机械臂开题报告

附件b：

毕业设计（论文）开题报告

1课题的目的及意义（含国内外的研究现状分析或设计方案比较、选型分析等）

1.1 研究背景及课题意义

机器人是二十世纪人类最伟大的发明之一，人类对于机器人的研究由来已久。上世纪70年代之后，计算机技术、控制技术、传感技术和人工智能技术迅速发展，机器人技术也随之进入高速发展阶段，成为综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多门学科而形成的高新技术。其本质是感知、决策、行动和交互四大技术的综合，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用水平是一个国家工业自动化水平的重要标志[1] [2]。

机器人技术的研究在经历了第一代示教再现型机器人和第二代感知型机器人两个阶段之后进入第三代智能机器人的发展阶段。

机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化有机结合。机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产率。机械手越来越广泛地得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。目前，机械手已发展成为柔性制造系统fms和柔性制造单元fmc中一个重要组成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，它适应于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。当工件变更时，柔性生产系统很容易改变，有利于企业不断更新适销对路的品种，提高产品质量，更好地适应市场竞争的需要。

此外，医疗机器人是目前国外机器人研究领域中最活跃、投资最多的方向之一,其发展前景非常看好。近年来,医疗机器人技术引起美、法、德、意、日等国家学术界的极大关注, 研究工作蓬勃兴起。二十世纪九十年代起，国际先进机器人计划已召开过的多届医疗外科机器人研讨会己经立项,开展基于遥控操作的外科研究,用于战伤模拟手术、手术培训、解剖教学。欧盟、法国国家科学研究中心也将机器人辅助外科手术及虚拟外科手术仿真系统作为重点研究发展的项目之一

在发达国家已经出现医疗，外科手术机器人市场化产品，并在临床上开展了大量病例研究。而目前我国的机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低。机械手的研究和开发直接影响到我国自动化生产及医疗水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计是非常有意义的。

1.2 国内外研究状况

1.2.1 国外研究状况

机器人主要分为两类：工业机器人以及其他特种机器人，自1962年美国推出世界上第一台unimate型和versatra型工业机器人以来，机器人在工业发达国家得到了迅速发展。根据国际工业机器人联合会(ifr)前几年的统计[3]：2000年全世界工业机器人的总数达到82万台，比1996年增加24％。其中日本拥有42万台，占全世界机器人总数的50％左右，继续保持“机器人王国”的地位。除日本外，世界上还有许多工业发达国家，如美国、前苏联和西欧一些国家的机器人产业也发展得很快。例如，在美国，1970—1980年间的机器人台数增加20倍以上。尽管美国所拥有的机器人在台数上不如日本．但其技术水平较高．占有一定的优势。在亚洲，

韩国的机器人产业发展也很迅速，现排名世界前列．而日本、韩国和新加坡的机器人密度(即制造业中每万名雇员占有的工业机器人数量)居世界第1-3位，包揽了前三名。西欧的意大利、法国、英国和东欧的匈牙利、波兰等，机器人制造业及应用机器人的情况都有很大发展。

图1 图2

其他特种机器人是国外近年来才迅速发展起来的，是机器人技术的一个重要发展方向，主要研究方向有：空间机器人，医用机器人，水下机器人，建筑机器人和军用排爆机器人等等[4]。

现在国外的机器人各个方面的技术发展现状为[5]：

① 机械结构

以关节型为主流，80年代发明的适用于装配作业的平面关节型机器人约占总量的1／3。90年代初开发的适应于窄小空间、快节奏、全工作空间范围的垂直关节型机器人大量用于焊接和上、下料。应3k和汽车、建筑、桥梁等行业的需求，超大型机器人应运而生。

② 控制技术

大多采用32位cpu，控制轴数多达27轴，nc技术、离线编程技术大量采用。协调控制技术日趋成熟，实现了多手与变位机、多机器人的协调控制。采用基于pc的开放结构的控制系统已成为一股潮流。

③ 驱动技术

80年代发展起来的ac伺服驱动已成为主流驱动技术应用于工业机器人中。新一代的伺服电机与基于微处理器的智能伺服控制器相结合已开发并用于工业机器人中：在远程控制中已采用了分布式智能驱动新技术。

