即手部、运动机构、控制系统。机械手的手部可以用来抓取工具，它可以根据被抓物体的尺寸、形状以及操作要求而分为多种结构，如夹持型、托持型和吸附型等。而机械手的自由度，就是由于运动机构的升降、伸缩、旋转等造成的。如果要抓取空间中的任何方向和物体，那么机械手需要有个自由度，因而自由度成为机械手构造中的关键因素。想要得到更加灵活的机械手，就必须加大机械手的自由度，而其结构也会更加复杂模块化机器人由丁具有独特的优点，引起r众多研究者和生产厂家的百度重视.但是要开发经济型模块化机器人必须解决许多关键技术，尤其是模块化技术本文主要围绕组合模块化机器人必须解决许多关键技术，尤其是模块化技术。本文主要围绕组合模块化机冷人机械手爪的设计机器控制展开了研究，主要内容包括以下几个方面(I)作为种现代方法，模块化设计在机器人领域至今没仃形成完整的理论体系，因此，有必要围绕机械手爪系统构造的模块化原理、构造方法、模块设计准则、模块化与产品创新等方面展开一些有益的探讨。(2)对机械手爪的构型用系统学的观点进行研究，用系统分析的结果去指导综合。分析现有的各种结构的二指机械手爪，并将犬抽象作为运动链，在其基础上得出多种型的方案，实现型优化。(3)在对机械手爪型分析、型粽合及模块设计理论探讨的基础上，本文拟定设计一基丁轴孔装配的模块化机械手爪样机.由机械手爪的机型、传动方式、，模块数量的合理确定以及模块间连接方式都将直接影响手爪的工作性能，必须进行深入探讨.此外，为了保证该模块化机械手爪整体的刚度和强度.对模块间的连接部件必须进行合理设计，并且对些关健零部件的强度和刚度进行必要的校核。(4)为了分析机械手爪的位置和姿态，进行了机械手爪的运动学分析，建立了正向和逆向运动方程。基于机械操作将控制的实验平台，确定了手爪的驱动装置和控制，进行了手爪夹持力的控制分析，并进行样机实效。2.2 研究方案、方法曲2.2.1 研究方法本设计主要任务是完成机械手的结构方面设计，以及液压系统方面的简单设计在本章中对机械手的坐标形式自由度驱动机构等进行/确定因此，在机械手的执行机构驱动机构是本次设计的主要任务“风（1）机械手基本形式的选择“常见的工业机械手根据手臂的动作形态,按坐标形式大致可以分为以下4种：直角坐标型机械手：网柱坐标型机械手；球坐标（极坐标）型机械手：多关节型机机械手其中圆柱坐标型机械手结构简里紧凑,定位精度较高，占地面积小，因此本设计采用图柱坐标型。（2）机械手的主要部件及运动。眼标型式采用圆柱+标型的基本方案选定后，根据设计任务，为了满足设计要求，本设计关于机械手具有3个自由度即手臂伸缩手臂回转手臂升降3个本设计机械手主要由3个大部件和液压缸组成：手部和腕部，手部采用一个直线液压缸，通过机构运动实现手爪的张合，腕部采用一个回转液压缸实现腕部带动手部回转。臂部伸缩机构，采用直线缸来实现手臂平动臂部回转及升降机构，采用一个回转缸和一个直线缸来实现手臂回转和升降。（3）驱动机构的选择.驱动机构是工业机械手的重要组成部分，工业机械手的性能价格比在很大程度上取决丁驱动方案及其装置根据动力源的不同，工业机械手的驱动机构大致可分为液压气动电动和机械驱动等四类。采用液压机构，抠动机械手,结构简单尺寸紧凑重量轻控制方便，驱动力大等优点因此机械手的驱动方案选择液压骗动。（4）根据机械原理，机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参数的数目（亦即为了使机构的位厘得以确定，必须给定独立的广义坐标的数目），称为机构自由度，其数目常以表示如果一个构件组合体的自由度F>0,他就可以成为一个机构，即表明各构件间可有相对运动；如果F=O,则它将是一个结构，即已退化为一个构件利用这个原理可以确定出来三个自由度的机械手。2.2.2 研究措施用模块化设计方法进行产品设计，其设计步骤大致相同，就机械手爪的模块化设计而言，其设计步骤通常如F：（1）进行市场调研和用户需求分析,确定机械手爪的功能和主要参数，如机械手爪（搬运、装配、电焊等）的用途、臼由度数、工作负荷等。（2）以功能分析为基础，将机械手爪划分为各种特定的功能模块。(3)确定机械操作者各功能模块的结构、尺寸、材料“(4)进行机械手爪的变型产品设计，构建它的功能模块和生产模块.(5)完成机械手爪的设计、试制。3预期成果形式课题研究的预期成果形式如下：(D完成毕业设计论文一篇(13000字左右)。(2)翻译与课题相关英文文献一篇(3000字左右)。4本课迤研究的重点及难点，前期已开展工作4.1重点及难点(D全面的了解蛇型柔性手普.