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开题报告
姓 名:
学 号:
学 院:
专 业:
指 导 教 师:
填 表 日 期:
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设计题目
平面关节型机器人结构设计
设计类型
基础理论
选
题
来
源
指导教师科研项目
国家项目
应用研究
√
部省(市)项目
开发研究
学校项目
生产单位
自 拟
√
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由国际标准化组织（ISO）的定义：“工业机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能操作机，这种操作机具有几个轴，能够借助可编程操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行各种任务”。随着近年来新技术的迅速发展，工业机器人已广泛用于工业生产中，如从事喷漆、焊接、装配、搬运等工作。工业机器人技术是一种以机械技术为载体，并结合计算机科学、电子学、控制技术等多个学科的综合性高新技术。
按照几何结构，工业机器人可分为直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型、关节坐标型、平面关节型五种。
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直角坐标型
直角坐标型机器人由三个线性关节组成，机器人在X、Y、Z轴上的运动相互独立。该机器人控制简单、精度高，但操作范围小、占地面积大、运动速度低、密封性差。
圆柱坐标型
圆柱坐标型的部件位置由一个旋转关节与两个移动关节确定。该机器人工作范围较大，且计算简单，手臂可伸入腔式工件内部，但手臂能到达空间有限，不能到达近立柱或近地面的空间。
球坐标型
球坐标机器人采用球坐标系，使用两个旋转关节与一个滑动关节来确定部件位置。该机器人工作范围大，但坐标复杂，难以控制。
关节坐标型
该机器人的关节皆为旋转式，类似于动物手臂，工作范围较为复杂。
平面关节型
平面关节型机器人的代表为SCARA机器人，采用两个旋转关节使机器人在水平面做预定的运动，再采用一个滑动关节使机器人的执行部件做垂直运动。这种机器人在X-Y平面具有较大柔性，沿Z轴具有较强刚性。
平面关节型机器人常用于装配和码垛作业，也用于搬运、喷涂、焊接、拧螺丝等作业。
目前对机器人技术的发展最具影响力的国家为美国和日本。
美国是最早研制工业机器人的国家，1958年，“工业机器人之父”创建了世界上第一个机器人公司——Unimation公司，并参与设计了第一台Unimate机器人。美国的AMF公司于同时也开始了工业机器人Versatran的研制，Versatran主要用于机器之间的物料运输。21世纪初，微软公司推出Microsoft Robotics Studio机器人，使机器人向模块化、统一化的趋势发展。
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日本机器人的发展，经过了20世纪60年代的摇篮期、70年代的实用化期、80年代的普及、提高期3个基本阶段。经过数十年的发展，日本的工业机器人数量及制造技术都处于世界领先地位。
我国的机器人技术起步较晚，开始于20世纪80年代。我国在“七五”计划将机器人列入了国家重点科研规划内容。目前，我国已基本掌握了机器人的设计制造技术、控制系统硬件和软件技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元件和器件，并开发出喷漆、焊接、装配、搬运等机器人。此外，我国在步行机器人、精密装配机器人、多自由度关节机器人的研制等的差距。
自第一台工业机器人问世至今，机器人的应用领域从汽车工业逐渐向各个行业渗透，机器人的功能与类型也逐渐被丰富。目前，机器人已深入到人类生活的多个方面，机器人与人类科技的进步和文明发展已形成了紧密联系。
随着工业机器人的普及以及科学技术的发展，工业机器人技术总体向着智能化、模块化、系统化等方向发展。
从工业机器人操作机结构来看，未来将探索新的高强度轻质材料，进一步提高负载/自重比；从控制技术方面，将重点研究开放式、模块化控制系统，人机界面将更加友好；未来还将使用多传感系统来进一步提高机器人的智能度和适应性；此外，仿人和仿生物机器人也将取得进一步发展。
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（1）设计要求：
设计一种用于某装配线的工业机器人，将工件从一条输送带搬运到另一条与之平行的输送带，并将工件装配到与之配套的底座，工件外形尺寸为80mm×60mm×60mm，重量为1kg，表面材料为合金钢。两输送带之间距离为1000mm，高度差70mm（包括工件配套底座高度）。根据工作内容与工作环境，确定该机器人的类型为平面关节型机器人。
