燕 山 大 学
本科毕业设计（论文）开题报告
课题名称：直线轴工业机器人的设计
学院（系）：机械工程学院
年级专业：06级机电3班
学生姓名：张长华
指导教师：田行斌
完成日期：2010年3月22日
一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义
工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科
先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。自从1962年美国研制出世界上第一台工业机器人以来,机器人技术及其产品发展很快,已成为柔性制造系统(FMS)、自动化工厂(FA)、计算机集成制造系统(CIMS)的自动化工具。在工业生产中广泛采用工业机器人,不仅可提高产品的质量与数量,而且对保障人身安全、改善劳动环境、减轻劳动强度、提高劳动生产率、节约材料消耗以及降低生产成本有着十分重要的意义。同计算机、网络技术一样,工业机器人的广泛应用正在日益改变着人类的生产和生活方式[1]。
自从工业机器人产生以来，取得了很大的发展。归纳起来，工业机器人分为以下三代[2]：
第一代：按示教/再现方式进行工作而没有感知功能（如力感觉、视觉、听觉等）的工业机器人。
第二代：随着科技的发展，最近出现的带有感觉、视觉、听觉等感知功能的工业机器人。
第三代：正在研制的智能化工业机器人。它不仅具有更发达的感知功能，而且还具有逻辑判断和决策功能，可根据作业要求和环境信息自行工作。由于工业机器人的迅猛发展而给人类社会带来了巨大利益，所以许多专家学者都在不断的对工业机器人产业的发展进行研究，这将是促使这一新兴产业不断发展的重要原因。
赵臣等对我国工业机器人产业的发展做了详细的介绍，并对工业机器人产业的发展模式进行探讨，归纳出三种发展模式，即日本模式、欧洲模式和美国模式。同时，还揭示了我国机器人产业发展存在的问题并针对性的提出了对于我国机器人产业化得几点建议[3]。
夏鲲等对工业机器人做了详细的解释，并对工业机器人在国内外的发展现状及其应用做了细致的介绍；同时，阐述了工业机器人给人们的生产和生活带了的效益[4]。
王楠介绍了机器人领域的相关情况,包括国内外研究设计情况、工业机器人研究趋向、工业机械手的设计技术、机器人应用技术、我国工业机器人的发展前景、机器人网络化等相关问题[5]。
司震鹏等指出模块化机器人是21世纪机器人发展的主要方向,并设计了一种模块化机器人,在机械结构上分别设计出了关节模块和连杆模块,而且模块
之间具有很好的互换性,可以提高机器人的研发速度,降低成本,并且对其进行运动学分析,得出了机器人的正解和逆解,为机器人进一步设计提供了方向及理论依据[6]。
陈雪华等提出三种模块化转动关节,详述它们的结构参数,并用这三种模块化关节装配了写字机器人,对其进行运动参数计算、运动学分析和写字的模拟实验。结果表明,提出的三种模块化关节在一定范围内能较好地实现模块化机器人的运动功能[7]。
李平针对工业机器人现有末端执行器的应用缺陷,结合人手构造,在保证具有良好机械特性及适合物体抓取的前提下,通过对结构参数的优化,设计了一种多指型末端执行器。建立了单手指的运动学模型并对抓持状态下各手指的运动姿态进行了仿真分析,在此基础上完成了分层模块化控制系统的设计[8]。
由此看来，广大学者对工业机器人的发展都非常的关注，并且不断的在工业机器人的制造技术上进行研究和创新，使这一产业在各个领域都发挥了很大的作用，取得了骄人的成就。
现在的直架型工业机器人由于自身结构的限制，只能在水平和垂直方向做移动，有的还可以绕某一轴转动，这样就使该类型的工业机器人在其工作空间上有了很大的限制。而现在的关节型工业机器人，尽管在手臂工作空间的问题上有了很大的改进，但是由于其安装方式和工作环境都有一定的限制，依然有待改进[9]。
然而，直线轴工业机器人融合了直架型和多关节型机器人的优点。顶部安装的机器人只占用有限的空间，可提供更高的活动范围，从而有助于提高生产灵活性。该型工业机器人是一种高成本效益的灵活解决方案，可以用于多个机器或站点，而性能不受影响。这种自身具备的灵活性有助于快速方便地进行转换，能够提高正常运行时间。通过调整直线轴的长度和高度，该类型工业机器人的作业范围可以适用于各种不同的应用。机器臂可以安装在侧面或倒置安装，从而确保达到最大的工作范围。这是最为理想的灵活自动化。
二、研究的基本内容，拟解决的主要问题
我研究的基本内容是直线轴工业机器人，对其机械结构进行设计，并进行必要的计算以及完成直线轴工业机器人的三维造型设计和运动仿真，并完成设计图纸和部分零件图。直线轴工业机器人能完成物料搬运、动力传动系组装、
重型弧焊等工作，具有很大的研究意义。
通过对文献[4][9][10][13]的阅读可知直线轴工业机器人面临着许多待解决的问题：
（1）有些直线轴工业机器人承载能力不强，这就使该类型机器人在某些工作领域受到限制。不仅如此，这还限制了机器人本身安装传感器，进而对机器人的功能改进有了一定的限制。所以，需要改进现有直线轴工业机器人的机械机构设计，使其能够承受更大的负载。
