机械手设计开题报告

随形抓取机械手的设计及运动实现姓名:王熙杰专业：机械工程学号：0614109一、课题来源二、课题的研究背景及意义三、国内外研究现状及存在的问题四、论文拟研究内容五、论文进展安排六、参考文献目录一、课题来源本课题来源于兰州市科技专项重点资助项目项目编号：20750二、课题研究背景及意义机器人是新兴的跨学科综合性高新产品，涉及机械、电子、计算机、控制理论、仿生学、人工智能、传感器技术等学科领域和交叉学科。作为机器人一个重要组成部分的机械手是一个高度集成化,智能化的小型机构,其设计与研究也涉及机械、计算机、自动化、电子、材料等多门学科,它作为末端执行器,在一定程度上也体现了承载机器人的工作能力。通常，工业自动化中使用的机械手，都是简单的夹持器，只能实现简单的开合动作，应用具有很大局限性。出现这种情况的主要原因有：二、课题研究背景及意义抓取稳定性、可靠性低；对抓取物体形状自适应性差；质量重，不能实现微小的位姿调整。目前，社会对企业生产的产品的技术水平要求越来越高，生产的产品品种形状成千上万，人们迫切从有毒、有害、高温或危险的工作环境中解放出来愿望等原因,随着科技水平的提高以及经济的发展,机械手的应用领域还在不断的扩大,概念也在不断地拓展,不再局限于搬运、焊接以及大批量作业的机械手,而是机械手不仅可以替代人手完成一些简单的操作,还能进行更加复杂的随形抓取和操作。随着机械手研究的深入和各方面需求的巨大增长,研制一款结构简单，稳定、可靠、重量轻、对抓取物体形状具有自适应性的随形抓取机械手具有重要的实际意义。二、课题研究背景及意义目前,国家对康复工程的发展非常重视,据统计,我国将近6000多万的残疾人中有多达900万为肢体残疾的人,能够研究出帮助残疾人进行正常活动的仿人具有随形抓取机械假肢手具有重要的现实意义。我国正在大力发展和研制新型航天器,能够制造出在航天器的船外进行操作的智能太空机器人智能机械手也具有重要意义。二、课题研究背景意义三、国内外研究现状及存在的问题国外现状：德国宇航中心的最新研究成果：该款灵巧手在功能和外形上都与人手十分相像，其手指的每个关节分别由一个袖珍电机驱动，可以彼此独立工作。三、国内外研究现状及存在的问题英国Shadow机器人公司开发的机械手基本能像人手一样运动，并具备人手大部分的抓取功能。另外该机械手的动力源采用气压驱动的方式，反应灵敏迅速。三、国内外研究现状及存在的问题苏格兰触摸仿生（TouchBionics）公司的最新产品公司宣称，最新的这款名为i-limb机械手是目前最灵活，最易于操作的机械手。它的每根手指都能根据物体形状不同进行弯曲，无论是智能手机，还是杯子、小球，甚至是一个硬币都能轻松拿起。在严格的训练之后，使用者可以将这种机械手的功能发挥到极致。（帕特里克·凯恩是英国首位装配智能仿生机械手的人）如下图：三、国内外研究现状及存在的问题国内现状：HIT/DLR四指机械手是由哈尔滨工业大学机器人所和德国宇航中心共同研制的仿人多指机械手，由四根手指组成，食指、中指和无名指均具有三个自由度，拇指除了具备三个弯曲自由度以外，还有一个类似人手拇指侧向摆动的自由度，共13个自由度。该机械手操作非常灵活，能像人手一样抓取不同形状和尺寸的物体，同时在复杂程序的控制下，还可以弹奏钢琴。但由于该款灵巧手的驱动控制系统全内置在灵巧手内部，所以该灵巧手的尺寸无法进一步缩小，并且由于该灵巧手高度的操作灵活性，其手指表面布满了各种类型的传感器，共计有1600多个，除此之外，还有600多个机械零部件，结构比较复杂。三、国内外研究现状及存在的问题北京航空航天大学机器人所也先后研发了BH系列多指机械手。BH-3是基于斯坦福机械手的原理研发的一款灵机械手手，该款机械手实际上是靠各指节之间的耦合运动来实现对物体的自适应性，当手指末端的位置确定以后，整个灵巧手的形态也就随之确定，操作的适应性性有限。进一步研发BH-4灵机械手，手掌决定了四根手指在手掌上的布局，通过设计不同的手掌结构，整个灵巧手可以呈现拟人状和非拟人状，而手指只能实现自适应包络。