④ 应用智能化的传感器

装有视觉传感器的机器人数量呈上升趋势，不少机器人装有两种以上传感器，有些机器人留了多种机器人接口。

⑤ 网络通讯方式

大部分机器人采用了ether网络通讯方式，占总量的41．3％，其他采用rs一232，rs一485等通讯接口。

⑥ 高速、高精度、多功能化

目前，最快的装配机器人最大合成速度为16．5m／s，有一种大直角坐标搬运机器人，其最大合成速度竟达80m／s：而另一种并联结构的nc机器人，其位置重复精度达1um。90年代末的机器人一般都具有两、三种功能，向多功能化方向发展。⑦ 集成化与系统化当今机器人技术的另一特点是机器人的应用从单机、单元向系统发展。百台以上的机器人群与微机及周边设备和操作人员形成一个大群体。跨国大集团的垄断和全球化的生产将世界众多厂家的产品联接在一起，实现了标准化、开放化、网络化的“虚拟制造”，为工业机器人系统化的发展推波助澜。

1.2.2 国内研究状况

我国有组织有计划地发展机器人事业．应该说是从“七五”期间的科技攻关及实施“863计划”开始的。经过十几年来的研制、生产、和应用，有了长足的进步。目前在一些方面[6]，如喷涂机器人、弧焊机器人、点焊机器人、搬运机器

人、装配机器人、特种机器人(水下、爬壁、管道、遥控等机器人)，已掌握了机器人的设计制造技术，解决了控制、驱动系统的设计和配置、软件的设计和编制

等关键技术；还掌握了自动化喷漆线、弧焊自动线(工作站)及其周边配套设备的全线自动通信、协调控制技术。

我国机器人技术主题发展的战略目标是[8]：根据2l世纪初我国国民经济对先进制造及自动化技术的需求，瞄准国际前沿高技术发展方向创新性地研究和开发工业机器人技术领域的基础技术、产品技术和系统技术。未来工业机器人技术发展的重点有：第一，危险、恶劣环境作业机器人：主要有防暴、高压带电清扫、星球检测、油汽管道等机器人：第二，医用机器人：主要有脑外科手术辅助机器人，遥控操作辅助正骨等；第三，仿生机器人：主要有移动机器人，网络遥控操作机器人等。其发展趋势是智能化、低成本、离可靠性和易于集成。

我国的机器人研究开发与应用已经取得了一定的成绩，但是总的来看，我国的机器人技术及其工程应用的水平和国外的相比还有一定的距离，无论从机器人的数量上还是技术上，我们都有一定的差距。进入新世纪以后，国际竞争日益激烈，对机器人的需求越来越大，我国的机器人产业将面临新的发展机遇和来自国外的挑战，因此我们需要自主发展机器人高技术，解决产业化前期的关键技术。积极推进我国的机器人产业化的进程。

1.3机械臂的要求

① 承载能力足:

手臂是支承手腕的部件，设计时不仅要考虑抓取物体的重量或携带工具的重量，还要考虑运动时的动载荷及转动惯性。

② 刚度高：

为了防止臂部在运动过程中产生过大的变形，手臂的截面形状要合理选择。工字型截面的弯曲刚度一般比圆截面大，空心管的弯曲刚度和扭转刚度都比实心轴大得多。

③ 导向性能好，定位精度高：

为防止手臂在直线运动中，沿运动轴线发生相对转动，应设置导向装置。同时要采用一定形式的缓冲措施。

④ 重量轻、转动惯量小：

为提高机器人的运动速度，要尽量减少臂部运动部分的重量，以减少整个手臂对回转轴的转动惯量[9]。

⑤ 合理设计与腕部和机身的连接部位：

臂部的安装形式和位置不仅关系到机器人的强度、刚度和承载能力，而且还直接影响到机器人的外观。

1.4机械臂的选型分析

方案一：

图3

分析：上图为常见的六轴关节机器人的机械结构,六个伺服电机直接通过谐波减速器、同步带轮等驱动六个关节轴的旋转,注意观察一、二、三、四轴的结构，关节一至关节四的驱动电机为空心结构，关节机器人的驱动电机采用空心轴结构应该不常见，空心轴结构的电机一般较大。采用空心轴电机的优点是：机器人各种控制管线可以从电机中心直接穿过，无论关节轴怎么旋转，管线不会随着旋转，即使旋转，管线由于布置在旋转轴线上，所以具有最小的旋转半径。此种结构较好的解决了工业机器人的管线布局问题。对于工业机器人的机械结构设计来说，管线布局是难点之一，怎样合理的在狭小的机械臂空间中布置各种管线（六个电机的驱动线、编码器线、刹车线、气管、电磁阀控制线、传感器线等）

