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開(kāi)題報(bào)告 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械手及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系　　　　　　別： 機(jī)械與汽車(chē)工程系 專(zhuān)業(yè)名稱(chēng)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 學(xué)生姓名： 學(xué)　　　　　　號(hào)： 指導(dǎo)教師姓名、職稱(chēng)： 完成日期 2014 年 1 月 15 日 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）開(kāi)題報(bào)告 選 題 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械手及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 院 系 吉林大學(xué)珠海學(xué)院機(jī)械與汽車(chē)工程系 專(zhuān) 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 本選題的意義及國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r： 1、 本選題的意義： 工業(yè)機(jī)器人是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度的機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人是自動(dòng)執(zhí)行工作的機(jī)器裝置，是靠自身動(dòng)力和控制能力來(lái)實(shí)現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器。它可以接受人類(lèi)指揮，也可以按照預(yù)先編排的程序運(yùn)行，現(xiàn)代的工業(yè)機(jī)器人還可以根據(jù)人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動(dòng)。工業(yè)機(jī)器人技術(shù)是近年來(lái)新技術(shù)發(fā)展的重要領(lǐng)域之一，是以微電子技術(shù)為主導(dǎo)的多種新興技術(shù)與機(jī)械技術(shù)交叉、融合而成的一種綜合性的高新技術(shù)。這一技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防、醫(yī)療衛(wèi)生、辦公自動(dòng)化及生活服務(wù)等眾多領(lǐng)域有著越來(lái)越多的應(yīng)用。工業(yè)機(jī)器人在提高產(chǎn)品質(zhì)量、加快產(chǎn)品更新、提高生產(chǎn)效率、促進(jìn)制造業(yè)的柔性化、增強(qiáng)企業(yè)和國(guó)家的競(jìng)爭(zhēng)力等諸多方面有著舉足輕重的地位。而機(jī)械手是工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中傳統(tǒng)的任務(wù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是機(jī)器人的關(guān)鍵部件之一；是現(xiàn)代控制理論與工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化實(shí)踐相結(jié)合的產(chǎn)物，并以成為現(xiàn)代機(jī)械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分；是提高生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化、改善勞動(dòng)條件、提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的有效手段之一。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪聲以及帶有放射性和污染的場(chǎng)合，應(yīng)用得更為廣泛。在我國(guó)，近幾年來(lái)也有較快的發(fā)展，并取得一定的效果，受到機(jī)械工業(yè)和鐵路工業(yè)部門(mén)的高度重視。機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)采用滾珠絲桿、滑桿、等機(jī)械器件；電氣方面由交流電機(jī)、變頻器、傳感器、等電子器件組成。該裝置涵蓋了可編程控制技術(shù)，位置控制技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)等，是機(jī)電一體化的典型代表儀器之一。因此選擇此課題不僅能夠豐富知識(shí)，開(kāi)闊眼界，而且可以將書(shū)本上的理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐。實(shí)踐出真知，實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，所謂紙上得來(lái)終覺(jué)淺，絕知此事要躬行，只有通過(guò)實(shí)踐才能使自己找到薄弱環(huán)節(jié)，查漏補(bǔ)缺。 2、 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r： 1954年，美國(guó)人戴沃爾最早提出了工業(yè)機(jī)器人的概念，并申請(qǐng)了專(zhuān)利。該專(zhuān)利要點(diǎn)為借助伺服技術(shù)控制機(jī)器人的關(guān)節(jié)，利用人手對(duì)機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)作示教，使其實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的記錄和再現(xiàn)，被稱(chēng)為示教在現(xiàn)機(jī)器人，現(xiàn)有機(jī)器人基本上都是該控制方式。1958年，被譽(yù)為“工業(yè)機(jī)器人之父”的Joseph F.Engel Berger創(chuàng)建了世界上第一個(gè)機(jī)器人公司——Unimation公司，并參與設(shè)計(jì)了第一臺(tái)Unimate機(jī)器人。