三、国内外研究现状及存在的问题通过国内外现状对比可知抓取机械手存在问题有:对抓取物体形状适应性差；控制结构复杂，重量体积过大；制造成本昂贵。四、论文拟研究内容1）随形抓取机械手总体设计2）随形抓取机械手的运动学与静力学分析3）随形抓取机械手抓取运动规划与控制系统设计4）随形抓取机械手三维实体建模与仿真验证四、论文拟研究内容通过分析随形抓取智能机械手的作业功能和作业环境，提出机械手设计的要求，然后查阅文献，分析总结国内外目前对随形抓取智能机械手的研究现状；并进一步对目前机械手常采用的驱动技术进行全面的比较分析，最终提出自己的随形抓取机械手详细方案，并进行机械手的总体方案设计以及详细的机械结构设计；基于D-H方法，建立机械手运动学的几何模型及坐标系，利用坐标变换矩阵建立起各个坐标系之间的变换关系，推导出随形抓取机械手手指末端的位置矩阵;1）随形抓取机械手总体设计2）随形抓取机械手的运动学与静力学分析随形抓取机械手最基本的两个功能就是抓取和操作，要机械手完成某一特定的操作任务，就必须对机械手进行抓取规划；要实现抓取和操作的运动必须依靠控制系统。四、论文拟研究内容3）随形抓取机械手抓取运动规划与控制系统设计建立随形抓取机械手的抓取力学模型，分析影响作业对象与工具作用力学的相关因素，揭示机械手的构型参数、对象特征参数等对于作业过程中机械手抓取力影响的规律；最后对随形抓取机械手手指进行动力学建模与分析，为机械手的控制打下基础。四、论文拟研究内容4）随形抓取机械手三维实体建模与仿真验证运用软件对随形抓取机械手抓取不同形状的物体进行仿真分析，验证机械手抓取的操作性能；通过对机械手抓取不规则形状物体的联合仿真，验证机械手对不规则形状物体抓取的适应性，进一步验证随形抓取智能机械手设计的合理性与正确性。五、论文进展安排2015.07-2015.11查阅文献及资料，确定研究方案，明确研究方向，列出论文提纲2015.12-2016.02对传统的机器人抓取机构、驱动传动技术进行分析和比较。2016.03-2015.06学习三维，模拟软件，进行详解的手指结构、驱动传动结构方案设计。2016.07-2016.09研究实验，用三维软件对所设计抓取机构、驱动传动系统做出运动仿真和静力学仿真分析，验证其合理性，分析数据并做出优化。2016.10-2016.12撰写毕业论文2017.01-2017.04论文修正与格式检查六、参考文献[1]蔡自兴.机器人学.北京:清华大学出版社,2000,9.[2]R.Tomovic.G.Boni.Anadaptiveartificialhand[A].IRETransactionsonAutomaticonAutomaticControl[C].1962,p:3-10[3]T.Tomovic.Computercontrolofmulti-jointedfingersystemforpreciseobject-handing[A].IEEETransactionsonSystems.ManandCybemetics[C].1982.p:289-299.[4]刘伊威.赵京东.机器人灵巧手的研与发展[J].2009,(9):148-152[5]ButterfassJ,GrebensteinM,LiuH,etal.DLRHandII:HardandSoftwareArchitectureforInformationProcessing[J].InProceedingsofthe2003IEEEInternationalConferenceonRobotics&Automation,Taipei,Taiwan,2003,1(1):684-689.[6]ClementM.Gosselin.Adaptiveroboticmechanicalsystems:Adesignparadigm[J].JournalofMechanicalDesign,2006,128:192.