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南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告 學(xué) 生 姓 名： 李軍 學(xué) 號： 0901010218 專 業(yè)： 機械工程及自動化 設(shè)計(論文)題目： 防爆搬運機器人設(shè)計 —機身系統(tǒng)設(shè)計 指 導(dǎo) 教 師: 郭鋼 年 月 日  畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開 題 報 告 1．結(jié)合畢業(yè)設(shè)計（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，每人撰寫 2000字左右的文獻(xiàn)綜述： 文 獻(xiàn) 綜 述 摘要 防爆搬運機器人是一個國家高科技發(fā)展水平的重要標(biāo)志，具有廣闊的應(yīng)用前景。防爆搬運機器人最成功的應(yīng)用是在有高爆炸危險的環(huán)境下進(jìn)行搬運工作。本文以防爆搬運機器人為研究對象，重點研究介紹防爆搬運機器人的機身系統(tǒng)設(shè)計。闡述了防爆搬運機器人的發(fā)展歷史以及國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，展望了機器人的未來發(fā)展趨勢。最后根據(jù)防爆搬運機器人的各項技術(shù)指標(biāo)，確定了研究方案。 關(guān)鍵詞 防爆搬運機器人 液壓驅(qū)動 機身系統(tǒng) 1 引言 機器人技術(shù)是20世紀(jì)人類最偉大的發(fā)明之一，廣泛運用于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中[1]。機器人是一種自動化的機器，所不同的是這種機器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力，規(guī)劃能力，動作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機器[2]?！彪S著社會發(fā)展的需要和機器人應(yīng)用領(lǐng)域的擴大,人們對搬運機器人的要求也越來越高。搬運機器人所處的環(huán)境往往是未知的、難以預(yù)測的[3]。所以研究出防爆搬運機器人對改善人類危險作業(yè)有很大的幫助。 2 防爆搬運機器人發(fā)展歷史 從20世紀(jì)60年代后期開始，搬運、噴漆、弧焊機器人相繼在生產(chǎn)中得到應(yīng)用，并且出現(xiàn)了由加工中心和工業(yè)機器人組成的柔性制造單元。從20世紀(jì)70年代開始，機器人技術(shù)的研究重點被放在對外部傳感器和控制方法的研究上。20世紀(jì)80年代和90年代，在著重解決機器人感覺的同時，人機接口和機器人與環(huán)境的交互接口方面也有了較大的進(jìn)步[5]。 在搬運機器人方面，我國有較好的基礎(chǔ)性研究和工業(yè)化應(yīng)用。哈爾濱工業(yè)大學(xué)早在20 世紀(jì)80 年代就開始了機器人方面的研究。成功地研制了碼垛機器人，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。 搬運機器人是代替人類勞動，完成搬運工作的一種工業(yè)機器人，廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)品的包裝與運輸。搬運機器人已廣泛應(yīng)用于汽車零部件制造、汽車生產(chǎn)組裝、機械加工、電子電氣、橡膠及塑料、木材與家具制造等行業(yè)中。同時也應(yīng)用在醫(yī)藥、食品、飲料、化工等行業(yè)的輸送、包裝、裝箱、搬運、碼垛等工序[6]。 英國最有名的是“手推車”防爆機器人，它70年代開始應(yīng)用，現(xiàn)在已有8種型號，暢銷50多個國家。隨著我國經(jīng)濟的高數(shù)發(fā)展，大型國際政治、經(jīng)濟、文化、體育活動增加對防爆機器人的需求前景極為廣闊[10]。 3 防爆搬運機器人發(fā)展現(xiàn)狀 目前，工業(yè)機器人的應(yīng)用主要還是集中在焊接、裝配、工件搬運、機床上下料和噴漆(涂) 等作業(yè)領(lǐng)域，工件搬運和機床上下料是工業(yè)機器人又一重要應(yīng)用領(lǐng)域， 可以預(yù)料，隨著柔性自動化技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展[7]，防爆搬運機器人的需求將增加。 