Festo六軸工業(yè)機械手結構設計及控制系統(tǒng)二次開發(fā)含SW三維圖
Festo六軸工業(yè)機械手結構設計及控制系統(tǒng)二次開發(fā)含SW三維圖,festo,工業(yè),機械手,結構設計,控制系統(tǒng),二次開發(fā),sw,三維
任務書
論文(設計)題目：Festo 六軸工業(yè)機械手結構設計及控制系統(tǒng)二次開發(fā)
工作日期：2017年12月18日 ~ 2018年05月25日
1.選題依據(jù):
本題目源自產學研合作實驗室建設項目，為機電綜合類題目。工業(yè)機械手是工業(yè)4.0的主要環(huán)節(jié)之一，與數(shù)控加工相結合，作為加工工序的前后序，組成智能制造環(huán)節(jié)。 本題目的研究領域為工業(yè)機器人，開展結構設計和動作的控制系統(tǒng)開發(fā)，可培養(yǎng)學生分析問題和解決問題能力，培養(yǎng)學生機電綜合設計能力，有一定的創(chuàng)新性和設計實踐意義
。
2.論文要求(設計參數(shù)):
基于Festo機械手平臺，完成六軸工業(yè)機械手的抓取端蓋功能。1.了解六軸工業(yè)機械手的功能要求；
2.六軸工業(yè)機械手的結構設計；
3.六軸工業(yè)機械手機電系統(tǒng)設計方案；
4.工業(yè)機械手控制系統(tǒng)程序開發(fā)；
5.工業(yè)機械手動作執(zhí)行；
6.編寫設計說明書（大于6000字）；
7.外文翻譯一篇（大于2000字）
3.個人工作重點:
1.提出六軸工業(yè)機械手的結構設計方案，選用合適的三維軟件，進行六軸工業(yè)機械手 三維實體設計；
2.六軸工業(yè)機械手抓取端蓋動作程序開發(fā)。
4.時間安排及應完成的工作:
第1周：下達設計任務，介紹設計內容和具體要求。查閱文獻，了解課題。 第2周：撰寫開題報告和文獻綜述。
第3周：修改完善開題報告和文獻綜述。確定外文翻譯文章。 第4周：完成外文翻譯。開題答辯。
第5周：了解工業(yè)機器人的功能和結構。第6周：六軸工業(yè)機械手結構方案設計。第7周：六軸工業(yè)機械手三維實體設計。第8周：六軸工業(yè)機械手三維實體設計。
第9周：工業(yè)機械手控制系統(tǒng)設計。中期檢查。 第10周：控制系統(tǒng)軟件開發(fā)。
第11周：控制系統(tǒng)軟件開發(fā)。第12周：控制系統(tǒng)軟件開發(fā)。
第13周：整理設計資料，編寫設計說明書。第14周：修改完善設計說明書。準備答辯。
5.應閱讀的基本文獻:
1.熊立貴,曾福全.六自由度工業(yè)機械手的開發(fā)與研究[J].煤礦機械,2016.2
2.王田苗,陶永.我國工業(yè)機器人技術現(xiàn)狀與產業(yè)化發(fā)展戰(zhàn)略[J].機械工程學報,2014.5
3.任志剛.工業(yè)機器人的發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].裝備制造技術，2015.3
4.計時鳴，黃希歡.工業(yè)機器人技術的發(fā)展與應用綜述[J].機電工程，2015.1
5.駱敏舟,方健,趙江海.工業(yè)機器人的技術發(fā)展及其應用[J].機械制造與自動化,2015.2
6.張坤,崔永祥.我國工業(yè)機器人發(fā)展狀況及未來發(fā)展戰(zhàn)略[J].河南科技,2014.8
7.吳應東.六自由度工業(yè)機器人結構設計與運動仿真[J].現(xiàn)代電子技術,2014.1
8.黃晨華,毛桂生.上下料工業(yè)機器人結構設計及仿真研究[J].機械設計與制造,2013.3
9.熊雋.IRB1410型機床上下料機器人設計[D].西南交通大學碩士學位論文
10.施文龍.六軸工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D].武漢科技大學碩士學位論文
11.高美原,秦現(xiàn)生,白晶等.基于ROS和LinuxCNC的工業(yè)機器人控制系統(tǒng)開發(fā)[J].機械制造
,2015.10
指導教師簽字：
XX
教研室主任意見：
同意
簽字：XX 2017年12月14日
教學指導分委會意見：
同意
簽字：XX 2017年12月15日 學院公章
進度檢查表
第
-4
周
工作進展情況
接收設計任務，了解設計內容和具體要求。查閱相關文獻，并對已有文獻做些整理，為設計做準備。
2018年01月15日
指導教師意見
講解了畢業(yè)設計任務和整個畢業(yè)設計應完成幾部分工作。講解開題報告如何撰寫，文獻查閱及確定翻譯的外文文獻。講解工作進度安排；畢業(yè)設計網(wǎng)絡管理系統(tǒng)填寫方法。
指導教師(簽字)：XX 2018年04月14日
第
-2
