机械手设计论文开题报告

南京大学

毕业设计(论文)开题报告

学生姓名：学号：

专业：机械工程及自动化

设计(论文)题目：机械手设计

指导教师:

2010年4月 4日

开题报告填写要求

1．开题报告(含“文献综述”)作为毕业设计(论文)答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计(论文)工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效；

2．开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式(可从教务处网页上下载)打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见；

3．“文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写(或打印)在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于15篇科技论文的信息量，一般一本参考书最多相当于三篇科技论文的信息量(不包括辞典、手册)；

4．有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T 7408—94《数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法》规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2010年3月15日”或“2010-03-15”。

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

摘要本文主要介绍了机械手的应用范围、机械手的组成及每个组成部分的作用、工作原理、国内外的发展趋势、发展前景和方向，机械手的应用、机械行业中使用机械手的意义，重点阐述了机械人的各个组成部分的发展趋势和应用场合。

关键词机械手发展趋势意义

1 序言

随着时代的不断进步，经济飞速发展，生活水平的逐年提高，人们的环保意识，自我安全意识也在不断加强，同时也使人们对各种产品的要求更高了，机械人显然更符合现在人们的需求。机械手轻巧、制造成本低、工作效率高、噪声较小、低温起动性较好、使用和维护方便，已在机械、化工、医药、纺织、微电子、食品、运输等领域得到了越来越广泛的运用[1]。在当今的中国社会，经济发展方式正由粗放密集型转向节约内向型，原来的生产方式必须进行较大的变革。这就要求在最短的时间内，创造出最高的加工效率，而且还要保证较高的生产质量。机械加工中的机床﹑机械手就必须符合这种条件下的生产加工。

2 机械手概况

机械手是在机械化、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的有机结合。

机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件(或工具)的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动(摆动)、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋

转等独立运动方式，称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机械手设计的关键参数[2]。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有2～3个自由度。

3 国内外的发展趋势

国内外实际使用的多是定位控制的机械手，没有“视觉”和“触觉”反馈[3]。目前，世界各国正积极研制带有“视觉”和“触觉”的工业机械手，使它能够对所抓取的工件进行分辨，能选取所需要的工件，并正确的夹持工件，进而精确地在机器上定位、定向。

为使机械手有“眼睛”去处理方位变化的工件和分辨形状不同的零部件，它由视觉传感器输入三个视图方向的视觉信息，通过计算机进行图形分辨，判别是否是所要抓取的工件，为防止握力过大引起物件损坏或握力过小引起物件滑落下来。

3．1 我国的发展趋势

我国的工业机械手是从80年代"七五"科技攻关开始起步,在国家的支持下,通过"七五","八五"科技攻关,目前已经基本掌握了机械手操作机的设计制造技术,控制系统硬件和软件设计技术,运动学和轨迹规划技术,生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆，孤焊，点焊，装配，搬运等机器人，但总的看来，我国的工业机械手技术及其工程应用的水平和国外比还有一定距离。

十几年来，相继研制出示教再现型的搬运、点焊、弧焊、喷漆、装配等门类齐全的工业机器人及水下作业、军用和特种机器人[4]。目前，示教再现型机器人技术已基本成熟，并在工厂中推广应用。我国自行生产的机器人喷漆流水线在长春第一汽车厂及东风汽车厂投入运行。1986年3月开始的国家863高科技发展规划已列入研究、开发智能机器人的内容。

3.2国外的发展趋势

目前，国际上工业机器人技术在制造业应用范围越来越广阔，现已从传统制造业推广到其他制造业，进而推广到诸如采矿、建筑、农业、灾难救援等各种非制造行业。但汽车工业仍是工业机器人的主要应用领域。据了解，美国60%的工业机器人用于汽车生产；全世界用于汽车工业的工业机器人已经达到总用量的37%，用于汽车零部件的工业机器人约占24%。

美国是机器人的诞生地，经过30多年的发展，美国现已成为世界上的机器人强国

之一，基础雄厚，技术先进。综观它的发展史，道路是曲折的，不平坦的。70年代后期，美国政府和企业界虽有所重视，但在技术路线上仍把重点放在研究机器人软件及军事、宇宙、海洋、核工程等特殊领域的高级机器人的开发上，致使日本的工业机器人后来居上，并在工业生产的应用上及机器人制造业上很快超过了美国，产品在国际市场上形成了较强的竞争力。其技术全面、先进，适应性也很强。具体表现在：性能可靠，功能全面，精确度高[5]；机器人语言研究发展较快，语言类型多、应用广，水平高居世界之首；智能技术发展快，其视觉、触觉等人工智能技术已在航天、汽车工业中广泛应用；高智能、高难度的军用机器人、太空机器人等发展迅速，主要用于扫雷、布雷、侦察、站岗及太空探测方面。

4 发展前景及方向

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：

(1) 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；

(2) 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；

(3) 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。

(4) 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[6]。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。气动机

