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湖 南 科 技 大 學(xué)
開(kāi)題報(bào)告
學(xué) 生 姓 名：
學(xué) 院： 機(jī)電工程學(xué)院
專業(yè)及班級(jí)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化四班
學(xué) 號(hào)：
指導(dǎo)教師：
2015年 3 月 12日
湖南科技大學(xué) 2015 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告
題 目
三自由度搬運(yùn)機(jī)械手之機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
作者姓名
學(xué)號(hào)
所學(xué)專業(yè)
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
1、 研究的意義，同類研究工作國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀、存在問(wèn)題（列出主要參考文獻(xiàn)）
研究的意義：在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中，無(wú)論是單機(jī)還是組合機(jī)床，以及自動(dòng)生產(chǎn)流水線，都要用到機(jī)械手來(lái)完成工件的取放。
業(yè)機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一種高科技自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機(jī)械手的是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支。它的特點(diǎn)是可通過(guò)編程來(lái)完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。
國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀：機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。
工業(yè)機(jī)械手控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開(kāi)放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化;器件集成度提高，控制柜日見(jiàn)小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu);大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。
機(jī)械手中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)械手還應(yīng)用了視覺(jué)、力覺(jué)等傳感器，而遙控機(jī)械手則采用視覺(jué)、聲覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)等多傳感器的融合技術(shù)來(lái)進(jìn)行決策控制;多傳感器融合配置技術(shù)成為智能化機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)。
關(guān)節(jié)式、側(cè)噴式、頂噴式、龍門(mén)式噴涂機(jī)械手產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化設(shè)計(jì);柔性仿形噴涂機(jī)器人開(kāi)發(fā)，柔性仿形復(fù)合機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)，仿形伺服軸軌跡規(guī)劃研究，控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā);
焊接、搬運(yùn)、裝配、切割等作業(yè)的工業(yè)機(jī)械手產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化研究;以及離線示教編程和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真。
存在問(wèn)題：價(jià)格昂貴，實(shí)時(shí)性不理想，設(shè)備笨重并且大都停留在實(shí)驗(yàn)階段。
2、 研究目標(biāo)、內(nèi)容和擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題（根據(jù)任務(wù)要求進(jìn)一步具體化）
研究目標(biāo)：三自由度搬運(yùn)機(jī)械手之機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
研究的主要內(nèi)容：1）傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖；
2）大、小臂步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和計(jì)算；
3）立柱回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算；
4）總體裝配圖的設(shè)計(jì)；
5）控制原理圖的設(shè)計(jì)
關(guān)鍵問(wèn)題：整體機(jī)械傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì)。
3、 特色與創(chuàng)新之處
可通過(guò)編程來(lái)完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。
4、 擬采取的研究方法、步驟、技術(shù)路線
1)研究方法：基于solidworks三維設(shè)計(jì)制圖軟件，以現(xiàn)有文件、技術(shù)、資料、理論為基礎(chǔ)建立優(yōu)化模型，進(jìn)行機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)；
2)步驟：（1）傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖；（2）大、小臂步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和計(jì)算；（3）立柱回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算；（4）總體裝配圖的設(shè)計(jì)；（5）控制原理圖的設(shè)計(jì)
5、 擬使用的主要設(shè)計(jì)、分析軟件及儀器設(shè)備
Solid Works三維設(shè)計(jì)制圖軟件
6、參考文獻(xiàn)：?
[1]??鞏云鵬、田萬(wàn)祿等主編.?機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì) 沈陽(yáng)：東北大學(xué)出版社?2000?
[2]??孫志禮，冷興聚，魏嚴(yán)剛等主編.?機(jī)械設(shè)計(jì) 沈陽(yáng)：東北大學(xué)出版社?2000?
[3]??劉鴻文主編.??材料力學(xué)?北京：高等教育出版社1991?
[4]??哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研組編.?理論力學(xué) 北京：高等教育出版社?1997?
[5]??大連理工大學(xué)工程畫(huà)教研室編.?機(jī)械制圖 北京：高等教育出版社??1993?
[6]??孫?桓，陳作模主編.?機(jī)械原理 北京：高等教育出版社?2000?
