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开题报告周冬冬

南京理工大学泰州科技学院

毕业设计（论文）开题报告

学生姓名：

周冬冬

学号：

0901010247

专业：

机械工程及自动化

设计（论文）题目：

防爆搬运机器人设计

—腕部系统设计

指导教师:

郭钢

2013年月日

毕业设计（论文）开题报告

1．结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写

2000字左右的文献综述：

文献综述

摘要：

在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，搬运机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。

搬运机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平。

目前，机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，一般采取示教再现的工作方式。

在防爆搬运机器人设计中，腕部是连接手部和臂部的部件，并可用来调节被抓物体的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。

本文就防爆搬运机器人腕部及控制系统的设计作了阐述。

关键词：

搬运机器人、腕部设计、传动机构

1引言

2008奥运会、2010世博会，对危险环境作业机器人的需要极为迫切，客观上为我国机器人发展提供了广阔的空间。

危险作业机器人的实际意义在于，通过无线或有线方式遥控操作机器人代替人到危险环境中去执行一些危险任务，比如它能到有危险爆炸物、辐射、毒气等一些人们不易接近的环境作业，即使不幸发生事故，也不会造成人员伤亡，从而最大程度上保证了人员安全和财产免受损失[1]。

国际上危险作业机器人的发展不仅速度很快，而且种类繁多，相比之下，我国在这方面发展就落后许多，特别是在机器人的可靠性方面[2]。

防爆搬运机器人可以选择在手臂上安装爆炸物销毁器，实现远距离控制销毁爆炸物；也可以佩带有简易机械手的挂车式防爆筒，在操作人员的远距离控制下取、放爆炸物，使防爆筒使用更为安全。

该机器人可以应用于机场、大型超市等公众场所的危险物排除和危险品的运输[3]。

1.1防爆搬运机器人概述

防爆搬运机器人按照结构形式的不同可分为多种类型，其中关节型机器人以其结构紧凑，所占空间体积小，相对工作空间最大，甚至能绕过基座周围的一些障碍物等这样一些特点，成为防爆搬运机器人中使用最多的一种结构形式，世界一些著名机器人的本体部分都采用这种机构形式的机器人[4]。

要机器人像人一样拿取东西，最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和移动机构——执行机构；像肌肉那样使手臂运动的驱动－传动系统；像大脑那样指挥手动作的控制系统。

这些系统的性能就决定了机器人的性能[5]。

一般而言，防爆搬运机器人通常就是由执行机构、驱动－传动系统和控制系统这三部分组成，如图1-1所示。

图1-1防爆搬运机器人的一般组成

防爆搬运机器人在实际的工作中就是一个机械手，机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：

其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。

因而，受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用。

尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。

在我国近几年也有较快的发展，并且取得一定的效果，受到机械工业的重视。

机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强。

随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。

由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用[6]。

机器人就是用机器代替人手，把工件由某个地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操纵工件进行加工。

机器人一般分为三类。

第一类是不需要人工操作的通用机器人，也即本文所研究的对象。

它是一种独立的、不附属于某一主机的装置，可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定操作。

它是除具备普通机械的物理性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。

第二类是需要人工操作的，称为操作机（Manipulator）。

它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机器人来进行探测月球等。

工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。

第三类是专业机器人，主要附属于自动机床或自动生产线上，用以解决机床上下料和工件传送。

这种机器人在国外通常被称之为“MechanicalHand”，它是为主机服务的，由主机驱动。

除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的[7]。

1.2防爆搬运机器人的历史、现状及应用

机器人首先是从美国开始研制的，1958年美国联合控制公司研制出第一台机器人。

它的结构特点是机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。

日本是工业机器人发展最快、应用最多的国家[8]。

自1969年从美国引进两种典型机器人后，大力从事机器人的研究。

目前防爆搬运机器人大部分还属于第一代，主要依靠人工进行控制；控制方式则为开环式，没有识别能力；改进的方向主要是降低成本和提高精度。

第二代机器人正在加紧研制，它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。

研究安装各种传感器，把感觉到的信息进行反馈，使机器人具有感觉机能。

第三代机器人则能独立地完成工作过程中的任务,它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统FMS（FlexibleManufacturingSystem）和柔性制造单元FMC（FlexibleManufacturingCell）中的重要一环[9]。