這是一臺(tái)用于壓鑄作業(yè)的五軸液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，手臂控制由一臺(tái)專(zhuān)用計(jì)算機(jī)完成。它采用分離式固體數(shù)控元件，并裝有存儲(chǔ)信息的磁鼓，能夠記憶和完成180個(gè)工作步驟。與此同時(shí)，另一家美國(guó)公司——AMF公司也開(kāi)始研制工業(yè)機(jī)器人。它主要用于機(jī)器之間的物料運(yùn)輸，采用液壓驅(qū)動(dòng)。該機(jī)器人的手臂可以繞底座回轉(zhuǎn)，沿垂直方向升降，也可以沿半徑方向伸縮。一般認(rèn)為，這兩種機(jī)器人是世界上最早的工業(yè)機(jī)器人。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)器人在功能和技術(shù)層次上有了很大的提高，移動(dòng)機(jī)器人和機(jī)器人的視覺(jué)與觸覺(jué)就是典型的代表。這些技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了機(jī)器人概念的延伸。20世紀(jì)80年代，將具有感覺(jué)、思考、決策和動(dòng)作能力的系統(tǒng)稱(chēng)之為智能機(jī)器人。水下機(jī)器人、空間機(jī)器人、空中機(jī)器人、地面機(jī)器人、微小型機(jī)器人等各種用途的機(jī)器人相繼問(wèn)世，許多夢(mèng)想成為了現(xiàn)實(shí)。將機(jī)器人的技術(shù)擴(kuò)散和滲透到各個(gè)領(lǐng)域，便形成了各式各樣的新機(jī)器——機(jī)器人化機(jī)器。當(dāng)前，與信息技術(shù)的交互和融合又產(chǎn)生了“軟件機(jī)器人”、“網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人”的名稱(chēng)，這也說(shuō)明了機(jī)器人所具有的創(chuàng)新活力。美國(guó)的機(jī)器人技術(shù)一直處于世界領(lǐng)先水平。在1967—1974年的幾年時(shí)間里，由于政府對(duì)機(jī)器人發(fā)展重視度不夠，且機(jī)器人處于發(fā)展初期， 價(jià)格昂貴，適用性不強(qiáng)，所以發(fā)展緩慢。此后，由于美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)、制造工工程師協(xié)會(huì)積極主動(dòng)的進(jìn)行機(jī)器人技術(shù)推廣工作，且美國(guó)為了高效生產(chǎn)，適應(yīng)市場(chǎng)多變的需求，以機(jī)器人為核心的柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線恰好有這些優(yōu)點(diǎn)，所以機(jī)器人技術(shù)得以迅猛發(fā)展。日本機(jī)器人的發(fā)展經(jīng)過(guò)了20世紀(jì)60年代的搖籃期，70年代的實(shí)用化時(shí)期，以及80年代的普及、提高期3個(gè)基本階段。在1967年，日本東京機(jī)械貿(mào)易公司首次從美國(guó)引進(jìn)機(jī)器人。1968年，日本川崎重工業(yè)公司與美國(guó)Unimation公司締結(jié)國(guó)際技術(shù)合作協(xié)議，引進(jìn)機(jī)器人。1970年，日本機(jī)器人實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。從此，日本進(jìn)入了開(kāi)發(fā)和應(yīng)用機(jī)器人時(shí)期。幾年后，美國(guó)反而要向日本進(jìn)口機(jī)器人。1983年，美國(guó)從日本進(jìn)口機(jī)器人占進(jìn)口機(jī)器人總數(shù)的78%。日本政府和企業(yè)一直充分信任機(jī)器人，大膽使用機(jī)器人。在解決勞動(dòng)力不足、提高生產(chǎn)率、改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量、降低產(chǎn)品成本方面，機(jī)器人發(fā)揮著越來(lái)越顯著的作用，成為日本保持經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)速度和產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)能力的不可缺少的隊(duì)伍。日本在汽車(chē)、電子行業(yè)大量使用機(jī)器人生產(chǎn)，是日本汽車(chē)及電子產(chǎn)品生產(chǎn)量猛增，質(zhì)量日益提高，而制造成本則大幅降低，從而使日本汽車(chē)能夠以廉價(jià)的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)進(jìn)軍號(hào)稱(chēng)“汽車(chē)王國(guó)”的美國(guó)市場(chǎng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2007年日本機(jī)器人的銷(xiāo)售額為5850億日元，其中出口額達(dá)到3730億日元。日本推動(dòng)機(jī)器人發(fā)展的主要原因是向海外發(fā)展的日本企業(yè)數(shù)量逐漸增加，同時(shí)海外的汽車(chē)制造商也開(kāi)始積極地引進(jìn)日本機(jī)器人?，F(xiàn)在，日本機(jī)器人主要用于汽車(chē)制造業(yè)和電子機(jī)械產(chǎn)業(yè)，而電子機(jī)械產(chǎn)品中的電子零件封裝、半導(dǎo)體封裝、無(wú)塵室、組裝等領(lǐng)域占了日本機(jī)器人銷(xiāo)售額的一半?，F(xiàn)在日本擁有機(jī)器人的總量為美國(guó)的7倍。 我國(guó)工業(yè)機(jī)器人起步于上世紀(jì)1970年初期，經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，大致經(jīng)歷了3個(gè)階段：70年代的萌芽期，80年代的開(kāi)發(fā)期和90年代的適用化期。1970年我國(guó)也發(fā)射了人造衛(wèi)星。世界上工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用掀起一個(gè)高潮，尤其在日本發(fā)展更為迅猛，它補(bǔ)充了日益短缺的勞動(dòng)力。在這種背景下，我國(guó)于1972年開(kāi)始研制自己的工業(yè)機(jī)器人。