開(kāi)題報(bào)告-柔性機(jī)械手設(shè)計(jì)

PAGE畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告1．結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，每人撰寫(xiě)2000字左右的文獻(xiàn)綜述：文獻(xiàn)綜述研究背景、目的及意義1.1研究背景在現(xiàn)代國(guó)民經(jīng)濟(jì)中，制造業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門(mén)科技進(jìn)步的基礎(chǔ)，隨著制造業(yè)中自動(dòng)化技術(shù)的日漸成熟，無(wú)人車(chē)間的建設(shè)逐漸成為大潮流直接推動(dòng)現(xiàn)在制造水平的提高。機(jī)器人技術(shù)是高科技人工智能應(yīng)用領(lǐng)域不可缺失的組成部分，其中機(jī)械手也是重要的組成部分，所以機(jī)械手的屬性，直接影響機(jī)器人。傳統(tǒng)機(jī)械手多為恒定力矩，通常由剛性部件和剛性接頭構(gòu)成，當(dāng)抓取易碎物品，容易造成損壞，會(huì)因抓握不牢而把物品摔壞，或者抓取物品時(shí)無(wú)法感知抓取具體力度，不能更精準(zhǔn)地抓取，缺乏環(huán)境的適應(yīng)性。最終影響了生產(chǎn)的質(zhì)量和效率，造成了經(jīng)濟(jì)損失。并且，傳統(tǒng)的機(jī)械手大多由金屬材料制作而成，與被抓持物體之間一般是剛性接觸，缺乏必要的柔順性，人機(jī)交互是不安全的，在很大程度上限制了其通用性和靈活性[1-4]。基于傳統(tǒng)機(jī)械手已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)市場(chǎng)的要求，所以研究出具有多自由度、適應(yīng)性強(qiáng)的柔性機(jī)械手是非常有意義的。1.2研究目的及意義采用柔性機(jī)械手的主要目的是針對(duì)輕工業(yè)、食品行業(yè)在分揀、包裝、搬運(yùn)等環(huán)節(jié)中被抓取對(duì)象物性多樣性、尺寸范圍不確定、易造成損壞等問(wèn)題進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)高效自動(dòng)化。目前單純的手工勞作以滿(mǎn)足不了自動(dòng)化的要求，因此，必須利用先進(jìn)設(shè)備生產(chǎn)自動(dòng)化機(jī)械以取代人的勞動(dòng)，滿(mǎn)足工業(yè)自動(dòng)化的需求。實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化的同時(shí)大大減少了企業(yè)的生產(chǎn)成本，并提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。同時(shí)，由于柔性機(jī)械手可以在高溫、高壓，多粉塵、易燃易爆、放射性等惡劣危險(xiǎn)的環(huán)境下代替人類(lèi)作業(yè)，保護(hù)工人的人身安全[5,6]。它是一種獨(dú)立的不附屬于某一主機(jī)的裝置，可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項(xiàng)規(guī)定操作。柔性機(jī)械手是近代自動(dòng)控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)，并已成為現(xiàn)代制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。柔性機(jī)械手的迅速發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認(rèn)識(shí)，其一，安全性高，它能部分地取代人工操作；其二，它能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時(shí)間和位置來(lái)完成工件的傳送和裝卸；其三，它在抓取易碎物品，不容易造成損壞，不會(huì)因抓握不牢而把物品摔壞，可以控制抓取具體力度，可以更精準(zhǔn)地抓取[7,8]。因此，它能大大地改善工人的勞動(dòng)條件，顯著地提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀2.1國(guó)外的研究現(xiàn)狀1958年美國(guó)聯(lián)合控制公司研發(fā)出第一臺(tái)機(jī)械手，它的結(jié)構(gòu)是：在機(jī)體上面安裝一個(gè)回轉(zhuǎn)長(zhǎng)臂，頂部是安裝著電磁塊的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。1962年，該公司在上述方案的基礎(chǔ)上又研制出一臺(tái)數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手，運(yùn)動(dòng)仿真參照坦克炮塔，手臂可以回轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮，用液壓驅(qū)動(dòng)：控制系統(tǒng)用磁鼓作為存儲(chǔ)裝置。同年，美國(guó)機(jī)械制造公司也實(shí)驗(yàn)成功一種機(jī)械手，中央立柱可以回轉(zhuǎn)、升降采用液壓驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型[9,10]。這兩種機(jī)械手成為后來(lái)機(jī)械手發(fā)展的基礎(chǔ)。目前國(guó)外已經(jīng)出現(xiàn)了觸覺(jué)和視覺(jué)機(jī)械手。它設(shè)有微型電子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，具有視覺(jué)、觸覺(jué)能力，甚至聽(tīng)、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺(jué)到的信息反饋，使機(jī)械手具有感覺(jué)機(jī)能。