[7]??高澤遠(yuǎn)，王?金主編.?機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì) 沈陽(yáng)：東北工學(xué)院出版社?1987?
[8]??張?玉，劉?平主編.?幾何量公差與測(cè)量技術(shù) 沈陽(yáng)：東北大學(xué)出版社?1999?
[9]??成大先主編.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(減(變)速器.電機(jī)與電器) 化學(xué)工業(yè)出版社
注：
1、開(kāi)題報(bào)告是本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的一個(gè)重要組成部分。學(xué)生應(yīng)根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)的要求和文獻(xiàn)調(diào)研結(jié)果，在開(kāi)始撰寫(xiě)論文之前寫(xiě)出開(kāi)題報(bào)告。
2、參考文獻(xiàn)按下列格式（A為期刊，B為專著）
A：[序號(hào)]、作者（外文姓前名后，名縮寫(xiě)，不加縮寫(xiě)點(diǎn)，3人以上作者只寫(xiě)前3人，后用“等”代替。）、題名、期刊名（外文可縮寫(xiě)，不加縮寫(xiě)點(diǎn)）年份、卷號(hào)（期號(hào)）：起止頁(yè)碼。
B：[序號(hào)]、作者、書(shū)名、版次、（初版不寫(xiě)）、出版地、出版單位、出版時(shí)間、頁(yè)碼。
3、 表中各項(xiàng)可加附頁(yè)。
湖 南 科 技 大 學(xué)
英文文獻(xiàn)翻譯
學(xué) 生 姓 名： 張 杰
學(xué) 院： 機(jī)電工程學(xué)院
專業(yè)及班級(jí)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化四班
學(xué) 號(hào)： 1103010422
指導(dǎo)教師： 李 鵬 南
2015年 5 月 28日
Robot skills for manufacturing: From concept to industrial deployment
Author: Mikkel Rath Pedersen,?,?Lazaros Nalpantidis,?Rasmus Skovgaard Andersen,?Casper Schou,?Simon B?gh,?Volker Krüger,?Ole Madsen
Reference: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0736584515000575
Due to a general shift in manufacturing paradigm from mass production towards mass customization, reconfigurable automation technologies, such as robots, are required. However, current industrial robot solutions are notoriously difficult to program, leading to high changeover times when new products are introduced by manufacturers. In order to compete on global markets, the factories of tomorrow need complete production lines, including automation technologies that can effortlessly be reconfigured or repurposed, when the need arises. In this paper we present the concept of general, self-asserting robot skills for manufacturing. We show how a relatively small set of skills are derived from current factory worker instructions, and how these can be transferred to industrial mobile manipulators. General robot skills can not only be implemented on these robots, but also be intuitively concatenated to program the robots to perform a variety of tasks, through the use of simple task-level programming methods. We demonstrate various approaches to this, extensively tested with several people inexperienced in robotics. We validate our findings through several deployments of the complete robot system in running production facilities at an industrial partner. It follows from these experiments that the use of robot skills, and associated task-level programming framework, is a viable solution to introducing robots that can intuitively and on the fly be programmed to perform new tasks by factory workers.
In order to remain competitive in a globalized environment, manufacturing companies need to constantly evolve their production systems and accommodate the changing demands of markets. Currently, production is experiencing a paradigm shift from mass production to mass customization of products. The impact of this trend on production systems is that they should adapt to handle more product variation, smaller life cycles, and smaller batch sizes – ideally batch size 1. Today, robot-based production is an essential part of the industrial manufacturing backbone. However, the concept of an industrial robot statically placed in a cell and continuously repeating a carefully predefined sequence of actions has remained practically unchanged for many decades. Contrary to traditional robot macros, our skills are characterized as being general, in that they can handle a variety of objects, and self-asserting, in that they contain pre- and postcondition checks. Finally, this set of skills for a given industry can be naturally extracted from a careful analysis of industrial standard operating procedures (SOP).
Robotics is expected to be one of the main enablers of this transition to the transformable factory of tomorrow. To reach the demanded level of flexibility robots, or more generally mobile manipulators, need to be able to move autonomously, cope with uncertainty in interactions with humans and partially known environments, handle a variety of different tasks, and be able to be reprogrammed fast by non-robot experts when a new task in the factory arises.
