機(jī)器人畢業(yè)設(shè)計(jì)前期報(bào)告

1、<p>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）前期報(bào)告</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：水下機(jī)器人車(chē)載機(jī)械手</p><p>　　專(zhuān)業(yè)（方向）：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化</p><p>　　學(xué) 生 信 息： 學(xué)號(hào)： 姓名： 班級(jí)：</p><p>　　指導(dǎo)教師信息： 教師號(hào)： 姓名：

2、 職稱(chēng)：</p><p><b>　　報(bào)告提交日期：</b></p><p><b>　　內(nèi)容要求： </b></p><p><b>　　一、課題研究背景：</b></p><p>　　1.1水下機(jī)器人的研究背景</p><p>　

3、　地球的表面積為5.1 億平方公里，而海洋的面積為3.6 億平方公里。地球表面積的71%被海洋所覆蓋。在煙波浩渺的海洋深處，蘊(yùn)藏著什么樣的寶藏？是否存在著智慧生命？海底生物是怎樣生活的？海底的地形地貌又是什么樣的？所有這一切都使海洋充滿(mǎn)了神秘的色彩，也吸引了無(wú)數(shù)科學(xué)家、探險(xiǎn)家為之探索。[1]</p><p>　　從遠(yuǎn)古時(shí)代起，人們就泛舟于海上。從19 世紀(jì)起，人們開(kāi)始利用各種手段對(duì)海洋進(jìn)行探察。20 世紀(jì)，水下機(jī)

4、器人技術(shù)作為人類(lèi)探索海洋的最重要的手段，受到了人們普遍的關(guān)注。進(jìn)入21 世紀(jì)，海洋作為人類(lèi)尚未開(kāi)發(fā)的處女地，已成為國(guó)際上戰(zhàn)略競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)，因而也成為高技術(shù)研究的重要領(lǐng)域。毫不夸張地說(shuō)，本世紀(jì)是人類(lèi)進(jìn)軍海洋的世紀(jì)。[1]</p><p>　　人類(lèi)關(guān)注海洋，是因?yàn)殛懮系馁Y源有限，海洋中卻蘊(yùn)藏著豐富的礦產(chǎn)資源、生物資源和能源。另一個(gè)重要原因是，占地球表面積49％的海洋是國(guó)際海底區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)的資源不屬于任何國(guó)家，而屬于全

5、人類(lèi)。但是如果哪一個(gè)國(guó)家有技術(shù)實(shí)力，就可以獨(dú)享這部分資源。因此爭(zhēng)奪國(guó)際海底資源也是一項(xiàng)造福子孫后代的偉大事業(yè)。水下機(jī)器人作為一種高技術(shù)手段，在海底這塊人類(lèi)未來(lái)最現(xiàn)實(shí)的可發(fā)展空間中起著至關(guān)重要的作用，發(fā)展水下機(jī)器人的意義是顯而易見(jiàn)的。[1]</p><p>　　1.2日本地震引發(fā)的核泄漏</p><p>　　2011年3月11日日本關(guān)東發(fā)生九級(jí)大地震。大地震以及隨之而來(lái)的海嘯、大火吞噬了至少

6、兩萬(wàn)人的生命，但人們還能井然有序守望相助。隨之而來(lái)的福島第一核電站發(fā)生爆炸，放射性物質(zhì)泄漏，不僅給日本國(guó)民帶來(lái)核射線(xiàn)傷害，而且引發(fā)了周邊國(guó)家民眾的核恐慌。[2]日本核泄漏造成的影響是巨大的，其影響時(shí)間也是長(zhǎng)遠(yuǎn)的。福島核事故后，由于工作人員無(wú)法進(jìn)入反應(yīng)堆內(nèi)查看詳情，不僅不能獲得及時(shí)信息，也無(wú)法對(duì)反應(yīng)堆進(jìn)行及時(shí)修復(fù)，降低損失。日本核事故給我們帶來(lái)了很多教訓(xùn)，現(xiàn)在自然災(zāi)害頻發(fā)，我們不得不深思，引以為戒。因此，從這個(gè)方面來(lái)看，水下耐核輻射機(jī)器人

