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四关节小件物料搬运机器人结构设计

四关节小件物料搬运机器人结构设计

本课题主要研究四关节小件物料搬运机器人结构设计。机器人的机械结构由手部、腕部、臂部机身及底座组成。其中,底座往往与机身做成一体,机身与臂部相连,机身支持臂部,臂部又支承腕部和手部。 机器人臂部的配置目前常用的有横梁式、立柱式、机座式、屈伸式

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  • 详细描述

    四关节小件物料搬运机器人结构设计

    1 绪论
    计算机技术的不断发展和进步使机器人技术的发展不断达到一个新水平。上至太空舱、宇宙飞船,下至微型机器人、深海开发,机器人技术已拓展到全球经济发展的诸多领域,成为高科技中极为重要的组成部分。
    机器人是自动控制机器的俗称,其英文名称为Robot自动控制机器包括一切模拟人类行为或思想与模拟其他生物的机械(如机器狗,机器猫等)。狭义上对机器人的定义还有很多分类法及争议,有些电脑程序甚至也被称为机器人。国际上对机器人的概念已经逐渐趋近一致。一般来说,机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器,这种说法是人们都可以接受。联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义:“一种可编程和多功能的操作机;或是为了执行不同的任务而具有可用电脑改变和可编程动作的专门系统。”它能为人类带来许多方便之处!在当代工业中,其用以取代或协助人类工作,即工业机器人。所谓工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。随着工业机器人技术的不断成熟,其正逐渐向着具有行走能力、具有多种感知能力、具有较强的对作业环境的自适应能力及智能化的方向发展。当前,对全球机器人技术的发展最有影响的国家是美国和日本。美国在工业机器人技术的综合研究水平上仍处于领先地位,而日本生产的工业机器人在数量、种类方面则居世界前列。
    工业机器人之所以能够发展的如此迅速,其原因在于工业机器人在工业生产中能代替人做某些单调、频繁和重复的长时间作业,或是危险、恶劣环境下的作业,例如在冲压、压力铸造、热处理、焊接、涂装、塑料制品成形、机械加工和简单装配等工序上,以及在原子能工业等部门中,完成对人体有害物料的搬运或工艺操作。除此之外其工作效率高于人工劳动效率,同时还可以缓解对劳工的需求压力降低劳动成本,能够很好地适应现代快速发展的社会。
     
    2 国内外研究现状

    2.1 国外研究现状

    在国外,工业机器人技术日趋成熟,已经成为一种标准设备被工业界广泛应用。从而,相继形成了一批具有影响力的、著名的工业机器人公司,它们包括:瑞典的ABB Robotics,日本的FANUC、Yaskawa,德国的KUKA Roboter,美国的Adept Technology、American Robot、Emerson Industrial Automation、S-T Robotics,这些公司已经成为其所在地区的支柱性产业。在发达国家中,工业机器人自动化生产线成套设备已成为自动化装备的主流。国外汽车行业、电子电器行业、工程机械等行业已经大量使用工业机器人自动化生产线,以保证产品质量,提高生产效率,同时避免了大量的工伤事故。像国际上著名公司ABB、Comau、KUKA、BOSCH、NDC、SWISSLOG、村田等都是机器人自动化生产线及物流与仓储自动化设备的集成供应商。目前,日本、意大利、德国、欧盟、美国等国家产业工人人均拥有工业机器人数量位于世界前列,全球诸多国家近半个世纪的工业机器人的使用实践表明,工业机器人的普及是实现自动化生产,提高社会生产效率,推动企业和社会生产力发展的有效手段。
    当前,机器人被认为是影响人类生产和生活的四大技术之一,2015 年世界十大技术之一。全球很多国家将机器人作为国家计划进行重点规划和部署。美国发布了机器人发展路线报告,将现在的机器人与 20 世纪的互联网放在重要的地位;欧盟启动了全球最大民用机器人研发计划——“SPARC”,计划到 2020 年投入 28 亿欧元,创造 24 万个就业岗位;日本将机器人产业作为“新产业发展战略”中七大重点扶持的产业之一;韩国制定了“智能机器人基本计划”,并发布了“机器人未来战略展望 “2022”。 目前,机器人应用领域正在扩大。据了解,日本在人形机器人研发方面正在取得一些突破。日本大阪大学国际电信基础技术研究所高级研究员西尾修一说,这种机器人看起来和人形差不多,可由操作员进行远程控制,实现机器人与用户之间的自如交流。
    目前,发达国家形成了各自的机器人产业化模式,美国模式、日本模式和欧洲模式均在各国得到了成功的应用,大规模有效地使用工业机器人可以降低加工成本,提高产品加工的精度和生产效率,同时减少了工人的工作风险,为企业带来长期稳定的经济效益。综上所述,国外已经将自己的产业化模式成功应用到工业机器人规模化生产上,工业机器人技术也已经相当成熟。