周
工作進展情況
撰寫開題報告，并在撰寫過程中深入了解課題，最終完成文獻綜述。
2018年01月15日
指導教師意見
完成開題報告初稿。思路可行，論述較全面，工作重點和主要完成內容清晰。對國內外發(fā)展現(xiàn)狀和文獻綜述進一步修改，文獻綜述要列條目，這樣層次清楚。參考文獻格式按規(guī)范修改。
指導教師(簽字)：XX 2018年04月14日
第
-1
周
工作進展情況
修改開題報告，完善文獻綜述，確定外文翻譯文章，開題答辯。
2018年01月15日
指導教師意見
開題答辯。自述思路清晰，對完成的工作任務和工作重點清楚明確，工作進度安排合理、格式較符合規(guī)范。同意開題。
指導教師(簽字)：XX 2018年04月14日
第 1
周
工作進展情況
進行外文翻譯，整理完善翻譯內容，到實驗室熟悉相關設備。
2018年04月10日
指導教師意見
測量工業(yè)機器人尺寸，熟悉Festo機器人操作手冊和命令要求，完成工 業(yè)機器人三維結構設計。
指導教師(簽字)：XX 2018年04月14日
第 3
周
工作進展情況
了解工業(yè)機器人的功能和結構，擬定六軸工業(yè)機械手結構設計方案。
2018年04月10日
指導教師意見
基本掌握了實驗室的Festo機器人的操作，按命令完成相關動作。細化三維結構設計內容，需要完成相關計算，確定核心設計數(shù)據(jù)。完成外文翻譯
。
指導教師(簽字)：XX 2018年04月14日
第 5
周
工作進展情況
繪制整體零件及裝配圖，完成六軸工業(yè)機械手整體三維設計。
2018年04月10日
指導教師意見
完成了工業(yè)機械手整體三維設計，二維零件圖需要修改。掌握了工業(yè)機器人的開發(fā)語言，能夠自擬任務，完成動手操作。整理機電控制部分，系統(tǒng)性提出機電系統(tǒng)設計方案。
指導教師(簽字)：XX 2018年04月14日
第 7
周
工作進展情況
了解六軸工業(yè)機械手控制方式、流程和程序開發(fā)環(huán)境，學習工業(yè)機器人控制語言，能夠在PC端進行仿真。
2018年04月23日
指導教師意見
熟悉機械手操作，能夠進行移動功能的機械手動作?；诓煌螤罟ぜ?
，完成夾緊功能的開發(fā)；模擬汽車焊接流水線上的焊槍，完成焊接動作。
指導教師(簽字)：XX 2018年05月05日
第 8
周
工作進展情況
熟練運用在示教器進行實際操作，從應用層面到二次開發(fā)，完成各設計任務。
2018年05月13日
指導教師意見
熟練掌握示教器的功能和使用方法，使用示教器輸入程序，進行二次開
發(fā)。
指導教師(簽字)：XX 2018年05月23日
第 9
周
工作進展情況
整理六軸工業(yè)機械手的設計資料，并編寫其設計說明書。
2018年05月13日
指導教師意見
設計說明書基本內容較全，但各章節(jié)需要調整修改，以使各章節(jié)論述主題集中，邏輯清楚。另外，主要設計內容表達得不完整。修改完善。
指導教師(簽字)：XX 2018年05月14日
第 10
周
工作進展情況
修改和完善工業(yè)機械手的設計說明書，準備畢業(yè)設計答辯。
2018年05月13日
指導教師意見
再次修改設計說明書，內容完整，思路清楚，格式符合規(guī)范要求，按任務書完成各要求。做PPT，準備評閱和答辯。
指導教師(簽字)：XX 2018年05月14日
過程管理評價表
評價內容
具體要求
總分
評分
工作態(tài)度
態(tài)度認真，刻苦努力，作風嚴謹
3
3
遵守紀律
自覺遵守學校有關規(guī)定，主動聯(lián)系指導教師,接受指導
3
3
開題報告
內容詳實，符合規(guī)范要求
5
4
任務完成
按時、圓滿完成各項工作任務
4
4
過程管理評分合計
14
過程管 理評語
該同學將主要精力投入到畢業(yè)設計工作中，在學校工業(yè)機器人實驗室現(xiàn)場進行研發(fā)工作。工作態(tài)度非常認真、工作作風嚴謹，具有非常強的自學能力和研究能力。自覺遵守學校有關規(guī)定，主動聯(lián)系指導教師當面匯報工作進展；對于老師布置的各項工作，能進行思考和研究，基本上自主完成各項工作任務，同時還有一定的拓展性。查閱了相關文獻資料，對課題了解全面和深入，撰寫的開題報告各部分內容詳實，文獻綜述論述充分，格式經修改后符合規(guī)范要求。該同學按時高質量地完成了畢業(yè)任務書的各項內容。
指導教師簽字:XX 日期:2018-05-17
指導教師評價表
評價內容
具體要求
總分
評分
選題質量
符合培養(yǎng)目標要求,有一定的研究價值和實踐意義,有一定的開拓性、創(chuàng)新性,深度、難度適宜,工作量飽滿
5
5
能力水平
有較強的綜合運用知識能力、科研方法運用能力、中文表達與外語能力、文獻資料檢索能力、計算機應用能力
5
5
完成質量