搬運和碼垛作業(yè)在現(xiàn)代企業(yè)的物流管理中占有重要地位。日本、德國等國家在大批量生產(chǎn)如家電、食品、水泥、化肥等行業(yè)廣泛使用了搬運機器人[9]。為適應(yīng)我國公安，武警部隊對安全和反恐裝備發(fā)展的需求，開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的排爆機器人，防爆機器人和微小型防爆彈發(fā)射機器人。目前幾十臺機器人已經(jīng)交付公安部門使用，為社會發(fā)展與公共安全提供技術(shù)裝備服務(wù)[8]。 日常工業(yè)生產(chǎn)中, 很多崗位要求工人進(jìn)行重復(fù)性的工作,例如自動化倉庫、工業(yè)生產(chǎn)線等。長時間進(jìn)行同一項工作容易使人身體靈敏度降低, 勞動效率不高, 且容易引發(fā)事故。隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展, 人們迫切需要找到一種能夠進(jìn)行簡單重復(fù)性操作, 且投入少、效率高的機械設(shè)備, 由此, 搬運機器人便應(yīng)運而生。搬運機器人技術(shù)是控制技術(shù)、機械工程技術(shù)、傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和計算機技術(shù)等多學(xué)科領(lǐng)域的交叉綜合。由于其在工業(yè)上的巨大價值, 各國的大學(xué)和研發(fā)機構(gòu)在智能機器人系統(tǒng)開發(fā)上投入巨大。我國這方面的研究起步于20 世紀(jì)80 年代, 經(jīng)過20 多年的發(fā)展, 已取得長足的進(jìn)步[4]。 4 防爆搬運機器人發(fā)展趨勢 機器人的應(yīng)用越來越廣泛,幾乎滲透到所有領(lǐng)域[11]。搬運機器人的操作和使用推廣屬于自動化技術(shù)中增值最快的領(lǐng)域之一，搬運機器人可以完成迄今為止人力所無法完成的艱巨任務(wù)[12]。而對危險品彈藥的探測，定位，夾持搬運，安全轉(zhuǎn)移等作業(yè)環(huán)節(jié)均存在較大危險，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步機器人與工業(yè)自動化技術(shù)的迅猛發(fā)展，使得機器人可以在人的控制下，到這種危險場合處理情況[13]。 德國目前還處于“痛苦階段”。Schnoor先生在今年杜塞爾多夫舉辦的Interpark專業(yè)展覽會上可以感覺到機器人制造廠商在極力推出儲運自動化方面的技術(shù)，而他們也迎來了潮水般的項目詢問浪潮[14]?？紤]到防爆機器人運動過程中需要進(jìn)行大量的計算，并保證控制的實時性，所以采用雙數(shù)字信號處理器（DSP）作為防爆機器人的控制CPU[15]。 總的來說，防爆搬運機器人在現(xiàn)代社會中代替人在危險環(huán)境作業(yè)被廣泛運用，防爆搬運機器人技術(shù)也越來越趨向于智能化、自動化、實用化、為人類帶來了福音。 5 結(jié)論 防爆搬運機器人是自動化領(lǐng)域的的主題之一，人們幾十年來對機器人的開發(fā)和研究，使得機器人技術(shù)取得了巨大的進(jìn)步。本課題主要闡述了隨著我國的機器人技術(shù)水平的不斷提高，防爆搬運機器人已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于危險的環(huán)境作業(yè)，解決了許多遇到的危險作業(yè)問題。防爆搬運機器人不僅被大量應(yīng)用于反恐中，就在工業(yè)生產(chǎn)中也被廣泛應(yīng)用。而且機器人的應(yīng)用也越來越智能化，實用化，自動化。總而言之，防爆搬運機器人的運用要安全，可靠，為我國工業(yè)生產(chǎn)等提供方便。 參 考 文 獻(xiàn) [1] 譚民,徐德,侯增廣等.先進(jìn)機器人控制[M].北京：高等教育出版社,2007,3～4. [2] 李云江.機器人概論[M].北京:機械工業(yè)出版社,2011.1～2. [3] 孟慶春,齊勇,張淑軍等.智能機器人及其發(fā)展[J].中國海洋大學(xué)學(xué)報,2004,34(5)：831～838. [4] 王文憑,李天培,馮根生.一種智能搬運機器人的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機測量與控制,2011,19(2):395. [5] 朱世強,王宣銀.機器人技術(shù)及其應(yīng)用[M].