它還具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應(yīng)的變更。如位置發(fā)生稍許偏差時(shí)，即能更正并自行檢測(cè)。目前已經(jīng)取得一定成績(jī)。視覺(jué)功能即在機(jī)械手上安裝有電視照相機(jī)和光學(xué)測(cè)距儀以及微型計(jì)算機(jī)。工作是電視照相機(jī)將物體形象變成視頻信號(hào)，然后送給計(jì)算機(jī)，以便分析物體的種類(lèi)、大小、顏色和位置，并發(fā)出指令控制機(jī)械手進(jìn)行工作。觸覺(jué)功能即是在機(jī)械手上安裝有觸覺(jué)反饋控制裝置工作時(shí)機(jī)械手首先伸出手指尋找工作，通過(guò)安裝在手指內(nèi)的壓力敏感元件產(chǎn)生觸覺(jué)作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通過(guò)裝在手指內(nèi)的敏感元件來(lái)控制，達(dá)到自動(dòng)調(diào)整握力的大小[11-13]。總之，隨著傳感技術(shù)的發(fā)展機(jī)械手裝配作業(yè)的能力也將進(jìn)步提高。更重要的是將機(jī)械手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而根本改變目前機(jī)械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。2.2國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀我國(guó)機(jī)械手的研究與開(kāi)發(fā)始于20世紀(jì)70年代。1972年我國(guó)第一臺(tái)機(jī)械手開(kāi)發(fā)于上海，隨之全國(guó)各省都開(kāi)始研制和應(yīng)用機(jī)械手。從第七個(gè)五年計(jì)劃(1986-1990)開(kāi)始，我國(guó)政府將工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展列入其中，并且為此項(xiàng)目投入大量的資金，研究開(kāi)發(fā)并且制造了一系列的工業(yè)機(jī)器人，有由北京機(jī)械自動(dòng)化研究所設(shè)計(jì)制造的噴涂機(jī)器人，廣州機(jī)床研究所和北京機(jī)床研究所合作設(shè)計(jì)制造的點(diǎn)焊機(jī)器人，大連機(jī)床研究所設(shè)計(jì)制造的氬孤焊機(jī)器人，沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)制造的裝卸載機(jī)器人等。上海交通大學(xué)研制了一款基于纖維增強(qiáng)型驅(qū)動(dòng)器的氣動(dòng)軟體機(jī)械手。該柔性機(jī)械手在三個(gè)具有纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的軟體彎曲驅(qū)動(dòng)器配合下實(shí)現(xiàn)完成抓取的，氣體的可壓縮性與軟體驅(qū)動(dòng)器的彈性使此柔性機(jī)械手可以進(jìn)行無(wú)損抓取。該機(jī)械手的手指部分是先用3D打印制作出手指的模具，然后再用硅膠澆注的方法制作的[14-16]。通過(guò)往手指內(nèi)部的空腔通入氣體，就可以使其發(fā)生彎曲。同時(shí)，整個(gè)裝置的氣密性通過(guò)獨(dú)特設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)可以得到保障。2010年浙江大學(xué)流體傳動(dòng)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究由氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)的六關(guān)節(jié)三指蘋(píng)果抓取機(jī)械手。為適應(yīng)抓取不同大小的蘋(píng)果的需要，設(shè)計(jì)了1種靈活的3指6關(guān)節(jié)蘋(píng)果抓取機(jī)械手結(jié)構(gòu),3根手指呈圓周方向均勻分布，活頁(yè)雙鉸鏈關(guān)節(jié)手指由單根軸向膨脹型人工肌肉驅(qū)動(dòng)。建立了抓取力與驅(qū)動(dòng)壓力間的關(guān)系式，通過(guò)全局優(yōu)化方式，得到2種扭彈簧的彈性參數(shù)和預(yù)緊角度。計(jì)算結(jié)果表明：在設(shè)定系壓力下，無(wú)需壓力反餓，滿(mǎn)足抓取大小蘋(píng)果且不損壞最大橫徑蘋(píng)果的受力要求。Shadow機(jī)器人公司研制出了一種靈巧仿人手關(guān)節(jié)的機(jī)械手，它是一種借鑒氣動(dòng)人工肌肉工作原理設(shè)計(jì)的機(jī)械手該機(jī)械手有二十四個(gè)自由度，是當(dāng)今世界上最接近人手的機(jī)械手之一，使得人手直接映射到機(jī)械手成為現(xiàn)實(shí)能。機(jī)械手利用其內(nèi)部集成的感知傳感器和位置傳感器保證控制精確度，該手有較高柔順性，可以用于抓取易碎的物品[17-19]。它在生產(chǎn)自動(dòng)化水平，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量以及經(jīng)濟(jì)效益，改善人工勞動(dòng)條件等方面有重要的作用。柔性機(jī)械手概述所謂柔性機(jī)械手,就是可調(diào)整性強(qiáng).通過(guò)調(diào)整就可以適應(yīng)不同工件的抓取,搬運(yùn)等。它能模仿人手和臂的某些動(dòng)作功能，用來(lái)按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動(dòng)操作裝置.