7、的研究非常有必要，而且具有很大的實(shí)用前景。</p><p><b>　　二、國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀</b></p><p>　　智能水下機(jī)器人是將人工智能、自動(dòng)控制、模式識(shí)別、信息融合與理解、系統(tǒng)集成等技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)的載體上，在無(wú)人駕駛的技情況下自主完成復(fù)雜海洋環(huán)境中預(yù)定任務(wù)的機(jī)器人。[3]</p><p><b>　　2.1國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀&l

8、t;/b></p><p>　　國(guó)外水下機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，主要以美國(guó)、日本以及西方發(fā)達(dá)國(guó)家為代表，他們的發(fā)展技術(shù)幾乎可以代表了全世界水下機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展水平。著名的研究機(jī)構(gòu)有麻省理工學(xué)院MIT Sea Grant’s AUV實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)海軍研究生院智能水下運(yùn)載研究中心、美國(guó)五慈侯海洋學(xué)院、美國(guó)佛羅里達(dá)大西洋高級(jí)海洋系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室、日本東京大學(xué)機(jī)器人應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室、英國(guó)海事技術(shù)中心等。[4]</p>&

9、lt;p>　　美國(guó)是最先發(fā)展水下機(jī)器人的國(guó)家，他們掌握著水下機(jī)器人較高的技術(shù)水平。由美國(guó)海軍研究生院的Phoenix AUV和性能更優(yōu)越的Aries AUV，主要用于研究智能控制、規(guī)劃與導(dǎo)航、目標(biāo)識(shí)別等技術(shù)。[5]日本憑借其在智能機(jī)器人方面的發(fā)展優(yōu)勢(shì)，在水下機(jī)器人方面也不甘落后，取得了突躍式進(jìn)步，并成為這個(gè)領(lǐng)域的佼佼者。日本對(duì)于無(wú)人有纜的潛水器研制比較重視，不僅有近期的研究項(xiàng)目，而且還有較大型的長(zhǎng)遠(yuǎn)計(jì)劃。目前日本正在實(shí)施一項(xiàng)包括開(kāi)

10、發(fā)先進(jìn)無(wú)人遙控潛水器的大型規(guī)劃。歐洲方面根據(jù)歐洲尤卡里計(jì)劃，英國(guó)、意大利將聯(lián)合研制無(wú)人遙控水下機(jī)器人。這種潛水器性能優(yōu)良，能在6000米水深持續(xù)工作250個(gè)小時(shí)，比現(xiàn)在正在使用的只能在4000米水深持續(xù)工作12個(gè)小時(shí)的機(jī)器人性能優(yōu)良的多。</p><p>　　2.2國(guó)內(nèi)水下機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　我國(guó)從上世紀(jì)70年代開(kāi)始較大規(guī)模地開(kāi)展?jié)撍餮兄乒ぷ鳎鸩捷^其他發(fā)達(dá)國(guó)家晚了很多，

11、但在過(guò)去的幾十年內(nèi)，我國(guó)水下機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展還是取得了很大的進(jìn)步，并取得了一些重要成果。我國(guó)先后研制成以援潛救生為主的7103艇（有纜有人）、Ⅰ型救生鐘（有纜有人）、QSZ單人常壓潛水器（有纜有人）、8A4水下機(jī)器人ROV（有纜無(wú)人）和軍民兩用的HR-01 ROV，RECON IV ROV及CR-01 A 6000m水下機(jī)器人 AUV（無(wú)人無(wú)纜）等，使我國(guó)潛水器研制達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平[4] 。2011年7月26日上午，中國(guó)載人潛水器“蛟

12、龍?zhí)枴痹诘诙蜗聺撛囼?yàn)中成功突破5000米水潛大關(guān)，最大下潛深度達(dá)到5057米。創(chuàng)造了中國(guó)載人深潛新的歷史，“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器5000米深潛成功，意味著中國(guó)載人深潛水平已位居世界前列。標(biāo)志著中國(guó)具備了達(dá)到全球70%以上海洋深處進(jìn)行作業(yè)的能力，極大增強(qiáng)了中國(guó)科技工作者進(jìn)軍深海大洋、探索昂奧秘的信心和決心。同時(shí)，在第14屆國(guó)際無(wú)人水下機(jī)器人競(jìng)賽中，我國(guó)獲得第十二名的優(yōu)異成績(jī)，創(chuàng)亞洲最好成績(jī)排名，領(lǐng)跑日本、印度。這同樣也說(shuō)明了我國(guó)的水下機(jī)器