    2.2 国内研究现状
    我国工业机器人起步于70年代初期,经过20多年的发展,大致经历了3个阶段:70年代的萌芽期,80年代的开发期和90年代的适用化期。从90年代初期起,我国的国民经济进入实现两个根本转变时期,掀起了新一轮的经济体制改革和技术进步热潮,我国的工业机器人又在实践中迈进一大步,先后研制出了点焊、弧焊、装配、喷漆、切割、搬运、包装码垛等各种用途的工业机器人,并实施了一批机器人应用工程,形成了一批机器人产业化基地,为我国机器人产业的腾飞奠定了基础。到目前来说,我国仍是一个机器人设备的消费市场,进口机器人占了绝大多数,行业市场处于发展壮大中。科学院机器人“十二五”规划研究目标:开展高速、高精、智能化工业机器人技术的研究工作,建立并完善新型工业机器人智能化体系结构;研究高速,高精度工业机器人控制方法并研制高性能工业机器人控制器,实现高速,高精度的作业;针对焊接喷涂等作业任务,研究工业机器人的智能化作业技术,研制自动焊接工业机器人,自动喷涂工业机器人样机,并在汽车制造行业,焊接行业开展应用示范。
    国家下一步的发展思路,将发展以工业机器人为代表的智能制造,以高端装备制造业重大产业长期发展工程为平台和载体,系统推进智能技术、智能装备和数字制造的协调发展,实现我国高端装备制造的重大跨越。具体分两步进行:第一步,到2020年,基本普及数控化,在若干领域实现智能制造装备产业化,为我国制造模式转变奠定基础;第二步,2021~2030年,全面实现数字化,在主要领域全面推行智能制造模式,基本形成高端制造业的国际竞争优势。
    工业机器人市场竞争越来越激烈,中国制造业面临着与国际接轨、参与国际分工的巨大挑战,加快工业机器人的研究开发与生产是使我国从制造业大国走向制造业强国的重要手段和途径。未来几年,国内机器人研究人员将重点研究工业机器人智能化体系结构,高速高精度控制,智能化作业,形成新一代智能化工业机器人的核心关键技术体系,并在相关行业开展应用示范和推广。在2015年提出的《中国制造2025》中工业机器人的智能化发展也被列入重点发展行列。