随着现代化科学技术的飞速发展和社会的进步，针对于上述各个领域的机器人系统的应用和研究对系统本身也提出越来越多的要求。

制造业要求机器人系统具有更大的柔性和更强大的编程环境，适应不同的应用场合和多品种、小批量的生产过程。

计算机集成制造（CIM）要求机器人系统能和车间中的其它自动化设备集成在一起。

研究人员为了提高机器人系统的性能和智能水平，要求机器人系统具有开放结构和集成各种外部传感器的能力[10]。

1.3机器人发展趋势

随着现代化生产技术的提高，机器人设计生产能力进一步得到加强，尤其当机器人的生产与柔性化制造系统和柔性制造单元相结合，从而改变目前机械制造的人工操作状态，提高了生产效率。

就目前来看，总的来说现代工业机器人有以下几个发展趋势：

a）提高运动速度和运动精度，减少重量和占用空间，加速机器人功能部件的标准化和模块化，将机器人的各个机械模块、控制模块、检测模块组成结构不同的机器人；

b）开发各种新型结构用于不同类型的场合，如开发微动机构用以保证精度；开发多关节多自由度的手臂和手指；开发各类行走机器人，以适应不同的场合；

c）研制各类传感器及检测元器件，如，触觉、视觉、听觉、味觉、和测距传感器等，用传感器获得工作对象周围的外界环境信息、位置信息、状态信息以完成模式识别、状态检测。

并采用专家系统进行问题求解、动作规划，同时，越来越多的系统采用微机进行控制[11]。

2搬运机器人腕部研究现状

手腕是操作机的小臂（上臂）和末端执行器（手爪）之间的连接部件。

其功用是利用自身的活动度确定被末端执行器夹持物体的空间姿态，也可以说是确定末端行器的姿态。

故手腕也称作机器人的姿态机构[12]。

对一般商用机器人，末杆（即与末端执行器相联结的杆）都有独立的自转功能，若该杆再能在空间取任意方位，那么与之相联的末端执行器就可在空间去任意姿态，即达到完全灵活的境地。

对于任一杆件的姿态（即方向），可用两个方位确定[13]。

腕结构最重要的评价指标就是dex值。

若为3个百分之百，该手腕就是最灵活的手腕。

一般说来，

、

的最大值取360°，而

值可取的更大一些，如果拧螺钉，最好

无上限。

腕结构是操作机中最复杂的结构，而且因转动系统互相干扰，更增加了腕结构的设计难度。

腕部的设计要求是:

重量轻，dex的组合值必须满足工作要求并留有一定的裕量（约5%—10%），转动系统结构简单并有利于小臂对整机的静力平衡[14]。

（1）单自由度手腕

SCARA水平关节装配机器人多采用单自由度手腕，该类机器人操作机的手腕只有绕垂直轴的一个旋转自由度。

为了减轻操作机的悬臂的重量，手腕的驱动电机固结在机架上。

手腕转动的目的在于调整装配件的方位。

由于转动为两级等径轮齿形带，所以大、小臂的转动不影响末端执行器的水平方位，而该方位的调整完全取决于腕传动的驱动电机[15]。

这时确定末端执行器方位的角度（以机座坐标系为基准）将是大小臂转角以及腕转角之和。

（2）两自由度手腕

两自由度手腕有两种结构:

（a）汇交式两自由度手腕两自由度手腕的末杆与小臂中线重合，两个链轮对称分配在两边。

≤200°，

≥360°，dex=0+80%+100%。

（b）偏置式两自由度手腕手腕的末杆偏置在在小臂中线的一边。

≥360°,

≥360，dex=0+100%+100%优点是腕部结构紧凑，小臂横向尺寸较小（薄）。

两自由度的另两种结构。

一种是将谐波减速器这置于碗部，驱动器通过齿形带带动谐波，或经锥齿轮再带动谐波使末杆L获得

.