13、人技術(shù)已基本達(dá)到世界先進(jìn)水平。</p><p>　　3.水下機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)</p><p>　　21世紀(jì)將是海洋的世紀(jì)，隨著技術(shù)的進(jìn)步，各式各樣的水下機(jī)器人將以更快的速度發(fā)展起來(lái)看，將采用遙控、監(jiān)控、預(yù)編程、局部自治或其組合等，這會(huì)使水下機(jī)器人的應(yīng)用更加廣泛。隨著陸地資源和能源的日益缺乏，越來(lái)越多的科學(xué)家開(kāi)始把目光轉(zhuǎn)向海洋，這無(wú)疑會(huì)極大促進(jìn)水下機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，在未來(lái)，那個(gè)能率先掌握更發(fā)達(dá)

14、的水下機(jī)器人技術(shù)，他就會(huì)掌管巨大的海底資源。但是目前水下機(jī)器人技術(shù)方面還存在一些難題[16]。例如水下遙控機(jī)器人水下數(shù)據(jù)率的信息傳輸仍無(wú)法以無(wú)纜的形式徹底解決。[5,]</p><p>　　未來(lái)水下機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)有以下幾點(diǎn)：一是水深普遍在6000米；二是操縱控制系統(tǒng)多采用多功能，力反饋監(jiān)控系統(tǒng)；三是更加注重模塊化；四是增加推進(jìn)器的數(shù)量與功率以提高其頂流作業(yè)的能力和操縱性能。五是智能化，吸收人工智能運(yùn)籌學(xué)、計(jì)算機(jī)科

15、學(xué)、模糊數(shù)學(xué)、心理學(xué)生理學(xué)和混沌動(dòng)力學(xué)等新思想、新方法模擬人類(lèi)智能，使它具有判斷推理、邏輯思維、自主決策等能力，以求得到更高的控制目標(biāo)。[6]六是綠色化，使用時(shí)不污染環(huán)境，報(bào)廢后能回收利用。[7]七是系統(tǒng)化，水下機(jī)器人的系統(tǒng)可以靈活組態(tài), 進(jìn)行任意剪裁和組合, 同時(shí)尋求實(shí)現(xiàn)多子系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制和綜合管理，使通信功能的大大加強(qiáng)。[8]此外，水下機(jī)器人的小型化和復(fù)雜條件作業(yè)，以及提高其觀察能力都是其未來(lái)發(fā)展方向。</p><

16、p><b>　　三、本課題要求</b></p><p><b>　　1.1總體要求</b></p><p>　　核電站多功能水下爬行機(jī)器人在高放射性的水池池底能夠水平行走、自由轉(zhuǎn)向，攜帶不同機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成不同的作業(yè)任務(wù)，具備耐輻射高清攝像能力和視覺(jué)信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸、處理功能，機(jī)器人本體根據(jù)各類(lèi)傳感器信息對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行分析和處理，對(duì)異物進(jìn)行輪廓

17、掃描及精確定位，該機(jī)器人可采用手動(dòng)、半自動(dòng)以及自動(dòng)作業(yè)方式，輕松抓取異物，在手動(dòng)及半自動(dòng)操作過(guò)程中能識(shí)別異物是否所處抓取盲區(qū)，并提供反饋，供操作人員采取適當(dāng)措施，縮短抓異物時(shí)間。</p><p><b>　　1.2技術(shù)要求</b></p><p>　　水下密封能力：0.22Mpa；</p><p>　　最大單次使用時(shí)間8小時(shí)；</p>

18、;<p>　　外形尺寸盡可能緊湊、小巧；</p><p>　　根據(jù)異物種類(lèi)，配備多款合適的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)；</p><p>　　機(jī)械手伸直抓取能力1kg；</p><p>　　具有三自由度機(jī)械手臂；</p><p>　　三自由度腕部的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；</p><p>　　各關(guān)節(jié)角速度最大速度能達(dá)到40