（2）该类型机器人工作时的位置精度和运动精度还达不到一些工作领域的要求。前者决定机器人能否符合精度要求进行工作，后者直接关系到机器人能否适应生产节拍的要求。要解决这一问题，应解决好机器人平稳工作这一基本问题。这就要求对其结构刚性和抗震性等方面进一步改进。
（3）直线轴工业机器人的机械本体体积很大，而且重量也随着适应各种工作而变大。这就在一些工作领域受到限制，进而使它的工作灵活性不能得到发挥。
这些问题都是本次设计中要重点考虑和解决的关键问题。
三、研究步骤、方法及措施
首先查阅文献资料，从文献资料中了解一些关于直线轴工业机器人的基本知识，确定研究方案。
然后按照给定的设计参数对研究方案进行机械结构设计，确定各零部件的尺寸形状，进行相关的设计计算，用CAXA制作直线轴工业机器人的装配图和部分零件图。
用Solidworks对零件进行设计造型，再将每个零件装配起来，利用仿真模块进行运动仿真，从而确认其工作特性是不是符合给定的设计参数。
设计思路：结合直架型和关节型工业机器人的结构特点来进行机械结构设计。
四、研究工作进度
第一阶段（第一周~第四周），查阅相关资料和阅读参考文献，了解国内外直线轴工业机器人的发展现状和趋势，明确研究方案的意义及其可行性，并且确定大体的机械结构，完成文献综述和开题报告，准备节点考核。
第二阶段（第五周~第十周），对研究方案进行机械结构的相关设计计算，
通过校核选择电机并进行运动学分析，用CAXA绘制直线轴机器人设计装配图，翻译外文文献。
第三阶段（第十一周~第十四周），选择直线轴机器人的部分典型零件绘制零件图。
第四阶段（第十五周~第十六周），用Solidworks绘制机器人的三维实体零部件，并进行装配进而完成运动仿真模拟，着手准备设计说明书。
第五阶段（第十七周~第十八周），完成毕业设计说明书，准备答辩。
五、主要参考文献
[1] 顾振宇.全球工业机器人产业现状与趋势.机电一体化.2006，（2）
[2] 马香峰,余达太.工业机器人的操作机设计（1）.北京:冶金工业出版社,1996,1-10
[3] 赵臣,王刚.我国工业机器人产业.机器人技术与应用.2009,（2）
[4] 夏鲲,徐涛,李静锋.工业机器人的发展与应用研究.机械与电气.2008,(8)
[5] 王楠.小型工业机器人的设计状况与前景.机械与电气.2008,(3)
[6] 司震鹏,曹西京,姜小放.4自由度模块化机器人的设计.轻工机械.2009,27(4)
[7] 陈雪华,梁锡昌.基于模块化关节的机器人结构设计和运动学分析.现代制造工程.2005,（2）
[8] 李平.一种工业机器人新型末端执行器的研究与设计.设计与研究.2008,
（12）
[9] 侯奎孝,易平.龙门机器人的研制.组合机床与自动化加工技术.1999,（2）
[10] 张君,朱海涛,谭定忠.十字龙门式机器人的研究.机械工程师.2007,（1）
[11] 熊建国.工业机器人的应用和发展趋势.科技天地.2009,（5）
[12] 原魁.工业机器人发展现状与趋势.工厂自动化.2007,（1）
[13] 石炜.工业机器人控制的稳定性研究.包钢科技.2007,33（2）
[14] Koji Yoshida,Khalil W.Verification of the positive definitene of the inertial matrix of manipulators using base inertial parameters .Roborics Research.2000,(5):498-510.
[15] B.Subudhi and A.S.Morris.Dynamic modeling,simulation and control of a manipulator with flexible link and joints.Robotics and
Autonomous Systems,2002,(41):257-270.
[16] Garcia,E,J Estremera,and P.Gonzalezde Santos.A Compara-tive StudyofStabilityMargin for WalkingMachines.Robotica.2002,Vol 20.
[17] L.Zhou,T.Lin,S.B.Chen.Autonomous Acquisition of Seam Coordinates for Arc Welding Robot Based on Visual Servoing[J].Journal of Intelligent and Robotic Systems,2006,47(3).
[18] S.S.Ge,Y.J.Cui.Dynamic Motion Planning for Mobile Robots Using Potential Field Method[J].Autonomous Robots,2002,13(3).
六、指导教师意见
同意
指导教师签字：
2010年03月22日
七、系级教学单位审核意见：
审查结果： □ 通过□ 完善后通过□ 未通过
负责人签字：
2010年03月22日
