四自由度气动机械手的设计-开题报告

毕业设计（论文）开题报告

1 选题背景及其意义

1.1 课题来源

本课题来自教师科研课题、教学需求和社会需要，是设计一种性能先进、满足教师教学、学生实践和模拟工业化生产的，基于单片机控制的四自由度气动机械手。它简化了结构，增加了可控性，可实现机械手在XY平面的旋转，大小臂的升降、伸缩，手爪的抓紧和放松等功能，并配合物料台的自动送料，实现水平面定点取物和放物的功能，具有结构简单、操作方便、可靠性高等特点，为机电一体化教学提供了很好的范例，为工业化生产提供实用的机械手系统。

1.2 课题目的

机器人技术是一种利用电子技术、信息技术使机械系统实现柔性化和智能化的自动化技术，在工科高校的本科教育和研究生培养中，占有举足轻重的地位，对于提高学生的工程能力，拓展生存空间有着非常重要的意义。机械手能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人在生产中位置，提高自动化水平和劳动生产率，可以减轻劳动强度、保证产品质量、能在有害环境（高温高压，低温低压，有毒气体、放射性等）下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。

在工业生产线中，机械手臂具有很广泛的用途。它是工作抓取和装配系统中的一个重要组成部分。它的基本作用是从指定位置抓取工件运送到另一个指定的位置进行装配。机械手臂代替了人工的繁杂劳动，并且操作精度高，提高了产品的质量和生产效率。近20年来，气动技术的应用领域迅速拓宽，尤其是在各种自动化生产线上得到广泛应用。电气可编程控制技术与气动技术相结合，使整个系统自动化程度更高，控制方式更灵活，性能更加可靠；气动机械手、柔性自动生产线的迅速发展，对气动技术提出了更多更高的要求；微电子技术的引入，促进了电气比例伺服技术的发展。

目前我过的工业机器人技术及其应用水平与国外相比，还是有着一定的差距，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。

四自由度气动机械手的设计，是通过对机械电子工程、机电一体化专业的本科四年所学的知识的一个整合，能够比较好的体现机电一体化专业毕业生的理论研究水平，实践动手能力以及专业精神和态度，具有较强的针对性和明确的实施目标，能够实现理论和实践的有机结合。

1.3 课题意义

四自由度气功机械手由机械手（机械本体）、控制器（单片机）、伺服驱动系统构成，

是一种自动控制、可重复编程、完成各种上下料作业的机电一体化自动化生产设备。气动机械手作为机械手的一种，具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境等优点而被广泛应用，特别适合于多工序、变工件的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。

四自由度气动机械手是综合了单片机、控制论、机构学、电子电气学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛。目前，在国内很多工厂的生产线上数控机床装卸工件仍由工人完成，劳动强度大、生产效率低。为了提高生产加工的工作效率，降低成本，并使生产线发展成为柔性制造系统，适应现代自动化大生产，针对具体生产工艺，利用机器人技术，设计一台自动上下料机械手，它可自动地为机床抓取工件，取代操作人员频繁取料，从而减轻工人劳动强度，节约加工辅助时间，提高工作效率和生产力。

由此可见，气动机械手对于现代工业技术和普通应用方面有着重要的意义，可以迅速提高生产力水平和生产效率，减少人力资源和时间的消耗，大大增加了工业生产的效益，同时也便于工人无法涉及的地方，条件受限制的领域，比如空间狭小、温度过低或过高、障碍物较多的地方，完成预想的目的。

2 文献综述（国内外研究现状与发展趋势）

我国工业机械手的研究与开发起步较晚，比欧美要晚30年左右，起步于上世纪70 年代，1972 年我国第一台机械手在上海开发成功，随之全国各省都开始研制和应用机械手。从第七个五年计划（1986～1990 年）开始，我国政府大大加大了对工业机器人的重视程度，并且为此项目投入大量的资金，在众多学者及研究人员的参与下，研究开发并且制造了一系列的工业机器人，其中有由北京机械自动化研究所设计制造的喷涂机器人，广州机床研究所和北京机床研究所合作设计制造的点焊机器人，大连机床研究所设计制造的氩弧焊机器人，沈阳工业大学设计制造的装卸载机器人等等。值得注意的是，这些机器人的控制器，都是由中国科学院沈阳自动化研究所和北京科技大学机器人研究所开发的。与此同时，一系列的机器人关键部件也被开发出来，如机器人专用轴承，减震齿轮，直流伺服电机，编码器等等。

1958 年美国联合控制公司研制出第一台机械手。控制系统有别于40 年代的主从型而是示教型的；1962 年，美国联合控制公司在上述方案的基础上，研制出一种更新兴的机械手，运动系统仿造坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩，用液压驱动；控制系统用磁鼓做储存装置。这个机械手对机械手的发展有着深远的意义，日后的不少球面坐标式机械手就是在这个基础上发展起来的；同一年该公司和普曼公司合并成重组为万能制动公司，专门生产工业机械手。1962 年美国机械铸造公司也实验成功一种叫Versatran 机械手(如图），原意是灵活搬运，可做点位和轨迹控制。虽然上述的2 种机械手出现在

六十年代初，但都是国外机械手发展的重要基础。在机械手得到一定程度的发展后，从60 年代后期起，喷漆、弧焊工业机器人相继在生产中开始应用。1978 年美国Unimate 公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制出一种Unimation-Vic.arm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业。联邦德国机器制造业是从1970 年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。

图1 Versatran机器人

机械手领域发展近几年有如下几个趋势：

1）重复高精度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。

2）模块化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，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。

3）无给油化随着材料技术的进步，新型材料（如烧结金属石墨材料）的出现，构造特殊、用自润滑材料制造的无润滑元件，不仅节省润滑油、不污染环境，而且系统简单、摩擦性能稳定、成本低、寿命长。

4）电气一体化由“可编程序控制器-传感器-气动元件”组成的典型的控制系统仍然是自动化技术的重要方面；发展与电子技术相结合的自适应控制气动元件，使气动技术从“开关控制”进入到高精度的“反馈控制”；省配线的复合集成系统，不仅减少配线、配管和元件，而且拆装简单，大大提高了系统的可靠性。

3 研究内容

能够实现4个自由度的运动，其各自的自由度的驱动全部由气缸的运动来实现。整