两自由度运动。

另一种则是将驱动电机1和谐波减速器连成一体，放于偏置的壳中直接带动L完成角转动，

角则是由链传动完成[16]。

（3）三自由度手腕

三自由度的手腕形式繁多。

三自由度手腕是在两自由度的基础上加一个整个手腕相对于小臂的转动自由度（用角度参数α表示）而形成的。

当不考虑结构限制，即

、

、

都能在0°～360°范围取值，末端执行器的灵活度dex=100%+100%+100%，也就是说具有百分之百的灵活度。

这就是说手爪可自任意方向接进物体，也可将物体转到任意姿势[17]。

所以三自由度是“万向”型手腕，可以完成两自由度手腕很多无法完成的作业。

近年来，大多数关节型机器人都采用了三自由度手腕。

主要有两类:

1）汇交手腕（或称正交手腕）它是

、

、

的旋转轴线汇交于一点。

2）偏置式手腕它是

、

、

的旋转轴线互相垂直，但不汇交于一点。

这两类手腕都是把

、

运动的减速器安装在手腕上，可简化小臂结构，但却增加了手腕本身的重量和复杂程度。

3结论

腕部是连接手部和臂部的部件，并可用来调节被抓物体的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。

手腕有独立的自由度。

有回转运动、上下摆动、左右摆动。

一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求，有些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。

参考文献

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[5]李允明.国外仿人机器人发展概况[J].机器人.2005，（06）：

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[6]何庆中,赵献丹.微电驱微差机器人关节机构设计研究[J].四川理工学院学报（自然科学版）.2005，（04）：

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[16]刘博,郭卫东,张玉茹.用于灵巧手的新型两自由度关节机构[J].北京航空航天大学学报.2004，（09）：

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[17]李醒飞,张国雄,裘祖荣,张晨阳.利用肌电信号实现仿生肘关节运动控制的研究[J].机械工程学报.2004，（10）:

159～161

期刊格式：

作者.题目[J].刊名，年，卷（期）：

页码.

毕业设计（论文）开题报告

２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：

1本课题研究的问题

本课题研究的是防爆搬运机器人的腕部设计，腕部是连接手部和臂部的部件，并可用来调节被抓物体的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。

手腕有独立的自由度。

有回转运动、上下摆动、左右摆动。

一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求，有些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。

2本课题的研究方向拟采用的研究手段

腕部处于手臂的最前端，它连同手部的静、动载荷均由臂部承担。

显然，腕部的结构、重量和动力载荷，直接影响着臂部的结构、重量和运转性能。

因此，在腕部设计时，必须力求结构紧凑，重量轻。

腕部作为搬运机器人的执行机构，又承担连接和支撑作用，除保证力和运动的要求外，要有足够的强度、刚度外，还应综合考虑，合理布局，解决好腕部与臂部和手部的连接。

对于本次设计，搬运机器人的工作条件是在工作场合中搬运质量较重的物体，因此不太受环境影响，没有处在高温和腐蚀性的工作介质中，所以对搬运机器人的腕部没有太多不利因素。

典型的腕部结构可以分为以下几种：

（1）具有一个自由度的回转驱动的腕部结构它具有结构紧凑、灵活等优点而被广腕部回转，总力矩M，需要克服以下几种阻力：

克服启动惯性所用。

回转角由动片和静片之间允许回转的角度来决定（一般小于270°）。

（2）齿条活塞驱动的腕部结构在要求回转角大于270°的情况下，可采用齿条活塞驱动的腕部结构。

这种结构外形尺寸较大，一般适用于悬挂式臂部。

（3）具有两个自由度的回转驱动的腕部结构它使腕部具有水平和垂直转动的两个自由度。

（4）机-液结合的腕部结构。

综合以上的分析考虑到各种因素，腕部结构选择具有一个自由度的腕部结构，采用液压驱动。

本课题研究给出的机器人重复定位精度是±0.5mm。

为了保证精度要求，采用正反螺旋结构或者凸轮结构，定位面要用已经加工过的精度高一点的表面，还要保证每一次都定位在同一位置。

由于防爆搬运机器人一般都是在很恶劣易产生爆炸的环境下作业，所以机器人的防爆措施一定要做到位。

首先，我们可以采取静态正压型机器人外壳实现方法。

静态正压型机器人外壳由密封外壳和内置正压系统构成。

密封外壳的作用是保证冲入壳体内的保护气体不外泄，因而保证壳体内部压力值在机器人工作过程中始终保持正压。

另外，机器人还可以采用通风式正压防爆结构，就是给机器人配备一套空气净化系统，用供气管向这些密封的壳体内不断输送清洁的、不可燃的、高于周围大气压的保护气体，以防止外界易燃气体的进入。

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指导教师意见：

1．对“文献综述”的评语：

2．对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测：

指导教师：

年月日

所在专业审查意见：

负责人：

年月日