文題相符,概念準確,分析、論證、計算、設計、實驗等正確合理,結論明確；論文結構、撰寫格式、圖表等符合基本規(guī)
10
9
指導教師評分合計
19
指導教 師評語
工業(yè)機器人是當前的研究熱點之一。本課題源自實驗室研究項目，為機電結合類設計和軟件開發(fā)，工作量較大，具有一定的研究深度，有創(chuàng)新性，具有較好的研究意義。該同學自身機電硬件系統(tǒng)開發(fā)和軟件能力強，為開展本項目打下工作基礎。該同學以Festo參 考手冊為基礎，對六軸工業(yè)機器人進行了實測，進行了機械結構設計。主要參數(shù)計算準確、結構表達全面；完成了機器人控制系統(tǒng)設計，使用Festo機器人編程語言進行了物料搬運、模仿焊接弧焊軌跡
、較復雜圖形進行了程序開發(fā)，并在機械手上實際操作進行控制
，動作準確、流暢。設計說明書內容全面、層次清楚，論述條理性好，格式規(guī)范。從整套設計來看，該同學具有很強的自學能力，學術嚴謹性好，專業(yè)基礎理論扎實，專業(yè)綜合能力強，掌握了科學研究的方法，中文表達能力強，計算機能力尤為突出。希望在外語能力方面再提高。同意答辯。
指導教師簽字:XX 日期:2018-05-18
評閱人評價表
評價內容
具體要求
總分
評分
選題質量
符合培養(yǎng)目標要求,有一定的研究價值和實踐意義,有一定的
開拓性、創(chuàng)新性,深度、難度適宜,工作量飽滿
5
5
能力水平
有較強的綜合運用知識能力、科研方法運用能力、中文表
達與外語能力、文獻資料檢索能力、計算機應用能力
5
5
完成質量
文題相符,概念準確,分析、論證、計算、設計、實驗等正確
合理,結論明確；論文結構、撰寫格式、圖表等符合基本規(guī)
10
9
評閱人評分合計
19
評閱人 評語
論文選題《Festo六軸工業(yè)機械手結構設計及控制系統(tǒng)二次開發(fā)
》與智能制造研究熱點相結合，涉及多學科知識的綜合，選題符合培養(yǎng)目標要求，有一定的研究價值和實踐意義，有一定的開拓性、創(chuàng)新性，深度、難度適宜，工作量飽滿。論文體現(xiàn)了該生具有有較強的綜合運用知識能力、科研方法運用能力、中文表達與外語能力
、文獻資料檢索能力、計算機應用能力。文題相符，概念準確，分析、論證、計算、設計、實驗等正確合理，結論明確；論文結構、撰寫格式、圖表等符合基本規(guī)范要求。
評閱人簽字：XX 評閱人工作單位：XX日期：2018-05-22
答辯紀錄
學生姓名：XX 專業(yè)班級：XX 畢業(yè)論文(設計)題目： Festo 六軸工業(yè)機械手結構設計及控制系統(tǒng)二次開
發(fā)
答辯時間：2018年05月24日 時 分 ~ 時 分
答辯委員會(答
主任委員(組長)： XX
辯小組)成員
委 員(組 員)： XX XX XX
答辯委員會(答辯小組)提出的問題和答辯情況
問題1：結構減速器特點、為什么造它？
回 答： 傳動效率高，體積小，傳動平穩(wěn)，傳動比大（幾千）。問題2：負載的力矩大小？計算過程
回 答： 物料可通用，體積大，如長方體利用力矩轉動慣量，得到質量體積參數(shù)
問題3：力和減速方向不在同一平面？
回 答： 拿起一個工件，轉動時找最大點，垂直抓取，產生最大的力
。
問題4：P2D控制參數(shù)的設置，那3個參數(shù)？ 回 答： 比例P，積分I，微分D。
問題5：P影響什么？功率放大越大越好嗎？
回 答： P2D的理解。能把變量的區(qū)間改變（0-50或0-1000） 調解時先從最小值開始調節(jié)。
問題6：I影響什么？ 回 答： 靜態(tài)誤差。
問題7：微分影響什么？評價系統(tǒng)用那些指標？ 回 答： 預見性
快速性、準確性
穩(wěn)定性
問題8：增量A P2D和位置A‘ P2D為什么不一樣？
回 答： 場合不同，位置式一般有一個基準位置不動，舵機每個角度都會改變。
問題9：機械手在執(zhí)行動作時，出現(xiàn)偏差對結果的影響。 回 答： 用傳感器，攝像頭，夾子，平板采用電子版。
問題 10：
實物與畢設的關系。
回 答： 程序
P2D
實物（平衡小車）來驗證程序代碼的實施。
記錄人： 2018年05月24日
答辯委員會評價表
評價內容
具體要求
總分
評分
自述總結
思路清晰,語言表達準確,概念清楚,論點正確,分析歸納合理
10
9
答辯過程
能夠正確回答所提出的問題,基本概念清楚,有理論根據(jù)
10
9
選題質量
符合培養(yǎng)目標要求,有一定的研究價值和實踐意義,有一定的
開拓性、創(chuàng)新性,深度、難度適宜,工作量飽滿
5
5
完成質量
文題相符,概念準確,分析、論證、計算、設計、實驗等正確
合理,結論明確；論文結構、撰寫格式、圖表等符合基本規(guī)
10
9
能力水平
有較強的綜合運用知識能力、科研方法運用能力、中文表