（2）参数：
自由度：4（其中3个旋转自由度，1个移动自由度）
最大持重：10kg（包括末端执行件）
最大动作范围：
大臂：±100°，（臂长400mm）
小臂：±120°，（臂长220mm）
腕部：旋转±90°，垂直移动距离100mm
重复位置精度：XYZ:±
R:±°
最高速度：
大臂、小臂合成：6400mm/s
腕部转动：1800°/s
腕部移动：320mm/s
驱动方式：伺服电机
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（1）总体方案
：其主要结构为一个底座、一个作旋转运动的大臂与一个作旋转运动的小臂、再加上用来连接末端执行机构的腕部。腕部的轴在绕其自身的轴线做旋转运动的同时，也在垂直方向进行移动；末端执行机构为一个夹持器，用来夹持工件。
平面关节型机器人外形结构图
：在X-Y平面的运动由两个旋转关节控制，腕部在垂直方向的运动由一个滑动关节实现，腕部的旋转运动由一个旋转关节控制。
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平面关节型机器人运动简图
（2）各传动链传动方案
大臂：大臂在X-Y平面绕一根轴做摆动，运动的动力来自于电机。由于电机的转速较高，且大臂的转动需要较大转矩，故采用一个齿轮减速箱对其减速，低速级传动轴通过键与大臂连接，并将转矩传递到大臂带动其转动。
小臂：小臂的运动与大臂相似，其目的为增加机器人的工作范围与灵活性。动力由电动机提供，由于传动链位于悬臂梁上，为减轻重量，采用带传动来降低转速、增加转矩。由于臂的摆动角度需要精确控制，故传动带选为同步带。
腕部：腕部的运动分为两个，垂直方向的移动用于上下料动作，腕部的转动为了使末端执行件（卡爪）在正确地位置夹取工件。转动传动链与小臂相似，电机提供动力，再以同步带传动来降低转速，增加转矩，带动腕部的转动；垂直方向的移动主要由滚珠丝杠实现，电机经同步带减速之后，带动滚珠丝杠的转动，丝杠的转动使丝杠螺母作垂直方向的移动，从而使与丝杠螺母连接的腕部主轴作垂直方向的运动。
末端执行机构：末端的执行机构为卡爪，卡爪的夹持力由气缸提供。
（1）结合实际生产，拟定出该工业机器人的工作内容及工作环境；
（2）根据机器人工作内容，参考并分析现有产品，设计出总体结构，绘出草图；
（3）由总体结构，设计出能实现其功能的传动方案，绘出草图；
（4）根据草图，由末端执行件开始，沿着传动路线逐步向后推，确定传动方案中的各零部件，并对其进行计算与校核；
（5）绘制出装配图、零件图；
（6）由装配图与零件图的具体数据，修改相应的计算内容；
（7）编写设计计算说明书。
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CAD绘图：折合A0图纸不少于6张（不少于3张装配图）
设计计算说明书：1-，其中包含电机的选择与校核、齿轮的计算与校核、轴的计算与校核、轴承的选择与计算、同步带轮的计算、滚珠丝杠的计算、气缸驱动力的计算、卡爪夹持力的计算等，另外还包含机器人运动学的计算。
外文翻译：大于3万字符
（1）传动方案的合理选择及基本结构的设计
（2）平面关节型机器人相关参数的计算
（3）零件在空间布置时可能遇到干涉等问题
（4）关节型机器人运动学的计算
（5）零部件的计算和校核
（6）部分重要参考资料收集困难
（7）预期方案可能不可行或存在不合理之处，需返工修改
主要参考书目：
[1]：
[2]郑文纬,：
[3]廖希亮,吴凤芳,：
[4]：
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[5]：
[6]：
[7]
[8]：
[9]：
[10]：
[11]柳洪义,：
[12]殷际英,：化学工业出版社2003
[13]：
[14](俄)：
[15]：
[16]：
[17]冯清秀，：
[18]：
设计写作计划
（20XX年12 月24 日 至 20XX年 6 月 7日）
各阶段工作时间
论文（设计）各阶段工作内容及要求
检查方式
检查情况
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确定设计题目,收集相关资料
整理和筛选相关资料,并制定初步方案，拟定出传动原理图与设计草图，准备开题答辩
根据草图，初步完成各项计算
完善计算部分，整理前期工作内容，为中期答辩整理部分资料
初步绘制总装图，根据装配图具体尺寸修改相应的计算内容
完善总装图并完成其他装配图的绘制，并翻译部分外文文献
整理前期工作内容，准备并完成中期答辩，根据答辩情况修改设计方案
绘制部分零件图，完成外文文献的翻译
绘制零件图，编写设计计算说明书
检查并修改设计图纸和设计计算说明书，整理工作内容
出图、打印说明书，准备毕业答辩
导师考核
导师考核
开题答辩
导师考核
导师考核
导师考核
导师考核
导师考核
中期答辩
导师考核
导师考核
导师考核
导师考核
毕业答辩