19、6;/秒；</p><p>　　具有異物進(jìn)入抓取盲區(qū)報(bào)警提示；</p><p>　　機(jī)械手工作區(qū)域內(nèi)照明充足，無(wú)盲區(qū)；</p><p><b>　　1.3工作要求</b></p><p>　　完成防水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)校核。</p><p>　　完成手臂機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（三自由度）。&l

20、t;/p><p>　　手爪機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（三自由度）。</p><p>　　利用三維造型與虛擬裝配軟件完成機(jī)械手的虛擬裝配圖。</p><p>　　繪制合計(jì)3 張0 號(hào)圖紙的工作量。</p><p><b>　　撰寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。</b></p><p>　　四．可能遇到的問(wèn)題和擬采用的解決問(wèn)題辦法<

21、;/p><p><b>　　2.1設(shè)計(jì)難點(diǎn)</b></p><p>　　由于水下機(jī)器人工作在水下環(huán)境中，基于其特有的工作環(huán)境，水下機(jī)器人的研制需要考慮以下問(wèn)題[9~11]：</p><p>　　密封性：作為水下工作的載體，機(jī)器人中有電機(jī)、碼盤(pán)等驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)元件，必須考慮相關(guān)部件的密封性能。</p><p>　　防腐蝕：長(zhǎng)期的水

22、下工作會(huì)導(dǎo)致金屬構(gòu)件和元件的損蝕，雖可噴涂防銹油漆，但很難保持完整的圖層。采用耐腐蝕材料也很難保持不被腐蝕，需從材料結(jié)構(gòu)等方面綜合考慮。</p><p>　　壓力補(bǔ)償：水下機(jī)械手承受相應(yīng)深度的水壓，構(gòu)件、傳感器和電機(jī)等的密封殼體需長(zhǎng)期承受壓力。因此要在系統(tǒng)中采取相應(yīng)的壓力補(bǔ)償措施。</p><p>　　應(yīng)急措施：水下機(jī)械手在水下工作，難免碰上海底生物等，必要的時(shí)候機(jī)械手應(yīng)能與車(chē)體脫開(kāi)，防止

23、其受傷害。</p><p>　　2.2機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)</p><p>　　常用機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)如下[12-13,15]：</p><p>　　直角坐標(biāo)式用（X、Y、Z）表示，機(jī)械手的臂部可做前后、左右、升降三個(gè)移動(dòng)，如圖1所示。這種坐標(biāo)形式直觀性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但慣性較大，占的空間也較大，一般多安裝在架空的梁上。</p><p>　　圓柱坐

24、標(biāo)式用（X、Z、C）表示，見(jiàn)圖2.它有兩個(gè)移動(dòng)（伸縮和升降）。這種坐標(biāo)形式可以繞中心軸旋轉(zhuǎn)一個(gè)角，工作范圍可以擴(kuò)大，且計(jì)算簡(jiǎn)單；直線(xiàn)部分可以采用液壓驅(qū)動(dòng)，可輸出較大動(dòng)力；能夠伸入型腔式機(jī)器內(nèi)部；所占空間較小，是應(yīng)用最多的一種。但是，它的手臂可以達(dá)到的空間受限制，不能達(dá)到近立柱或近地面的空間；直線(xiàn)部分驅(qū)動(dòng)難以密封防塵；后臂工作時(shí)，手臂后端會(huì)碰到工作范圍內(nèi)的其他物體。</p><p>　　球坐標(biāo)式用（X、B、C）表示

25、，見(jiàn)圖3。它有一個(gè)移動(dòng)（手臂伸縮）和兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)。這種坐標(biāo)形式結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，但慣性不大，本體所占的空間較小，動(dòng)作范圍比圓柱坐標(biāo)更大，但也存在工作死區(qū)</p><p>　　多關(guān)節(jié)式機(jī)器人用（C、B1、B2），見(jiàn)圖四。它有三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)（左右旋轉(zhuǎn)、兩個(gè)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)）。這種坐標(biāo)形式運(yùn)動(dòng)件的慣性較小，本體占空間不大，而動(dòng)作范圍很大，并可以繞過(guò)障礙抓取工件。</p><p>　　結(jié)合本任務(wù)關(guān)于工作空間小的要求，采用