達與外語應用能力、文獻資料檢索能力、計算機應用能力
10
9
答辯委員會評分合計
41
答辯委員會評語
XX同學在畢業(yè)設計工作期間，工作刻苦努力，態(tài)度認真，能夠遵守各項紀律，表現(xiàn)出色。
能按時、全面、獨立地完成與畢業(yè)設計有關各環(huán)節(jié)的工作，表現(xiàn)出較強的綜合分析問題和解決問題的能力。
論文立論正確，理論分析透徹，解決問題方案恰當，結論正確，并有一定的創(chuàng)新性，有較高的學術水平或實用價值。
論文使用的概念正確，語言表達準確，結構嚴謹，條理清楚，邏輯性強。
論文中使用的圖表，設計中的圖紙在書寫和制作時，能夠嚴格執(zhí)行國家相關標準。
具有較強的獨立查閱文獻資料及外語應用能力，原始數(shù)據(jù)搜集得當，實驗或計算結論準確可靠。
答辯過程中，能簡明和正確地闡述論文（設計）的主要內容，思路清晰
，論點正確?；卮饐栴}準確、深入，有自己的見解，有較強的應變力及語言表達能力。 答辯成績： 41 答辯委員會主任： XX 2018年05月29日
成績評定
項目分類
成績評定
過程管理評分
14
指導教師評分
19
評閱人評分
19
答辯委員會評分
41
總分
93
成績等級
A
成績等級按“A、B、C、D、F”記載
成績審核人簽章： XX
審核人簽章： XX
一、選題依據(jù)
1．論文（設計）題目 Festo 六軸工業(yè)機械手結構設計及控制系統(tǒng)二次開發(fā)
2．研究領域
本題目的研究領域屬于工業(yè)機器人。工業(yè)機器人是集機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等多學科先進技術于一體的現(xiàn)代制造業(yè)重要的自動化裝備。它涉及機械工程學、控制工程學以及人工智能工程學等等多門尖端學科。
3．論文（設計）工作的理論意義和應用價值
本機械手設計是基于實驗室現(xiàn)有的 Festo 六軸工業(yè)機械手，具有一定的實用性。本文擬開展工業(yè)機械手機械結構的整體設計和其控制系統(tǒng)終端開發(fā)的探究，為工業(yè)自動化提供參考。機械手在工業(yè)上應用越來越廣泛，工業(yè) 4.0 的重要環(huán)節(jié)之一是確保加工前后序環(huán)節(jié)的自動化，六軸工業(yè)機械手高度自動化機器，在工業(yè)生產中能代替人做某些單調、頻繁和重復的長時間作業(yè)，或是危險、惡劣環(huán)境下的作業(yè)。由于工業(yè)機器人具有一定的通用性和適應性，能適應多品種中、小批量的生產，成為柔性制造單元或柔性制造系統(tǒng)的組成部分。
4．目前研究的概況和發(fā)展趨勢
隨著電子技術有了一定的發(fā)展，在產業(yè)領域出現(xiàn)了受計算機控制的可編程的數(shù)控機床，人類需要開發(fā)機械代替人手去勞動，在這一背景下，工業(yè)機器人技術的研發(fā)得到快速發(fā)展。
國外：1959 年，戴沃爾與美國發(fā)明家英格伯格聯(lián)手制造出第一臺工業(yè)機器人。
1967 年，日本川崎重工公司和豐田公司分別從美國購買了工業(yè)機器人 Unimation 和
Verstran 的生產許可證。日本從此開始了機器人的研制。20 世紀 60 年代，噴漆弧焊機器人問世并逐步發(fā)展應用于工業(yè)。1969 年，日本早稻田大學加藤一朗實驗室研發(fā)出第一臺雙腳走路機器人。帶有視覺傳感器，能根據(jù)人的指令發(fā)現(xiàn)并抓取積木。1979 年，美國 Unimation 公司推出通用工業(yè)機器人，標志著工業(yè)機器人技術已經成熟。
1979 年，日本山梨大學牧野洋發(fā)明了平面關節(jié)型 SCARA 機器人，該型機器人在以后裝配作業(yè)中得到廣泛的應用。目前，世界上工業(yè)機器人無論是從技術水平上還是從已裝配的數(shù)量上都日趨成熟，優(yōu)勢集中在以日、美為代表的少數(shù)幾個發(fā)達的工業(yè)化國家，已經成為一種標準設備被工業(yè)界廣泛應用。
國內：我國機器人技術起步較晚，從 20 世紀 80 年代初才開始。全國第一個機
器人研究示范工程 1986 年在沈陽建成。目前我國已經基本掌握了機器人設計制造技術、控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術、運動學和軌道規(guī)劃技術。開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人。20 世紀 90 年代中期，我國 6000m 以下深水作業(yè)機器人試驗成功。以后近十年中，在步行機器人、精密裝配機器人、多自由度關節(jié)機器人的研制等國際前沿領域，我國逐步縮小了與世界先進水平的差距。目前機械手大部分還屬于第一代，主要依靠人工控制。第二代機械手設有微型電子計算控制系統(tǒng)， 具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，使機械手具有感覺機能。雖然目前我國機器人還處于初級階段，國產六軸機