As mentioned earlier, mobile manipulators can be one of the enablers in robotics to accommodate the higher demand for flexibility in future industrial production. We argue that the use of robot skills is the key to making this happen. We will begin by showing how robot skills have been identified from the current work procedures in the industry.
This work has been focused on developing robotic systems suitable for the envisioned transformable factories of tomorrow. We have presented a conceptual model for object-centered robot skills that are similar to the abstraction level used when instructing tasks to human workers. We have shown how task-level programming can be combined with our notion of robot skills. This combination effectively acts as a higher abstraction layer, freeing the user from having to specify details such as cartesian coordinates, reference frames, or action specific parameters. The fact that skills are applied on objects, coupled with condition checks in our skills, makes it possible to use very intuitive HRI interfaces, such as kinesthetic teaching and gesture-based teaching for the definition of tasks. As a result, the notion of skills, the way we described and tested it in this work, allows non-robot experts to intuitively interact with and program a complex robotic system, such as an industrial mobile manipulator, with only minor training. Finally, as any other system intended for industrial use, robots equipped with our skills have been deployed and tested in real industrial scenarios, showing their robustness and effectiveness. We believe that our robot skills constitute a significant step towards achieving transformable robots, and that such an approach can ultimately increase competitiveness of manufacturing companies.
機(jī)器人制造技能:從概念到工業(yè)部署
作者: Mikkel Rath Pedersen,?,?Lazaros Nalpantidis,?Rasmus Skovgaard Andersen,?Casper Schou,?Simon B?gh,?Volker Krüger,?Ole Madsen
參考來(lái)源: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0736584515000575
由于制造業(yè)的總體轉(zhuǎn)變范式由大規(guī)模生產(chǎn)走向大規(guī)模定制和可重構(gòu)的自動(dòng)化技術(shù),所以，機(jī)器人成為必須的發(fā)展趨勢(shì)。為了在全球市場(chǎng)更好地競(jìng)爭(zhēng),未來(lái)的工廠將需要完整的生產(chǎn)線,包括在需要的時(shí)候，自動(dòng)化技術(shù)可以毫不費(fèi)力地重新配置或改造。我們目前通用的概念是self-asserting機(jī)器人制造技能，它主要展示一組相對(duì)較小的技能是來(lái)自當(dāng)前工人指令,和如何轉(zhuǎn)移到這些工業(yè)移動(dòng)機(jī)械手。一般機(jī)器人技能通過(guò)使用簡(jiǎn)單的任務(wù)級(jí)別的編程方法可以直觀地連接到程序執(zhí)行各種任務(wù)的機(jī)器人。我們驗(yàn)證的結(jié)果通過(guò)一些部署完整的機(jī)器人系統(tǒng)在運(yùn)行生產(chǎn)設(shè)施的工業(yè)合作伙伴。它遵循從這些實(shí)驗(yàn),包括機(jī)器人的使用技能,和相關(guān)的任務(wù)級(jí)別的編程框架。引入機(jī)器人,可以直觀和動(dòng)態(tài)被編程來(lái)執(zhí)行新任務(wù)由工廠工人，是一個(gè)可行的解決方案。