杭州:浙江大學(xué)出版社,2011,2～4. [6] 劉鳳臣,劉黎明,金杰鋒.高速搬運機器人產(chǎn)業(yè)應(yīng)用及發(fā)展[J].輕工機械,2012,30(2):1005～2895. [7] 李如松.工業(yè)機器人的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望[J].大連組合機床研究所,1994，(4):37～41. [8] 曹詳康,謝存禧.我國機器人發(fā)展歷程[J].教育娛樂機器人,2008,(5):44～46. [9] 劉飛飛,繆周.重型桶裝物品搬運碼垛機器人的設(shè)計與研究[J].機床與液壓,2004, (6):1001～3881. [10] 李科杰.危險作業(yè)機器人發(fā)展戰(zhàn)略研究[J].機器人技術(shù)與應(yīng)用,2003,(5):14～22. [11] 徐國華,譚明.移動機器人的發(fā)展現(xiàn)狀及其趨勢[J].機器人技術(shù)與應(yīng)用,2001, (3):7～14. [12] Klaus Vollrath.物料搬運機器人[J].現(xiàn)代制造 ,2004,(26):30～33. [13] 王浩,馬振書,夏輝等.危險品彈藥遙操作搬運機器人的研究與開發(fā)[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2007,7(3):1671～1819. [14]Josef Klaus.成套而靈活的搬運機器人[J].現(xiàn)代物流,2005,(6):58-60. [15] 李瑞峰,亢雪英.基于雙DSP的防爆機器人控制器的設(shè)計[J].制造業(yè)自動化,2005, 43(4):134～1009.  畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開 題 報 告 ２．本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）： 1 本課題研究的問題 本課題研究的是防爆搬運機器人的總體方案設(shè)計，機身系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和機身驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計。由于防爆搬運機器人的工作環(huán)境一般十分惡劣，所以本課題研究的機器人不僅要先確定它的自由度數(shù)，還要考慮機器人的重復(fù)定位精度。除此之外，為了使得機器人更好的運作，我們還要采取適當(dāng)?shù)尿?qū)動方式，有選擇的研究它的傳動方式和平衡方式，以及充分考慮我們所需要采取的防爆措施。 2 本課題的研究方向擬采用的研究手段 2.1 自由度數(shù) 描述剛體系位形坐標(biāo)選取方法多種多樣，但是描述剛體系位形的最小坐標(biāo)數(shù)是不變的，這個不變數(shù)就是系統(tǒng)的自由度數(shù)。自由度是說“自由運動空間的維數(shù)”。根據(jù)防爆搬運機器人實際的工作狀況，本課題設(shè)計的機器人機身自由度數(shù)為4，包括腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)4個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。由此可以提高機器人機構(gòu)的動力學(xué)性能。 2.2 重復(fù)定位精度 重復(fù)定位精度是指在相同條件下加工一批零件所得到的連續(xù)結(jié)果的一致程度。重復(fù)定位精度受伺服系統(tǒng)特性、進(jìn)給系統(tǒng)的間隙與剛性以及摩擦特性等因素的影響，一般情況下，重復(fù)定位精度是呈正態(tài)分布的偶然性誤差，它影響一批零件加工的一致性，是一個非常重要的精度指標(biāo)。根據(jù)機身設(shè)計要求和機器人的工作穩(wěn)定性，機器人各關(guān)節(jié)的運動精度將直接影響機器人的重復(fù)定位精度,所以在機器人機構(gòu)精度設(shè)計中,往往需要針對給定的重復(fù)定位精度來分配各關(guān)節(jié)的運動精度。本課題研究給出的機器人重復(fù)定位精度是0.5 mm。所以為了保證精度要求，采用正反螺旋結(jié)構(gòu)或者凸輪結(jié)構(gòu)，定位面要用已經(jīng)加工過的精度高一點的表面，還要保證每一次都定位在同一位置。 2.3 驅(qū)動方式 機器人的驅(qū)動方式主要分為液壓、氣動和電動三種。