器人產量低迷，核心部件減速器等依然依賴進口，但這不影響中國市場已成為全球最大的市場。而且，我國提出的中國制造 2025 發(fā)展戰(zhàn)略，為我國國內的機器人發(fā)展奠定了深厚的基礎和支持。
目前國內機器人使用的減速機、伺服電機及驅動還是以國外供應為主，其中日本為最大的減速機出口國。而國內的研制減速機的上市公司以及擬上市公司有秦川發(fā)展和華恒焊接，匯川技術、英威騰、科遠股份、華中數(shù)控研制驅動器。在非上市公司中，廣州數(shù)控和南京埃斯頓除了減速機沒有批量生產，機器人的各個環(huán)節(jié)都有涉足。
總體趨勢是從狹義的機器人概念向廣義的機器人技術概念轉移，從工業(yè)機器人產業(yè)向解決方案業(yè)務的機器人技術產業(yè)發(fā)展。機器人技術的內涵已變?yōu)殪`活應用機器人技術的、具有實際動作功能的智能化系統(tǒng)。機器人結構越來越靈巧，控制系統(tǒng)愈來愈小，其智能也越來越高，并正朝著一體化方向發(fā)展。
二、論文（設計）研究的內容
1.重點解決的問題
（1）提出六軸工業(yè)機械手的結構設計方案，選用合適的三維軟件，進行六軸工業(yè)機械手三維實體設計。
（2）六軸工業(yè)機械手抓取端蓋動作程序開發(fā)。
2.擬開展研究的幾個主要方面（論文寫作大綱或設計思路）
六軸工業(yè)機械手本身就是以我們人的手臂作為參照而設計出來的，即跟人的手臂一樣，其運動機構，能實現(xiàn)轉動（擺動）、移動或復合運動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。設計應了解工業(yè)機器人的功能和結構，并提出六軸工業(yè)機械手結構方案，為實現(xiàn)方案的可行化程度再進行三維實體設計。機械結構需模塊化、可重構化，采用關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體，由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構造工業(yè)機械手整機。了解工業(yè)機器人運動控制的原理，以用戶角度對工業(yè)機器人做控制分析，學習 G 代碼，其控制系統(tǒng)要基于 PC 機的開放型控制器，通過嵌入式的實操手柄和電腦無線通訊的仿真上位機進行終端控制。本設計的研究重點在于控制系統(tǒng)的用戶開發(fā)，基于實驗室現(xiàn)有的 Festo 六軸工業(yè)機械手，根據(jù)其抓取端蓋功能，完成整套的設計任務和具體實現(xiàn)。
3.本論文（設計）預期取得的成果。
通過對工業(yè)機器人的相關技術的學習和研究，制定出六軸工業(yè)機械手的整體結構的設計方案，并運用三維軟件繪制出實體模型。開發(fā)出一套工業(yè)機器人的控制程序，并在 PC 端上位機仿真軟件中模擬，最后結合實驗室六軸工業(yè)機械手及手部安裝的傳感器，實現(xiàn)機械手在空間中做區(qū)域位置判斷和任意動作，并完成夾取端蓋的具體任務。
三、論文（設計）工作安排
1.擬采用的主要研究方法（技術路線或設計參數(shù)）；
本研究課題為六自由度工業(yè)機械手的整體結構設計及操作控制，其中以操作控制的開發(fā)為重點，任務是對端蓋從 A 點 B 姿態(tài)夾取放置在 C 點 D 姿態(tài)。明確任務， 首先對工業(yè)機器人功能和結構進行初步了解，查閱現(xiàn)有文獻，分析目前工業(yè)機器人企業(yè)已有的相關機械手產品，提出本機械手整體結構的設計方案，其中包含相關機械設計參數(shù)，通過三維實體設計直觀表達。掌握工業(yè)機器人的操作流程，學習機器人語言和仿真軟件運用，結合傳感器系統(tǒng)，優(yōu)化路徑和診斷動作，設置多項程序變量，開發(fā)出本一套靈活的、智能的控制系統(tǒng)的開發(fā)程序。再結合實驗室現(xiàn)有的設備， 實踐設計的可行性。
2.論文（設計）進度計劃
第 1 周：下達設計任務，介紹設計內容和具體要求。查閱文獻，了解課題。
第 2 周：撰寫開題報告和文獻綜述。
第 3 周：修改完善開題報告和文獻綜述。確定外文翻譯文章。
第 4 周：完成外文翻譯。開題答辯。
第 5 周：了解六軸工業(yè)機器人基本知識，包括組成、技術參數(shù)、分類及應用。并針對某一具體六軸工業(yè)機器人進行全面詳細的剖析。為課題設計做準備。
第 6 周：對六軸工業(yè)機械手的整體結構設計提出若干設計方案，并進行比較篩選。擬定結構尺寸參數(shù)，出整體結構草圖，分析參數(shù)可行性。