為了在全球化的環(huán)境下保持競(jìng)爭(zhēng)力,制造企業(yè)需要不斷發(fā)展他們的生產(chǎn)系統(tǒng)和適應(yīng)不斷變化的市場(chǎng)需求。機(jī)器人將是可變形的未來(lái)工廠的主要推動(dòng)者之一，然而達(dá)到要求的靈活性的機(jī)器人,或更普遍的移動(dòng)機(jī)械手,需要能夠自主移動(dòng),并且在應(yīng)對(duì)不確定性與人類互動(dòng)和部分已知的環(huán)境中,處理各種不同的任務(wù),并且能夠被重新編程快速non-robot專家在工廠發(fā)生當(dāng)一個(gè)新的任務(wù)。與傳統(tǒng)機(jī)器人相比,我們的技能具有一般性,他們可以處理各種各樣的對(duì)象，包含前置和后置條件檢查。最后,這個(gè)技能對(duì)于一個(gè)給定的行業(yè)可以從仔細(xì)分析自然提取的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)操作程序(SOP)。
如前所述,移動(dòng)機(jī)械手可以是機(jī)器人技術(shù)的推動(dòng)者之一,適應(yīng)未來(lái)的工業(yè)生產(chǎn)對(duì)靈活性的需求就越高。我們認(rèn)為,機(jī)器人的使用技能是實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)的關(guān)鍵。我們將開(kāi)始通過(guò)展示機(jī)器人技術(shù)已確定從當(dāng)前的工作程序。定義的能力依賴于行動(dòng)和感知序列,但動(dòng)作本身是適應(yīng)特定的任務(wù)的一組參數(shù),從而使通用的技能在一定范圍內(nèi)。每個(gè)技能都有一個(gè)或多個(gè)直觀的參數(shù)作為輸入,這與所有的工廠工人有關(guān)，而這些參數(shù)對(duì)象的相關(guān)技能,和執(zhí)行的技能是密切基于該參數(shù)的。
在執(zhí)行階段,機(jī)器人執(zhí)行預(yù)定程序的感知和行動(dòng)操作根據(jù)輸入?yún)?shù)完成技能。這些操作在理想情況下應(yīng)以這樣一種方式實(shí)現(xiàn),由指定的技能集成器來(lái)處理所有與參數(shù)相關(guān)的工廠。此外,重要的是，內(nèi)部的操作技能并不是盲目地執(zhí)行,而是依賴于傳感器的反饋,以確保穩(wěn)定,例如運(yùn)動(dòng)期間規(guī)劃避碰運(yùn)動(dòng)。操作員是從未接觸過(guò)內(nèi)的個(gè)人操作技能,但只有與完整的技巧和其直觀的參數(shù)。
在現(xiàn)實(shí)世界中，每個(gè)技能用于檢查程序之前都有關(guān)聯(lián)的一組前提條件和預(yù)測(cè)其執(zhí)行的結(jié)果。這些根據(jù)不同的條件可以從相關(guān)的世界模型驗(yàn)證或通過(guò)特殊感應(yīng)操作來(lái)獲得。此外,隨著技能STRIPS-like配方先決條件和預(yù)測(cè)上啟用任務(wù)規(guī)劃技術(shù)領(lǐng)域,只有任務(wù)規(guī)范所需的目標(biāo)狀態(tài),考慮到機(jī)器人都有一個(gè)關(guān)聯(lián)的世界模型,從中可以提取當(dāng)前狀態(tài)的規(guī)劃問(wèn)題。
定義的能力依賴于行動(dòng)和感知序列,但動(dòng)作本身是適應(yīng)特定的任務(wù)的一組參數(shù),從而使通用的技能在一定范圍內(nèi)。每個(gè)技能都有一個(gè)或多個(gè)直觀的參數(shù)作為輸入,這是所有的這些工作都集中在開(kāi)發(fā)機(jī)器人系統(tǒng)適合明天的設(shè)想可變形的工廠。一個(gè)概念模型object-centered機(jī)器人被提出，它是類似于抽象層次使用的技能指導(dǎo)任務(wù)時(shí)對(duì)人類工人，它展示了如何結(jié)合我們的任務(wù)級(jí)別編程機(jī)器人的概念技能。這種組合有效地充當(dāng)一個(gè)更高的抽象層,讓用戶不必指定細(xì)節(jié),如笛卡兒坐標(biāo)參考框架,或行動(dòng)的具體參數(shù)。技能應(yīng)用于對(duì)象,加上條件檢查在我們的技能,可以使用非常直觀HRI接口,如動(dòng)覺(jué)教學(xué)和手勢(shì)的定義的教學(xué)任務(wù)。因此,技能的概念包括我們描述和測(cè)試它的工作方式,允許non-robot專家直觀地與和程序復(fù)雜機(jī)器人系統(tǒng)交互,如一個(gè)工業(yè)移動(dòng)機(jī)械手,只有輕微的訓(xùn)練。最后,正如其他系統(tǒng)用于工業(yè)使用,機(jī)器人配備我們的技能已經(jīng)被部署和測(cè)試在實(shí)際工業(yè)場(chǎng)景中,顯示他們的魯棒性和有效性。相信我們的機(jī)器人技能將成為現(xiàn)可變形的機(jī)器人的重要舉措,最終,可以提高制造企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。