進(jìn)入80年代后，在高技術(shù)浪潮的沖擊下，隨著改革開(kāi)放的不斷深入，我國(guó)機(jī)器人技術(shù)的開(kāi)發(fā)與研究得到了政府的重視與支持?！捌呶濉逼陂g，國(guó)家投入資金，對(duì)工業(yè)機(jī)器人及其零部件進(jìn)行攻關(guān)，完成了示教再現(xiàn)式工業(yè)機(jī)器人成套技術(shù)的開(kāi)發(fā)，研制出了噴涂、點(diǎn)焊、弧焊和搬運(yùn)機(jī)器人。1986年國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）開(kāi)始實(shí)施，智能機(jī)器人主題跟蹤世界機(jī)器人技術(shù)的前沿，經(jīng)過(guò)幾年的研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特種機(jī)器人。從90年代初期起，我國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)進(jìn)入實(shí)現(xiàn)兩個(gè)根本轉(zhuǎn)變時(shí)期，掀起了新一輪的經(jīng)濟(jì)體制改革和技術(shù)進(jìn)步熱潮，我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人又在實(shí)踐中邁進(jìn)一大步，先后研制出了點(diǎn)焊、弧焊、裝配、噴漆、切割、搬運(yùn)、包裝碼垛等各種用途的工業(yè)機(jī)器人，并實(shí)施了一批機(jī)器人應(yīng)用工程，形成了一批機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化基地，為我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的騰飛奠定了基礎(chǔ)。雖然中國(guó)的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)在不斷的進(jìn)步中，但和國(guó)際同行相比，差距依舊明顯。從市場(chǎng)占有率來(lái)說(shuō)，更無(wú)法相提并論。工業(yè)機(jī)器人很多核心技術(shù)，當(dāng)前我們尚未掌握，這是影響我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要瓶頸。 研究?jī)?nèi)容： 本課題將設(shè)計(jì)一臺(tái)四自由度的工業(yè)機(jī)器人，將會(huì)被用作自動(dòng)送料裝置。主要工作部件及設(shè)計(jì)重點(diǎn)就是機(jī)械手。第一，本人將設(shè)計(jì)該機(jī)器人的底座、大臂、小臂以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)械手爪的結(jié)構(gòu)和模型；第二，再設(shè)計(jì)出適合于該機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)方式，以期構(gòu)成其的結(jié)構(gòu)平臺(tái)。最后，在此基礎(chǔ)上再將其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)出來(lái)，由下面幾個(gè)步驟組成：數(shù)據(jù)采集卡和伺服放大器的選擇、反饋方式和反饋元件的選擇、端子板電路的設(shè)計(jì)以及控制軟件的設(shè)計(jì)。其中重點(diǎn)要加強(qiáng)控制軟件的可靠性和機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程的安全性，最終要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)包括：關(guān)節(jié)的伺服控制和制動(dòng)問(wèn)題、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)情況、機(jī)器人的示教編程和在線修改程序、設(shè)置參考點(diǎn)和回參考點(diǎn)。 研究方法、手段及步驟： 1、 研究機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)，并繪制機(jī)械零件圖和裝配圖 2、 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)方式的選擇 3、 控制系統(tǒng)模式的選擇 4、 研究所選控制系統(tǒng)的構(gòu)成及搭建 5、 控制系統(tǒng)軟件的選擇及操作 6、 誤差與性能提升分析 參考文獻(xiàn)： 1、 工業(yè)機(jī)器人技術(shù) 西安電子科技大學(xué)出版社 2、機(jī)電傳動(dòng)控制 華中科技大學(xué)出版社 3、工業(yè)機(jī)器人圖冊(cè) 機(jī)械工業(yè)出版社 4、機(jī)電一體化實(shí)用手冊(cè) 科學(xué)出版社 5、控制電氣及應(yīng)用 清華大學(xué)出版社 6、C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)教程 華南理工大學(xué)出版社 7、機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì) 機(jī)械工業(yè)出版社 8、電工與電子技術(shù) 高等教育出版社 9、機(jī)電一體化技術(shù) 西安電子科技大學(xué)出版社 10、機(jī)械技術(shù)基礎(chǔ) 機(jī)械工業(yè)出版社 11、大學(xué)C++程序設(shè)計(jì)教程 高等教育出版社 12、大學(xué)Visual C++程序設(shè)計(jì)案例教程 高等教育出版社 13、Industrial robot technology Oxford Press 14、Craig, John J. Introduction to robotics 15、Basilio Bona and Aldo Curatella. Identification of Industrial Robot Parameters for Advanced Model-Based Controllers Design Proceedings of the 2005 IEEE International Conference on Robotics and Automation. Barcelona, Spain, April 2005 16、Introduction to Robotics Mechanics and Control - Third Edition - John J. Craig