[7]BirglenL,GosselinCM.Geometricdesignofthree-phalanxunderactuatedfingers[J].JournalofMechanicalDesign,2006,128:356.[8]XHGao,MHJin,LJiang,etal.TheHIT/DLRDexterousGripper:WorkinProgress[J].IEEEInternationalConferenceonRoboticsandAutomation,2003,9:3164-3168.[9]刘伊威,金明河,樊绍巍.五指仿人机器人灵巧手DLR/HITHandII[J],机械工程学报,2009,(5):10-17.[10]王洪瑞,吕应权,宋维公.BH-1灵巧手运动学和动力学建模研究[J].系统仿真学报,1997,9(3):44-50.[11]杨洋,陆震,张启先.多指灵巧手考虑渐近稳定性的最优抓持规划[J].航空学报,1996,17(3):324-329.[12]王国庆,李大寨.新型三指灵巧机械手的研究[J].机械工程学报,1997,33(3):71-75.[13]俞昌东,姜力,黄海.残疾人假手的仿人和欠驱动机构研宄[J].机械设计,2007,24(9):44-46.[14]王嘉研.欠驱动机械手的设计与实验研究[D].东北大学,2009.参考文献[15]卜夺夺.仿人机器人欠驱动灵巧手研究[D].杭州电子科技大学,2012.[16]卜夺夺,周建军,马天文.腱传动仿人手指机构的设计与分析[J].机电工程，2012,03:286-289.[17]王光宇.五指仿人灵巧手的机构设计[J].才智,2013,15:207-208.[18]张文增,马献德,黄源文,邱敏,陈强.末端强力抓取的欠驱动拟人机器人手[J].清华大学学报(自然科版),2009,02:194-197.[19]张文增,陈强,孙振国,徐济民,赵冬斌.变抓取力的欠驱动拟人机器人手[J].清华大学学报(自然科学版),2003,08:1143-1147.[20]LionelBirglenandClémentM.Gosselin.ForceAnalysisofConnectedDifferentialMechanisms:ApplicationtoGrasping[J].TheInternationalJournalofRoboticsResearch,2006(25):1033[21]黄海.新型仿人假手及其动态控制的研究[D].哈尔滨工业大学,2008.[22]孙桓，陈作模，葛文杰．机械原理[M]．7版．北京：高等教育出版社，2007．[23]王洪瑞,吕应权,宋维公.BH一1灵巧手运动学和动力学建模研究.系统仿真学报,1997(9):44一49[24]管贻生,张启先,李泽湘.多指手操作:运动学算法和实验.机器人,1998(5):321一331[25]诸静.机器人与控制技术.第一版.浙江:浙江大学出版社,1991:170一201[26]熊有伦.机器人技术基础.华中理工大学出版社,1996:17一35,55,61[27]张永德,机器人多指灵巧手的结构优化设计及抓取机理的研究.哈尔滨工业大学博士论文,1999:13一20,30一35[28]林良明.仿生机械学.上海交通大学出版社,1991:4[29]邹慧君,傅祥志,张春林,李祀仪.机械原理.高等教育出版社,1999:14一15参考文献[30]宋鹏飞,罗志增.具有触觉和滑觉的传感器及其信号处理电路.杭州电子工业学院,2002,23(4):57一61.[31]胡汉才.单片机原理及系统设计.北京:清华大学出版社,2002.[32]樊仲斌.五自由度仿人型残疾人假手控制系统的研究[D].哈尔滨大学硕士学位论文.2010.[33]刘伊威,赵京东.机器人的研究与发展[J].机械传动.2009,33(4):126-129.[34]王凯,郭冰