械手的重复精度将越来越高，它的应用领域也将更广阔，如核工业和军事工业等。

(5) 模块化有的公司把带有系列导向驱动装置的气动机械手称为简单的传输技术，而把模块化拼装的气动机械手称为现代传输技术[7]。模块化拼装的气动机械手比组合导向驱动装置更具灵活的安装体系。它集成电接口和带电缆及气管的导向系统装置，使机械手运动自如。由于模块化气动机械手的驱动部件采用了特殊设计的滚珠轴承，使它具有高刚性、高强度及精确的导向精度。优良的定位精度也是新一代气动机械手的一个重要特点。模块化气动机械手使同一机械手可能由于应用不同的模块而具有不同的功能，扩大了机械手的应用范围，是气动机械手的一个重要的发展方向。

5 机械手的组成

机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。

机械手的形式是多种多样的，有的较为简单，有的较为复杂，但基本的组成形式是相同的，一般由执行机构、传动系统、控制系统和辅助装置组成。

1.执行机构

机械手的执行机构，由手、手腕、手臂、支柱组成[8]。手是抓取机构，用来夹紧和松开工件，与人的手指相仿，能完成人手的类似动作。手腕是连接手指与手臂的元件，可以进行上下、左右和回转动作。简单的机械手可以没有手腕。支柱用来支撑手臂，也可以根据需要做成移动。

2.传动系统

执行机构的工作要由传动系统来实现[9]。常用机械手传动系统分机械传动、液压传动、气压传动和电力传动等几种形式。

3.控制系统

机械手控制系统的主要作用是控制机械手按一定的程序、方向、位置、速度进行动作，简单的机械手一般不设置专用的控制系统，只采用行程开关、继电器、控制阀及电路便可实现动传动系统的控制，使执行机构按要求进行动作．动作复杂的机械手则要采用可编程控制器、微型计算机进行控制[10]。

6 机械手的应用

机械手是一种能模拟人的手臂的部分动作，按预定的程序轨迹极其它要求，实现抓取，搬运工件或操做工具的自动化装置。在我国由于大多数工业机器人所执行的工作为模拟人的手臂而工作，因而通常把工业机器人称做操作机械手[11]。机械手的特点：对环境的适应性强；机械手能持久，耐劳，可以把人从繁重单调的劳动中解放出来，并能扩大和延伸人的功能；由于机械手的动作准确，因此可以稳定和提高产品的质量，同时又可以避免人为的操作错误；机械手特点是通过用工业机械手的通用性，灵活性好，能很好的适应产品的不断变化，以满足柔性生产的需要[12]。因此采用机械手最明显的特点是提高劳动生产率和降低成本。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的有机结合。

机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景[13]。

机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，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[14]。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。

7 在机械工业中，应用机械手的意义

(1) 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[15]。

(2) 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[16]。

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。

(3) 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。

参考文献

[1] 宋吉来，俞建成等．轮桨腿一体化两栖机器人控制系统设计［J］．北京：微计

算机信息．2009.

[2] 张毅刚，赵光权，孙宁等.TMS320LF240X系列DSP原理、开发与应用[D] .哈尔

滨：哈尔滨工业大学出版社.2006.

[3] 熊新民，曹毅等．智能机器人运动关节集成驱动控制器研究［J］．北京：微计

算机信息．2009.

[4] 高峰,冯培恩,高宇,周波,张强.挖掘机器人液压传动的伺服控制策略. 北京：

液压与气动.2002.

[5] 廖万辉，李琳等．基于机器视觉的工业机器人定位系统［J］．北京：微计算机

信息．2009.

[6] 程宪平.机电传动与控制.北京：华中科技大学出版社.2003.

[7] 郭仁生.机械设计基础. 北京：清华大学出版社.2001.

[8] 张群生.液压与气动传动.北京：机械工业出版社.2007.

[9] 液压总纲.北京：国防工业出版社.2007.

[10] 电力拖动控制系统.北京：清华大学出版社.2003.

[11] 机械制造专业毕业设计指导.北京：化学工业出版社.2007.

[12] 王承义.机械手及其应用.北京：机械工业出版社.1981.

[13] 朱龙根.机械系统设计.北京：机械工业出版社.2004.

[14] 左健昆.液压与气压传动.北京：机械工业出版社.2005.

[15] 孔玉安.液压技术在工程中的应用.江苏科学技术出版社.1986.

[16] 孙志礼.机械设计.沈阳：东北大学出版社.2000.

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)：通过对参考文献的阅读和学习，针对所设计的机械手设计了一些步骤和设计的方法，针对任务书要求：

2.1 本课题要研究或解决的问题有以下几点：

(1) 熟悉了解机械手的基本结构。

(2) 了解数控机床的总体结构，确定合适的机械手的运动空间。

(3) 根据机械手的运动空间要求确定机械手的总体结构、手臂结构、夹持方法等。

(4) 撰写设计说明书。

2.2 拟采用的研究手段(途径)：

(1) 首先收集一些关于机械手的相关知识，对这些知识加以总结和分析，了解数控车床的基本知识，为下面的课题开展做好准备。认真分析零件图，了解零件的结构特点和相关的技术要求，对零件的每一个细节，应仔细的分析。

(2) 以数控车床为基础，通过查询分析获得解决机械手的总体结构、手臂结构、夹持方法等问题。

(3) 通过自己的设计体会，结合已有的参考资料，对数控车床上下料机械手设计流程进行归纳总结。

(4) 最后做好总体的设计方案。