液壓驅(qū)動主要有直線驅(qū)動，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動，開環(huán)和閉環(huán)控制液壓系統(tǒng)。液壓驅(qū)動的本質(zhì)優(yōu)點在于它的安全性，并且該驅(qū)動系統(tǒng)具有較大的功率體積比，適用于大負(fù)載。而氣壓驅(qū)動只適合節(jié)拍快，負(fù)載小精度要求不高的場合。電動驅(qū)動如步進(jìn)電機驅(qū)動等只適用于中等負(fù)載的機器人。驅(qū)動裝置還有質(zhì)量輕，效率高，控制靈活安全可靠，操作維修方便等要求。由于考慮到防爆搬運機器人一般在危險的環(huán)境下作業(yè)，負(fù)載要求大等。本課題選擇機器人的驅(qū)動方式為液壓驅(qū)動。 2.4 傳動方式的比較選用 防爆搬運機器人的傳動可以選用機械傳動、液壓傳動、電氣傳動，但各個傳動方式都有優(yōu)缺點。機械傳動主要有帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動等。機械傳動比較準(zhǔn)確，適用于定傳動，實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動的結(jié)構(gòu)簡單，并能傳遞較大的扭矩，故障容易發(fā)現(xiàn)，便于維修。但是一般情況下不穩(wěn)定，制造精度不高，振動和噪聲較大，實現(xiàn)無極變速的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。液壓傳動是用液體作為工作介質(zhì)來傳遞能量和進(jìn)行控制的傳動方式。液壓傳動傳動較為平穩(wěn)，便于實現(xiàn)頻繁的換向，質(zhì)量輕，體積小，易于獲得大的力和扭矩，容易實現(xiàn)無極調(diào)速等。但是液壓元件制造精度要求較高，不宜遠(yuǎn)距離輸送動力，發(fā)生故障不易排查和排除。電氣傳動是指用電動機把電能轉(zhuǎn)換成機械能，去帶動各類的生產(chǎn)機械物品等。電氣傳動的電機效率較高，運轉(zhuǎn)比較經(jīng)濟，電能的傳輸和分配比較方便，易于控制。所以綜合考慮本課題研究的防爆搬運機器人采用液壓傳動。 2.3 平衡方式 在機器人操作機設(shè)計中，特別是有回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的地方，就需要利用力矩平衡原理來進(jìn)行機構(gòu)的設(shè)計。機器人系統(tǒng)最簡單的平衡方式就是配重平衡方式，這是一種靜態(tài)平衡方式，當(dāng)機器人處于靜止時，使機器人手臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)兩端的重力矩相等。在防爆搬運機器人中常用的平衡方式有彈簧平衡系統(tǒng)。這是一種動態(tài)的平衡方式，它同樣是利用力矩平衡的原理來進(jìn)行設(shè)計的。工業(yè)機器人中另一種常用的平衡方式是氣動平衡。不論是那種方式也還有不完善的地方，絕對的動態(tài)平衡是較難以獲得的，在機器人系統(tǒng)中經(jīng)常采用幾種平衡方式。本課題研究的防爆搬運機器人大臂可采用氣動平衡，肘部采用彈簧平衡，肩部采用配重平衡。這樣可使機器人減小驅(qū)動電機的功率，降低功率的波動，使機器人工作時平穩(wěn)，提高機器人的動態(tài)性能。 2.5 防爆措施 由于防爆搬運機器人一般都是在很惡劣易產(chǎn)生爆炸的環(huán)境下作業(yè)，所以機器人的防爆措施一定要做到位。首先，我們可以采取靜態(tài)正壓型機器人外殼實現(xiàn)方法。靜態(tài)正壓型機器人外殼由密封外殼和內(nèi)置正壓系統(tǒng)構(gòu)成。密封外殼的作用是保證沖入殼體內(nèi)的保護(hù)氣體不外泄，因而保證殼體內(nèi)部壓力值在機器人工作過程中始終保持正壓。另外，機器人還可以采用通風(fēng)式正壓防爆結(jié)構(gòu)，就是給機器人配備一套空氣凈化系統(tǒng)，用供氣管向這些密封的殼體內(nèi)不斷輸送清潔的、不可燃的、高于周圍大氣壓的保護(hù)氣體，以防止外界易燃?xì)怏w的進(jìn)入。  畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開 題 報 告 指導(dǎo)教師意見： 1．對“文獻(xiàn)綜述”的評語： 2．對本課題的深度、廣度及工作量的意見和對設(shè)計（論文）結(jié)果的預(yù)測： 指導(dǎo)教師： 年 月 日 所在專業(yè)審查意見： 負(fù)責(zé)人： 年 月 日