柔性機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，氣動(dòng)控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且自由度多，操作方便，響應(yīng)迅速，通過(guò)PLC控制有利于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。當(dāng)抓取易碎物品，不容易造成損壞，不會(huì)因抓握不牢而把物品摔壞，或者抓取物品時(shí)可以控制抓取具體力度，更精準(zhǔn)地抓取。當(dāng)工件類(lèi)型發(fā)生改變時(shí)，柔性系統(tǒng)可以隨之改變，從而提高了設(shè)備的使用率，設(shè)備的功能也更加豐富。不論是在高校自動(dòng)化類(lèi)專(zhuān)業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)或是應(yīng)用在生產(chǎn)企業(yè)中工件搬運(yùn)都具有很高的使用價(jià)值。本課題研究的主要內(nèi)容機(jī)械手主要可分為電動(dòng)機(jī)械手、液壓機(jī)械手和氣動(dòng)機(jī)械手這三大類(lèi)。除以上這三種機(jī)械手外，還可以采用混合驅(qū)動(dòng)的方式，如氣-電混合型或氣-液混合型機(jī)械手。本課題主要研究一種六自由度手臂，氣動(dòng)手指型工件搬運(yùn)機(jī)械手，采用電-氣驅(qū)動(dòng)，PLC控制，以實(shí)現(xiàn)工件的抓取搬運(yùn)。柔性機(jī)械手手爪、手臂零部件材料選用。柔性搬運(yùn)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì)，包括：柔性搬運(yùn)機(jī)械手手爪、底座、手臂等機(jī)械零部件。對(duì)各部零件進(jìn)行計(jì)算校核。設(shè)計(jì)電氣控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)柔性機(jī)械手精確定位和手爪的自動(dòng)控制，運(yùn)用PLC編程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。柔性機(jī)械手方案設(shè)計(jì)由于普通機(jī)械手自適應(yīng)抓取能力差、力感知精度低、控制復(fù)雜、成本高昂等。本方案設(shè)計(jì)主要是用于搬運(yùn)工件的柔性機(jī)械手設(shè)計(jì)。柔性機(jī)械手機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。圖1機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖5.1執(zhí)行、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)手爪用來(lái)抓持工件的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和工作要求從而實(shí)現(xiàn)夾緊和松開(kāi)。手臂是具有6個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，它的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動(dòng)方式是為了抓取空間中任意位置和方位的物體。使手部完成各種轉(zhuǎn)動(dòng)、擺動(dòng)、移動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作，改變被抓持物件的位置和姿勢(shì)。PLC控制系統(tǒng)是通過(guò)對(duì)機(jī)械手每個(gè)自由度的電機(jī)的控制，來(lái)完成特定動(dòng)作。同時(shí)接收傳感器反饋的信息，形成穩(wěn)定的閉環(huán)控制。通過(guò)對(duì)其PLC程序編程實(shí)現(xiàn)所要功能。5.2驅(qū)動(dòng)源機(jī)械手臂的驅(qū)動(dòng)方式采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)，俯仰、伸縮等。機(jī)械手爪采用氣壓驅(qū)動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的夾緊和松開(kāi)等。5.3控制裝置柔性機(jī)械手驅(qū)動(dòng)方式為電-氣驅(qū)動(dòng)，采用PLC作為核心控制器，手爪和手臂都必須在PLC的統(tǒng)一控制下協(xié)同工作。實(shí)現(xiàn)PLC對(duì)步進(jìn)電機(jī)、氣壓系統(tǒng)的伺服定位控制，不但提高了控制的靈活性和可靠性，又便于控制程序的編寫(xiě)。5.4材料選擇材料的選取要根據(jù)機(jī)械手的工作狀況來(lái)選擇，機(jī)械手臂在承受載荷時(shí)，不能有應(yīng)變和斷裂所以選用輕型高強(qiáng)度的材料，由于機(jī)械手臂是多方位運(yùn)動(dòng)，需要有良好的受控性，不能過(guò)笨重，所以至少得“密度小、強(qiáng)度大、而且轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小”從而提高機(jī)械手臂的動(dòng)態(tài)性能和靜態(tài)性能。柔性手爪主要使用硅膠、橡膠等軟體材料制造，由壓縮氣體驅(qū)動(dòng)，使手指內(nèi)腔膨脹，產(chǎn)生變形彎曲，完成各種動(dòng)作。總結(jié)通過(guò)對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)分析，查閱現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外有關(guān)機(jī)械手的文獻(xiàn)資料，深刻理解現(xiàn)有機(jī)械手的原理以及實(shí)現(xiàn)方式。在初步確定柔性機(jī)械手方案中充分借鑒現(xiàn)有的優(yōu)良結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計(jì)。