第 7 周：對六軸工業(yè)機械手進行三維實體設計，根據(jù)初步的尺寸參數(shù)，繪制所需零件和部件的 3D 圖，并在繪制過程中可完善設計參數(shù)。
第 8 周：繼續(xù)對六軸工業(yè)機械手進行三維實體設計，將繪制好的零件和部件進行裝配，并可模擬拖動。裝配過程中可繼續(xù)完善設計參數(shù)。
第 9 周：了解六軸工業(yè)機械手控制方式和流程，收集相關產品資料，結合機械結構，傳感系統(tǒng)，控制系統(tǒng)，設計出控制系統(tǒng)框圖。為機器人的控制操作做準備。第 10 周到 12 周：學習 G 語言， 掌握數(shù)控仿真仿真軟件的運用，結合仿真效
果，熟悉六軸工業(yè)機械手的控制程序并編寫。PC 端測試無誤，則對現(xiàn)有平臺進行實操，完成端蓋的夾取任務。
第 13 周：整理設計資料，結合同學和老師的建議，根據(jù)要求編寫設計說明書，。
第 14 周：修改完善設計說明書，準備答辯。
四、需要閱讀的參考文獻
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附：文獻綜述或報告
1. 引言
文獻綜述
工業(yè)機器人是集機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等多學科先進技術于一體的現(xiàn)代制造業(yè)重要的自動化裝備。工業(yè)機器人作為自動化生產線上的重要成員，其技術水平和應用程度在一定程度上反映了一個國家工業(yè)自動化的水平，目前， 工業(yè)機器人主要承擔著焊接、噴涂、搬運以及堆垛等等強干擾惡劣環(huán)境，重復性并且勞動強度極大的工作，工作方式一般采取示教再現(xiàn)的方式。機器人技術是具有前瞻性、戰(zhàn)略性的高技術領域。
然而，國外已經研制和生產了各種不同的標準組件，工業(yè)機器人技術遠遠超越我國，我國進口的工業(yè)機器人主要來自日本，因此作為制造大國，應在工業(yè)機器人領域自力更生，創(chuàng)新進取。本設計是擬開展工業(yè)機器人的整體機械結構設計和控制系統(tǒng)終端開發(fā)，為工業(yè)機器人領域提供助力。
2. 國內外發(fā)展現(xiàn)狀
工業(yè)機器人自動化生產線成套設備已成為自動化裝備的主流及未來的發(fā)展方向。各國都對工業(yè)機器人的研究和開發(fā)做大量投入，工業(yè)機器人技術得到突飛猛進。
國外概況：國外的工業(yè)機器人研究概況優(yōu)于我國。以智能化為主要方向，美國企業(yè)一方面加大對新材料的研發(fā)力度，力爭大幅降低機器人自重與負載比，一方面加快發(fā)展視覺、觸覺等人工智能技術，如視覺裝配的控制和導航[5]。日本產業(yè)體系配套完備，政府大力推動應用普及和技術突破。日本工業(yè)機器人完備的配套產業(yè)體系，在控制器、傳感器、減速機、伺服電機、數(shù)控系統(tǒng)等關鍵零部件方面，均具備較強的技術優(yōu)勢，呈現(xiàn)出以工業(yè)機器人產業(yè)優(yōu)勢帶動服務機器人產業(yè)發(fā)展的趨勢[3]。德國帶動傳統(tǒng)產業(yè)改造升級，政府資助人機交互技術及軟件開發(fā)。通過智能人機交互傳感器， 人類可借助物聯(lián)網(wǎng)對下一代工業(yè)機器人進行遠程管理，機器人還具備生產間隙的“網(wǎng)絡喚醒模式”，以解決使用中的高能耗問題，促進制造業(yè)的綠色升級。
國內概況：中國面臨核心技術被發(fā)達國家控制等挑戰(zhàn)，中國在機器人領域的部分技術已達到或接近國際先進水平。機器人涉及的技術較多，大體可分為器件技術、系統(tǒng)技術和智能技術[3]。中國在通用零部件、信息網(wǎng)絡等部分器件和系統(tǒng)技術領域與發(fā)達國家的差距在 10 年左右，而對智能化程度要求不高的焊接、搬運、清潔、碼垛、包裝機器人的國產化率較高。近年來，中國在人工智能方面的研發(fā)也有所突破，中國科學院和多所著名高校都培育出專門從事人工智能研究的團隊，機器人學習、仿生識別、數(shù)據(jù)挖掘以及模式、語言和圖像識別技術比較成熟。
3. 工業(yè)機器人發(fā)展趨勢