(2)研究三自由度手爪的工作原理，以满足本课程设计的要求。(3)合理选取机械手各个部分类型，使其更好的工作.(4)绘制其装配图和零件图“(5)对目前已知的机械手设计进行运用并且寻求改进.4.2前期展开工作(1)了解本课题的研究背景和意义以及当前国内外的研究现状，拟定本次设计的目标任务及主要研究方法方案。(2)初步了解蛇形柔性臂的机械F爪的作用及其工作方式及其外观结构。(3)熟练运用AUtoCAD,So1.idworks等软件。(4)撰写开题报告，准备开题答辩。5完成本课题的工作方案及进度计划(按周次填写)(1)I-3周：调研并收集资料。(2)36周：确定该机构的设计方案和整体结构。(3)711周：完成该机构的结构设计计算.(4) 1215周：完成改机械手爪的装配图、装配模型和运动分析.(5) 16-18周：完成论文撰写,准备答辩“参考文献1王建滨，叫培苏,吴海平.一种用于蛇形柔性再的机械手爪设计.机械,2000,27(5)：29302马培菰，王建滨，朱海鸿等.种蛇形柔性将的系统及结构.上海交通大学学报，2001,35(1)：73753曲志奎，马培瞽，卢长利等.RT-I蛇形柔体机涔人的特点及逆运动学J.上海交通大学学报，2000,34(10)：135313544DeepakTrivedi»DustinDienno,ChristopherD.Rahn.Optima1.,ModeI-BasedDeSignofSoftRoboticManipu1.ators.MasterthesDepartinvritofMechanica1.andNuc1.earEngineering,ThePennsy1.vaniaStateUniversity,UniversityPark,20085孙立广机器人技术国内外发展状况.国内外机电一体化技术，2000,5(4)：29316VincenzoParenti-Casto1.1.i,MarcoCarricato.Fami1.yof3-1)OFTrans1.ationa1.Para1.1.e1.Manipu1.atorstJ.DIEMDepartmentofMechanica1.Engineering.UniversityofBo1.ogna.Via1.cRisorgimento2,40136Bo1.ognafIta,2003.105：3023047付庄，王树国，蔡鹤皋,机器人柔性臂的控制策略研究J.高技术通讯，1999,11(2)：54-*568Eric1.eeConstantinosMavroidis.JeanPierreMer1.et.FivePrecisionPointSynthesisoSpa1.ia1.RRRManipu1.atorsUsingInIerva1.na1.ysisj.RoboticsandMechatronicsUiboratory.DepartmentofMechanica1.andIndustria1.Engineering,NortheasternUniversi1.y»375Sne1.1.EngineeringCenter,360HuntingtonAvenue,Boston,2004,126：8428469VictorG1.azunov,SebastienBriot1VigenArake1.ian.InvestigationontheEffortTransmissioninP1.anarPara1.1.e1.Manipu1atorsJ.Mochanica1EngineeringResearchInstitute,RussianAcademyofSciences1.M.Kharitonyevski,Street41.101990Moscow,Russia.2013,5：2410骆敏舟，杨秀清，梅涛.机器人手爪的研究现状与进展.机器人技术与应用，2008,58(2),2527111赵军华，袁世先.机械设计中运动机构白由度的控制.煤炭技术,2003,32(4)：16-1812吕秀龙.三自由度机械手设计.http:WW2012-08-0813孙英K,罗爱华.我国工业机器人发展研究.科学技术与工程，2012,12(12)：2913291414周凌.三自由度气动机械手结构设计.煤炭技术，2012,31(12)：26-27U5刘少丽.浅谈工业机械手没计.机电工程技术，2011,40(7)：454616康立新，马建华.工业机械手的设计.北京：国防工业出版社,2004,217