提出柔性機(jī)械手總體以及部分重要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)、各部位傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、電-氣驅(qū)動(dòng)方式、PLC控制方式、材料選擇、傳感器的選擇等。該結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)需要滿(mǎn)足其位置精度、速度、自適應(yīng)性、平穩(wěn)性等要求。參考文獻(xiàn)史曉斐,章軍,王城坡.電-氣復(fù)合驅(qū)動(dòng)柔性機(jī)械手的設(shè)計(jì)與研究[J].包裝工程,2019,40(03):1-6.李雪,房善想,陳爽等.軟體機(jī)械手研究現(xiàn)狀及其應(yīng)用[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2019,41(05):1-8.曹文祥,馮雪梅.工業(yè)機(jī)器人研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].機(jī)械制造,2011(02):1-3.郝子宜,李金帥,徐漢斌.家用柔性機(jī)械手設(shè)計(jì)[J].設(shè)計(jì),2021,34(06):1-10.李佳.自動(dòng)上下料機(jī)械手的設(shè)計(jì)研究[D].北京郵電大學(xué),2019:4-12.游顯成,俞經(jīng)虎,錢(qián)善華等.柔性軟體機(jī)械手的設(shè)計(jì)及變形研究[J].現(xiàn)代制造工程,2020(10):1-10.王作桓,莫浩明,梁國(guó)威等.一種柔性機(jī)械手設(shè)計(jì)與分析[J].機(jī)電工程技術(shù),2019,48(09):3-7.楊孟濤,黎澤倫,楊永剛.一種組合式氣動(dòng)柔性機(jī)械手設(shè)計(jì)[J].液壓與氣動(dòng),2020(05):2-8.ZHANGJun，LIUGuangyuan.Self-adaptiongraspingforceanalysisforanapplesortinghand-clawwithrobustness[J].Robotica,2014,34(4):1-15．XiuyuHe,ShuangZhang,YunchengOuyang,QiangFu.Vibrationcontrolforaflexiblesingle-linkmanipulatoranditsappliccation[J].IETControlTheory&Applications,2020,14(7):12.WeicunZhang,QingLi,YuzhenZhang,ZiyiLu,ChengNian.Weightedmultiplemodeladaptiveboundarycontrolforaflexiblemanipulator[J].ScienceProgress,2020,103(1).BastosJr.Guaraci.Astablereentrytrajectoryforflexiblemanipulators[J].InternationalJournalofControl,2021,94(5):1-6.PunniyawarthanaS,MohanrajT.DesignandAnalysisofTwo-LinkDiscreteFlexibleManipulato-r[J].IOPConfereneSeries:MaterialsScienceandEngineering,2021,1055(1):1-6.李秋蘋(píng),章軍,崔軍.一種欠驅(qū)動(dòng)柔性機(jī)械手的抓取力研究[J].輕工機(jī)械,2018,36(3):14-17.孫英飛,羅愛(ài)華.我國(guó)工業(yè)機(jī)器人發(fā)展研究[D].科學(xué)技術(shù)與工程,2012,12(12):2-8.郭洪武.淺析機(jī)械手的應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)西部科技,2012,11(10):3-12.張恒.形狀自適應(yīng)柔性機(jī)械手設(shè)計(jì)及抓取力感知方法研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2020:1-6.王麗雪.漆面研拋氣動(dòng)柔性機(jī)械手建模及控制方法的研究[D].吉林大學(xué),2012.[19]孫偉進(jìn)，陳鵬.柔性自動(dòng)化制造系統(tǒng)的機(jī)械手設(shè)計(jì)研究[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化,2020,10(09):2-12.

畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告２．本課題要研究或解決的問(wèn)題和擬采用的方法（途徑）：研究或解決的問(wèn)題本課題主要完成柔性機(jī)械手方案以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具體研究的問(wèn)題如下：機(jī)械手手爪材料的選擇；柔性搬運(yùn)機(jī)械手結(jié)構(gòu)部分尺寸設(shè)計(jì)，包括：柔性機(jī)械手底座、手爪、手腕、手臂等部件的設(shè)計(jì)；各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型及校核；對(duì)組成各個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的傳動(dòng)零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)、選擇、校核、計(jì)算；5、電-氣傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。包括氣動(dòng)元器件的選取，氣動(dòng)回路的設(shè)計(jì)；6、柔性機(jī)械手的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。根據(jù)柔性機(jī)械手的工作流程編制出PLC程序；二、擬采