    3 工业机器人的发展与存在问题
    3.1 工业机器人的发展方向
    为了推动工业机器人的进一步发展,适应新时代的产业化需求,提出了“敏捷制造”策。“敏捷制造”的基本思想是企业能迅速以多种形式实现竞争环境下的敏捷性,主要包括个性化需求满足、快速反应性、低成本、生产系统 重 组 与 资 源 重 用 等。为此,工业机器人的发展呈现出3个方向,即模块化、结构创新和智能化。
    1)模块化。所谓模块化就是为实现产品(系统)的总功能,在功能分析的基础上,将整个产品分解为若干特定模块,然后通过模块的不同组合得到不同品种、不同功能的产品,以满足市场的各种需求。模块化设计具有下述几个优点:能够使机器人便于拆卸,减小安装空间,方便组件的运送;便于组件的替换,方便维修;通过组件的不同搭配,既可以满足不同用户群体的诸多需求,又可以降低制造成本
    2)结构创新。随着工业机器人技术的日益成熟,机器人不再仅被应用于制造业领域,其也被广泛地应用于非制造业的各个领域。由于工作环境复杂多变,因此对机器人的环境适应性提出了更高的要求,为了适应各种恶劣的作业环境,需要对机器人的结构进行改进和创新,例如为了服务于抢险救援场所,仿生足式机器人等新型行走机构成为机器人研究的热点。固定作业机器人中,为了提高动作灵活度,多关节、多自由度的机械臂等直杆机构开始出现。
    3)智能化。在柔性制造自动化及特殊作业中,要求机器人要有一定的智能,即检测功能和判断功能。为了实现该功能要求,需要大力发展多传感器信息融合技术,通过传感器获取的信息与信息库中存储的信息进行对照分析,完成检测识别,进而通过智能系统进行判断分析,例如在地震救灾机器人的研制中,为了实现对未知灾难现场环境信息的获取,需要安装视觉传感器;为了实现机器人行进中的自主避障,需要安装红外测距传感器等。

    3.2 工业机器人的发展面临的问题
    现在,我国已掌握了各种工业机器人设计与制造的基本技术,能够满足生产的一般要求。工业机器人已在汽车工程、机械电气和电子行业、橡胶和塑料等行业获得较多应用。然而,我国工业机器人的技术水平与发达国家还是存在一定差距,如稳定性和加工精度等技术指标远远赶不上国际先进水平。而且,目前市场上应用的工业机器人大多是从国外进口的。尽管我国在工业机器人的相关基础零部件方面已经有了很好的基础,但是无论从质量、产品系列方面,还是批量化供给方面都与国外的产品有较大的差距,我国工业机器人研发、设计、制造及应用还有很大的提升和拓展空间。例如:关键零部件精度不够,我国目前还缺乏整体核心技术的突破,只有少数企业拥有具有自主知识产权的工业机器人,在性能上依然不能替代外资品牌。中国机器人制造所需的关键零部件电动机、伺服电机、减速器,均为日本制造。
    除了关键零部件之外,本课题研究的机械结构也是非常重要的。如果机械结构设计不合理,例如:机器人刚度达不到要求、各部件间的配合不合理等,这样将会直接导致机器人的执行效果与预期有所偏差,这也就涉及到了机器人的精度问题。到目前为止此方面依然有很大的优化空间。所以,在本课题研究过程中应注重此方面的问题。
     
    4 课题研究
    本课题主要研究四关节小件物料搬运机器人结构设计。机器人的机械结构由手部、腕部、臂部机身及底座组成。其中,底座往往与机身做成一体,机身与臂部相连,机身支持臂部,臂部又支承腕部和手部。
    机器人臂部的配置目前常用的有横梁式、立柱式、机座式、屈伸式四种。由于机器人的运动要求、工作对象、作业环境和场地等因素的不同,其臂部的配置也有所不同,应根据实际情况而决定。腕部是连接机器人的小臂与手部的结构部件。若腕部能在空间取任意方位,那么手部就能在空间取任意姿势,所以腕部应具有独驱自转的功能。机器人的手部是最重要的执行机构,其结构形式要根据抓取的物料来决定。
     
    5 总结展望
    随着社会的发展科技的进步,机器人技术日趋成熟。目前机器人已广泛地应用于汽车、机械加工、电子及塑料制品等工业领域中,这样不仅节省了劳动力降低了生产成本,还大大的提高了生产率。并且其应用领域还在不断扩大。现在工业机器人的应用已经开始扩大到军事、核能、采矿、冶金、石油、化学、服务、娱乐、农业等领域中。将来无人化车间将会越来越多,更多的无聊的流水线工作将会由机器人来完成,大大的解放了劳动力。

    参考文献
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    目录
    1 绪论 1
    2 国内外研究现状 2
    2.1 国外研究现状 2
    2.2 国内研究现状 3
    3 工业机器人的发展与存在问题 4
    3.1 工业机器人的发展方向 4
    3.2 工业机器人的发展面临的问题 4
    4 课题研究 6
    5 总结展望 7
    参考文献 8

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