隨著計算機技術的不斷向智能化方向發(fā)展，機器人應用領域的不斷擴展和深化以及在系統(tǒng)（FMS、CIMS）中的群體應用，工業(yè)機器人也在不斷向智能化方向發(fā)展，以適應“敏捷制造”，滿足多樣化、個性化的需要，并適應多變的非結構環(huán)境作業(yè)，向非制造領域進軍[6]。從優(yōu)化設計、材料優(yōu)選、加工工藝、裝配技術、專用制造裝備、產業(yè)化能力等多方面入手，全面提升高精密減速器、高性能機器人專用伺服電機和驅動器、高速高性能控制器、傳感器、末端執(zhí)行器等五大關鍵零部件的質量穩(wěn)定性和批量生產能力，突破技術壁壘，打破長期依賴進口的局面。機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化；由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人整機[2]。工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于 PC 機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網(wǎng)絡化，控制器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結構，大大提高了系統(tǒng)的可控性、易操作性和可維修性。
（1）感覺功能：感覺功能方面將實現(xiàn)多傳感器信息的融合，以檢測多變的外部環(huán)境，做出判斷和決策，其實質類似于人的五官和身體的綜合感覺功能，包括視覺、
觸覺、力覺、滑覺、接近覺、壓覺、聽覺、味覺、臭覺、溫覺等。研究包括各類傳感信息的采集及融合處理、傳感器與驅動器一體化技術、感覺功能繼承模塊等。
（2）控制智能化：由引導教向 NC，離線編程發(fā)展，進而發(fā)展到進一步應用。隨著系統(tǒng)化、集成化生產的發(fā)展，基于 PC 的開放式控制系統(tǒng)將機器人控制和車間一級控制的發(fā)展方向，國外專家預測，2007 年它將占 30％。
（3）移動功能的智能化：為解決長距離搬運作業(yè)、大作業(yè)對象、多作業(yè)對象及極限作業(yè)等問題，需開發(fā)自主移動系統(tǒng)（包括滑動、滾動、行走、爬行、跳躍、飛行等）。
（4）系統(tǒng)應用與集成化：支持以人為核心的生產系統(tǒng)，實現(xiàn)生產系統(tǒng)中機器人群體協(xié)調功能、群智能和多機通訊協(xié)議，開發(fā)能理解人的意志的“同事機器人”。國外專家預測，2000 你后有可能 IMS 要走向 MA(R)S（多智能體系統(tǒng)），而該系統(tǒng)中的“同事機器人”（Cobot）將成為操作人員不可或缺的伙伴。圍繞著各種機器人與人共存的諸多課題，正在興起一門新學科“軟機器人學”。
（5）安全可靠性：由于大量不確定因素的存在，要實現(xiàn)智能化的安全可靠性， 機器人必須具有對各種意外情況的應變能力，及時采取預防措施和安全對策，包括硬件級、軟件級、應用級和人機系統(tǒng)級的自診斷和自修復故障。
（6）微型化：向微型化發(fā)展，開發(fā)毫米級機器人，用于微加工、醫(yī)學、宇宙和海洋開發(fā)等領域。就使用性和成本來看，毫米級最可行。
（7）多傳感器信息融合與配置技術：①機器人的傳感器配置和融合技術在水泥生產過程控制和污水處理自動控制系統(tǒng)中的應用包括面向工藝過程的多傳感器融合 和配置技術；采用智能傳感器的現(xiàn)場總線技術；面向工藝要求的新型傳感器研制。② 機電一體化智能傳感器：包括具有感知、自主運動、自清污（自調整、自適應）的機電一體化傳感器研究；面向工藝要求的運動機構設計、實現(xiàn)檢測和清污的自主運動； 調節(jié)控制系統(tǒng)；機器人機構和控制技術在傳感器設計中的應用。
4. 工業(yè)機械手結構
工業(yè)機械手主要由機械臂，機械手抓和伺服傳動組成。機械手抓部分是抓持的最關鍵部分，一般是由各方向轉動、伸展、縮回、升降等復合動作來實現(xiàn)機械手的功能作用，實現(xiàn)被抓持或周轉工件的姿勢、位置。機械臂各方向轉動、伸展、縮回、升降為獨立式軌跡運動，為智能機械手的多自由度。為實現(xiàn)能在一定運行軌跡范圍內任意方位、位置的被抓取空間工件，需要有六個靈活的自由度。多自由度參數(shù)設計是機械手的關鍵，因此自由旋轉角度越多，機械手的使用范圍就越廣，適用行業(yè)性就越大， 其結構、自由度控制難度相對也就越復雜[1]。機械結構主要是手部分、各自由轉軸關節(jié)及擺動力臂，其中抓手是根據(jù)所抓起的物體來設計，有的需要設計抓起夾具，有的平面結構物體則需要安裝吸從機械結構來看，盤的結構來實現(xiàn)等。工業(yè)機器人總體上分為串聯(lián)機器人和并聯(lián)機器人。串聯(lián)機器人的特點是一個軸的運動會改變另一個軸的坐標原點，而并聯(lián)機器人所采用的并聯(lián)機構，其一個軸運動則不會改變另一個軸的坐標原點。1978 年，Hunt 首次提出把六自由度機構作為機器人操作器，機器人具有剛度大、結構穩(wěn)定、承載能力大、微動精度高、運動負荷小的優(yōu)點。工業(yè)機器人的機械結構可以具有冗余自由度，冗余度機器人是指關節(jié)自由度大于操作自由度的機器 人。多余的自由度可用來改善機器人的靈活性、運動學和動力學性能，提高避障能力。旋轉關節(jié)是機器人運動的驅動力作用點，一般由電機通過減速器驅動。減速器是機器人的關鍵部件，其成本約占機器人本體成本的 1/3，目前主要使用兩種類型的減速器： 諧波齒輪減速器和 RV 減速器[4]。