26、類(lèi)人機(jī)械手臂的關(guān)節(jié)型作為最終的手臂方案。</p><p>　　2.3機(jī)械腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　手腕式操作機(jī)的小臂和末端執(zhí)行器（手爪）之間的連接部件[14]。其功用是利用自身的活動(dòng)度確定被末端執(zhí)行器夾持物體的空間姿態(tài)，也可以說(shuō)是確定末端執(zhí)行器的姿態(tài)。故手腕也稱(chēng)作機(jī)器人的姿態(tài)機(jī)構(gòu)。</p><p>　　三自由度手腕的形式繁多。三自由度手腕式兩自由度的基礎(chǔ)上加

27、一個(gè)整個(gè)手腕相對(duì)于小臂的轉(zhuǎn)動(dòng)角度（用角度參數(shù)α表示）而形成的。當(dāng)不考慮結(jié)構(gòu)限制，即α、β、γ都能在0~360范圍內(nèi)取值，末端執(zhí)行器的靈活度dex=100%+100%+100%，也就是說(shuō)具有百分之百的靈活度。這就是說(shuō)手爪可自任意方向接近物體，也可以將物體轉(zhuǎn)換到任意姿勢(shì)。</p><p><b>　　五.計(jì)劃進(jìn)度表</b></p><p><b>　　六．參考

28、文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]李一平. 水下機(jī)器人——過(guò)去、現(xiàn)在和未來(lái).自動(dòng)化博覽. 2002年第3期. 153-155</p><p>　　[2]童大煥. 日本核泄漏如何影響世界. 中國(guó)遠(yuǎn)洋航務(wù). 2011年04期</p><p>　　[3]徐玉如，龐永杰，甘永，孫玉山. 智能水下機(jī)器人技術(shù)展望. 智能系統(tǒng)學(xué)報(bào). 2006年01期</p

29、><p>　　[4]徐玉如，馬鵬超. 水下機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì). 自然雜志. 2011年03期. 125-130</p><p>　　[5]森恩方，龐永杰，卞紅雨. 水下機(jī)器人技術(shù). 機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用. 2003年03期</p><p>　　[6] 徐文強(qiáng). 機(jī)電一體化技術(shù)的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)[J].硅谷，2010.</p><p>　　[7] 姒柏昌,

30、魯月琴. 機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展歷程和趨勢(shì)[J]中小企業(yè)管理與科技(下旬刊),2009:85-86.</p><p>　　[8] 李文鵬. 機(jī)電一體化技術(shù)進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)研究[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2009,(4):286-287.</p><p>　　[9]蔣新松，豐錫勝=盛，王棣棠. 水下機(jī)器人. 沈陽(yáng)：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社. 2000: 125-131頁(yè)</p><p&g

31、t;　　[10]譚定忠，張立勛等. 一種用于深海作業(yè)的智能機(jī)械手. 傳感器技術(shù). 1999，18(1)34-35頁(yè)</p><p>　　[11]馬廈飛. 主從式多功能水下機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)淺析. 海洋技術(shù). 1991. 10（4）：60-65頁(yè)</p><p>　　[12]沈陽(yáng)市機(jī)床工業(yè)公司七·二一大學(xué)編著. 工業(yè)機(jī)械手. 遼寧人民出版社. 1979年</p>&l

32、t;p>　　[13]主編郭洪紅. 工業(yè)機(jī)器人技術(shù)西安電子科技大學(xué)出版社. 2006年3月</p><p>　　[14] Thomas Lindsay Richard P Paul. Design Of A Tool-Surrounding Compliant Instrumented Wrist. Technical Reports (CIS). April 1991</p><p>

33、;　　[15]Adam Paul Leeb. Anthro Arm The Design of a Seven Degree of Freedom Arm With Human Attributes. Banchelor of Sience at the Masschusetts of Tecehology. June,2007</p><p>　　[16]Development of tether moorin