，使其不受关篇二：机械手开题报告

附表6：

郑州科技学院毕业设计（论文）开题报告

注：课题来源要填写明确（如教师拟定、学生建议、某企事业单位项目等）

课题类型：（1）a—工程设计；b—技术开发；c—软件工程；d—理论研究；e—调研报告（2）x—真实课题；y—模拟课题；z—虚拟课题；

要求（1）、（2）均要填，如ay，by等。

开题报告内容：（调研资料的准备，设计的目的、要求、思路与预期成果；任务完成的阶段内容及时间安排；完成设计（论文）所具备的条件因素等。）篇三：机械手设计_开题报告

沈阳工程学院

毕业设计（论文）开题报告

课程名称：机械手设计

专业：机械制造与自动化

班级：机制专101

学号： 2010543112

学生姓名：李晓军

1、课题来源

目前在我国的许多中小型汽车生产以及轻工业生产中，往往流水线上的作业

工作还需要人工上下料，既费时费力，又影响效率。而随着电子技术特别是电子

计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一

门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和

自动化的有机结合。机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳

动强度，提高劳动生产力。机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和

移动工件功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种

新型装置。机械手越来越广泛的得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组

装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普

遍。

近年来，机械手已发展成为柔性制造系统fms和柔性制造单元fmc中一个重

要组成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，它适应于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应

性很强。当工件变更时，柔性生产系统很容易改变，有利于企业不断更新适销对

路的品种，提高产品质量，更好地适应市场竞争的需要。而目前我国的工业机器

人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平

低，机械手的研究和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上、技

术上考虑都是十分必要的。为此，我们把设计制作输送线上助力搬运机械手作为

我们研究的课题。

2、研究的目的、意义

2.1 课题研究的目的

现代汽车制造工厂的生产流水线，尤其是主要工艺的焊接生产线，大多采用

了气动机械手。车身在每个工序的移动；车身外壳被真空吸盘吸起和放下，在指

定工位的夹紧和定位；点焊机焊头的快速接近、减速软着陆后的变压控制点焊，都采用了各种特殊功能的气动机械手。高频率的点焊、力控的准确性及完成整个

工序过程的高度自动化，堪称是最有代表性的气动机械手应用之一。

现在的机械手大多采用液压传动，液压传动存在以下几个缺点:

(1)液压传动在工作过程中常有较多的能量损失(摩擦损失、泄露损失等)；

液压传动易泄漏，不仅污染工作场地，限制其应用范围，可能引起失火事故，而且影响执行部分的运动平稳性及正确性。

(2)工作时受温度变化影响较大。油温变化时，液体粘度变化，引起运动特

性变化。

(3)因液压脉动和液体中混入空气，易产生噪声。

(4)为了减少泄漏，液压元件的制造工艺水平要求较高，故价格较高;且使用

维护需要较高技术水平。

鉴于以上这些缺陷，本机械手拟采用气压传动，气动技术有以下优点:

(1)介质提取和处理方便。气压传动工作压力较低，工作介质提取容易，而

后排入大气，处理方便，一般不需设置回收管道和容器:介质清洁，管道不易堵塞，不存在介质变质及补充的问题.