5. 工業(yè)機械手控制系統(tǒng)
機器人控制系統(tǒng)是機器人的大腦，是決定機器人功能和性能的主要因素。工業(yè)機器人控制技術的主要任務就是控制工業(yè)機器人在工作空間中的運動位置、姿態(tài)和軌
跡、操作順序及動作的時間等。具有編程簡單、軟件菜單操作、友好的人機交互界面、在線操作提示和使用方便等特點[10]。開放性模塊化的控制系統(tǒng)體系結構采用分布式
CPU 計算機結構，分為機器人控制器(RC)，運動控制器(MC)，光電隔離 I/O 控制板、傳感器處理板和編程示教盒等。機器人控制器(RC)和編程示教盒通過串口/CAN 總線進行通訊。機器人控制器(RC)的主計算機完成機器人的運動規(guī)劃、插補和位置伺服以及主控邏輯、數(shù)字 I/O、傳感器處理等功能，而編程示教盒完成信息的顯示和按鍵的輸入。模塊化層次化的控制器軟件系統(tǒng)建立在基于開源的實時多任務操作系統(tǒng)Linux 上， 采用分層和模塊化結構設計，以實現(xiàn)軟件系統(tǒng)的開放性。整個控制器軟件系統(tǒng)分為三個層次：硬件驅動層、核心層和應用層。三個層次分別面對不同的功能需求，對應不同層次的開發(fā)，系統(tǒng)中各個層次內部由若干個功能相對對立的模塊組成，這些功能模塊相互協(xié)作共同實現(xiàn)該層次所提供的功能。機器人的故障診斷與安全維護技術通過各種信息，對機器人故障進行診斷，并進行相應維護，是保證機器人安全性的關鍵技術。當前機器人的應用工程由單臺機器人工作站向機器人生產線發(fā)展，機器人控制器的聯(lián)網(wǎng)技術變得越來越重要?？刂破魃暇哂写?、現(xiàn)場總線及以太網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)功能?？捎糜跈C器人控制器之間和機器人控制器同上位機的通訊，便于對機器人生產線進行監(jiān)控、診斷和管理。
6. 工業(yè)機械手程序控制
機器人的控制系統(tǒng)不僅要能夠支持機器人編程、控制，還要支持機器人與外圍設備、傳感器的接口、和計算機的通信等，系統(tǒng)應提供操作者編輯和運行機器人程序的方式。機器人程序編輯狀態(tài)和執(zhí)行狀態(tài)是互斥的，即程序在編輯時不可運行，在運行時不可編輯。在編輯狀態(tài)下，操作者可以進行程序文本的編輯操作如機器人指令的添加、修改、刪除和機器人位姿點的修改，也可以進行程序文件的新建、復制、粘貼等操作[11]。在程序執(zhí)行狀態(tài)，機器人順序執(zhí)行機器人的每一條指令。操作者應該還能調試發(fā)現(xiàn)并修改程序中的錯誤。例如在程序執(zhí)行過程中，某一個機器人位置的關節(jié)角超過限制，因此機器人不能執(zhí)行此條指令，這時應該立即停止程序的執(zhí)行并在人機界面上顯示錯誤信息。操作者可切換至編輯界面修改程序中的錯誤。和計算機語言類似， 機器人語言可以編譯，即把機器人源程序轉換成機器碼或可供機器人控制器執(zhí)行的目標代碼，以便機器人控制柜能直接讀取和執(zhí)行。機器人一般只用其專用的語言進行編程而不使用計算機程序設計語言和 G 代碼，是由機器人控制的復雜性決定的。因為在機器人控制中用到各種運動學、動力學算法等，這些算法只是開發(fā)人員需要涉及的， 而用戶不需關心，可以用機器人語言將其封裝起來。而且，機器人在三維空間中工作， 需要有對空間物體的描述方法。
7. 六軸工業(yè)機械手
六軸工業(yè)機械手（抓取端蓋）的結構設計及控制系統(tǒng)開發(fā)屬于機電一體。難度很大，本次研究基于實驗室現(xiàn)有的 Festo 六軸工業(yè)機械手抓取端蓋功能，對其工業(yè)機械手進行結構設計，同時完成抓取端蓋動作的控制系統(tǒng)進行開發(fā)，確保動作準確實現(xiàn)。其中研究重點為控制系統(tǒng)終端開發(fā)設計，并編寫開發(fā)程序。根據(jù)機械原理、機械結構設計等的相關課程知識，設計出工業(yè)機械手的整體結構，并完成三維實體模型的繪制。然后再基于機械控制工程，數(shù)控技術和機電控制系統(tǒng)等的相關課程設計經驗，結合人機交互，學習操作指令，編寫控制程序，運用 PC 端仿真軟件到實操等。本次解決設計過程中的難點重點問題，預期完成六軸工業(yè)機械手精確抓取端蓋。
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