(2)阻力损失和泄漏较小，在压缩空气的输送过程中，阻力损失较小(一般仅

为油路的千分之一)，空气便于集中供应和远距离输送。外泄漏不会像液压传动那样，造成压力明显降低和严重污染。

(3)动作迅速，反应灵敏。气动系统一般只需要0.02s-0.3s即可建立起所需

的压力和速度。气动系统也能实现过载保护，便于自动控制。

(4)能源可储存。压缩空气可存贮在储气罐中，因此，发生突然断电等情况

时，机器及其工艺流程不致突然中断。

(5)工作环境适应性好。在易燃、易爆、多尘埃、强磁、强辐射、振动等恶

劣环境中，气压传动与控制系统比机械、电器及液压系统优越，而且不会因温度变化影响传动及控制性能。

(6)成本低廉。由于气动系统工作压力较低，因此降低了气动元、辅件的材

质和加工精度要求，制造容易，成本较低。

传统观点认为:由于气体具有可压缩性，因此，在气动伺服系统中要实现高

精度定位比较困难(尤其在高速情况下，似乎更难想象)。此外气源工作压力较低，抓举力较小。虽然气动技术作为机器人中的驱动功能已有部分被工业界所接受，而且对于不太复杂的机械手，用气动元件组成的控制系统己被接受，但由于气动机器人这一体系己经取得的一系列重要进展过去介绍得不够，因此在工业自动化领域里，对气动机械手、气动机器人的实用性和前景存在不少疑虑。

2.2 课题研究的意义

在机械工业中，应用机械手的意义可以概括如下：

一、以提高生产过程中的自动化程度

应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装

配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。

二、以改善劳动条件，避免人身事故

在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性

污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。

三、可以减轻人力，并便于有节奏的生产应用机械手代替人进行工作，这

是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续的工作，这是减少人

力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都没有机

械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。

综上所述，有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋势。

3、国内外研究现状和发展趋势

3.1 国内的研究现状

工业机械手最早应用在汽车制造工业，常用于焊接、喷漆、上下料和搬运。

工业机械手延伸和扩大了人的手足和大脑功能，它可替代人从事危险、有害、

有毒、低温和高温等恶劣环境中工作：代替人完成繁重、单调重复劳动，提高劳

动生产率，保证产品质量。目前主要应用与制造业中，特别是电器制造、汽车制

造、塑料加工、通用机械制造及金属加工等工业。工业机械手与数控加工中心，

自动搬运小车与自动检测系统可组成柔性制造系统和计算机集成制造系统，实现

生产自动化。随着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高，机械手的应用领

域日益扩大。

我国的工业机械手发展主要是逐步扩大其应用范围。在应用专业机械手的同

时，相应的发展通用机械手，研制出示教式机械手、计算机控制机械手和组合式

机械手等。可以将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，

设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不用的典型机构，组装

成各种用途的机械手，即便于设计制造，又便于跟换工件，扩大了应用范围。目

前国内机械手主要用于机床加工、锻造。热处理等方面，数量、品种、性能方面

都不能满足工业生产发展的需要。所以，在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸造、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件，在应用专业机械手的同时，相应的发展通用机械手，有条件的要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好的发挥机械手的作用。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能的机械手，并考虑与计算机连用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。

3.2 国外研究现状

国外机械手在机械制造行业中应用较多，发展也很快。目前主要用于机床、横锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先指定的作业程序来完成规定的操作。国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。如发生少许偏差时候，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定的成绩。

3.3 发展趋势

目前世界高端工业机械手均具有高精化，高速化，多轴化，轻量化等的发展趋势。定位精度可以满足微米及亚微米级要求，运行速度可以达到3m/s，良新产品可以达到6轴，负载2kg的产品系统总重已突破100kg。更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相互结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。同时，随着机械手的小型化和微型化，其应用领域将会突破传统的机械领域，从而向着电子信息、生物技术、生命科学及航空航天等高端行业发展。

4. 发展前景及方向

4.1 重复高精度

精度是指机器人、机械手到达指定点的精确程度，它与驱动器的分辨率以及反馈装置有关。重复精度是指如果动作重复多次，机械手到达同样位置的精确程度。重复精度比精度更重

要，如果一个机器人定位不够精确，通常会显示一个固定的误差，这个误差是可以预测的，因此可以通过编程予以校正。重复精度限定的是一个随机误差的范围，它通过一定次数地重复运行机器人来测定。随着微电子技术和现代控制技术的发展，以及气动伺服技术走出实验室和气动伺服定位系统的成套化。

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