2707 高空作業(yè)機(jī)器人設(shè)計,高空作業(yè),機(jī)器人,設(shè)計 0畢 業(yè) 設(shè) 計 （ 論 文 ） 開 題 報 告設(shè)計（論文）題目 : 高空作業(yè)機(jī)器人設(shè)計 院 系 名 稱: 機(jī)電工程學(xué)院 專 業(yè) 班 級: 機(jī)械 08-4 班 學(xué) 生 姓 名: 關(guān)宏 導(dǎo) 師 姓 名: 劉喜平 開 題 時 間: 2012 年 2 月 27 日 指導(dǎo)委員會審查意見：簽字： 年 月 日11 課題研究的目的和意義1.1 設(shè)計目的高空作業(yè)機(jī)器人設(shè)計是為實(shí)現(xiàn)無攀爬式全自動高空接線而設(shè)計的機(jī)器人裝置。裸高壓導(dǎo)線輸電線路的備用導(dǎo)線高空接線，其繞線軌跡不規(guī)范、轉(zhuǎn)子線圈的線徑粗、折彎力較大、折彎運(yùn)動空間受限等，給高空接線增加了難度，而多自由度的高空全自動繞線裝置的研究是高空接線中亟待解決的瓶頸問題。本課題根據(jù)仿生學(xué)和機(jī)器人學(xué)的原理，運(yùn)用常用的機(jī)械運(yùn)動機(jī)構(gòu)及其組合，實(shí)現(xiàn)高空握持導(dǎo)線、不規(guī)則的圓周繞線運(yùn)動和橫向進(jìn)給運(yùn)動的全新自動繞線機(jī)器人的研究。1.2 設(shè)計意義機(jī)器人可以代替人進(jìn)行繁重、危險的勞動，顯著減輕了工人的勞動強(qiáng)度和工作負(fù)擔(dān)，大大改善了勞動條件，提高了勞動生產(chǎn)率和自動化水平。在高空裸導(dǎo)線的接線中，以前都 需 要 操 作 人 員 攀 高 接 線 ， 勞 動 強(qiáng) 度 大 、 安 全 性 不 可 靠 ；而 無攀爬式全自動高空接線機(jī)器人能夠代替工人進(jìn)行高空作業(yè)，避免了工作中潛在的各種危險，同時提高了工作效率，并且減少了高壓輸電線路的電流損耗，也為低碳經(jīng)濟(jì)提供了一個新的探索方案。該設(shè)計經(jīng)濟(jì)實(shí)用性高，具有光明的發(fā)展前景。2 文獻(xiàn)綜述 2.1 現(xiàn)狀及分析裸高壓導(dǎo)線輸電線路的高空接線工作，一直是困擾高空作業(yè)人員的棘手問題，由于其危險性極大，作業(yè)條件艱難，僅靠人力很難做到，所以都是借助高空作業(yè)車的幫助來實(shí)現(xiàn)的。而高空作業(yè)車體積龐大且笨重，耗資巨大，而且在路況不好的地方很難行進(jìn)，這就導(dǎo)致了很多地區(qū)的高空接線工作很難進(jìn)行。近年來，越來越多的人致力于多自由度的高空全自動繞線裝置的研究，試圖找到一種簡便、經(jīng)濟(jì)、安全、有效的方法，來解決這一難題。在一切追求人性化的今天，越來越多繁重、危險和高難度的工作，開始采用機(jī)器人（包括機(jī)械手）來代替人類完成。無論在國外還是國內(nèi)，高空接線這種工作都已經(jīng)考慮運(yùn)用機(jī)器人技術(shù)。人類的很多不足都能夠通過機(jī)器人來彌補(bǔ)，2這樣不僅節(jié)省了人力，而且降低了風(fēng)險，同時也讓機(jī)器人得到充分的利用。目前，無攀爬式全自動高空接線機(jī)器人還沒有真正投入使用，但由于其顯著的優(yōu)越性，即高效率、安全性高、經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)等，正在被越來越多的專家學(xué)者研究試驗(yàn)，前景可觀。本課題設(shè)計的無攀爬式全自動高空接線機(jī)器人主要實(shí)現(xiàn)高空握持導(dǎo)線、不規(guī)則的圓周繞線運(yùn)動和橫向進(jìn)給運(yùn)動，其主要結(jié)構(gòu)有：1)握持導(dǎo)線機(jī)構(gòu)機(jī)械手是一種能模擬人的手臂動作，按預(yù)定程序、軌跡及其它要求，實(shí)現(xiàn)抓取、搬運(yùn)工件或操縱工具的自動化裝置，主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。機(jī)械手的種類很多，關(guān)于分類的問題，目前在國內(nèi)尚無統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)，在此暫按使用范圍、驅(qū)動方式和控制系統(tǒng)等進(jìn)行分類。機(jī)械手按用途分為通用機(jī)械手和專用機(jī)械手兩類；按驅(qū)動方式分，有氣壓傳動機(jī)械手、液壓傳動機(jī)械手、機(jī)械傳動機(jī)械手和電力傳動機(jī)械手；按控制方式分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制機(jī)械手。機(jī)械手的工作原理：機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。在PLC程序控制的條件下，采用液壓傳動方式，來實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的相應(yīng)部位發(fā)生規(guī)定要求的，有順序，有運(yùn)動軌跡，有一定速度和時間的動作。同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時可對機(jī)械手的動作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。位置檢測裝置隨時將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較，然后通過控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置.本課題的機(jī)械手要能夠滿足抓住引線、握住導(dǎo)線，并且手臂最好能夠進(jìn)行橫向伸縮，而且要具有一定的承載能力，因?yàn)樵诶@線機(jī)構(gòu)纏線過程中，機(jī)械手要支撐住整個機(jī)構(gòu)，如果承載能力不夠，會出現(xiàn)安全問題。2)全自動繞線機(jī)構(gòu)該 部 分 的 主 要 功 能 是 將 導(dǎo) 線 和 引 線 用 綁 線 纏 住 ， 繞 線 機(jī) 、 齒 輪 齒 條 機(jī) 構(gòu) 、行 星 齒 輪 機(jī) 構(gòu) 等 均 能 夠 實(shí) 現(xiàn) 繞 線 動 作 。(1)繞 線 機(jī) ：3繞 線 機(jī) ， 顧 名 思 義 是 把 線 狀 的 物 體 纏 繞 到 特 定 的 工 件 上 的 機(jī) 器 。歐美繞線機(jī)以其加工精度高、質(zhì)量穩(wěn)定而在國際繞線機(jī)市場上占有重要地位。 歐美繞線機(jī)一般可繞 0.01-2mm 的線徑，轉(zhuǎn)動誤差極小。繞線機(jī)用精密微機(jī)控制，以程序控制操作，這些程序極易掌握，人機(jī)對話簡單，即使工作人員并無繞線工作的經(jīng)驗(yàn)也可應(yīng)付自如。目前歐洲生產(chǎn)的繞線機(jī)已經(jīng)趨于自動化，而美國的繞線機(jī)介于自動和半自動之間，德國制造的外形比較美觀，零件比較講究，但是造價高。隨著國際繞線機(jī)市場的蓬勃發(fā)展，相互間的競爭越來越激烈，各國的廠家都必須開發(fā)出新一代的繞線機(jī)。現(xiàn)在主要是趨向自動化的發(fā)展方向。全自動繞線機(jī)是近幾年才發(fā)展起來的新機(jī)種，為了適應(yīng)高效率、高產(chǎn)量的要求，全自動機(jī)種一般都采用多頭聯(lián)動設(shè)計，國內(nèi)的生產(chǎn)廠家大多都是參照了臺灣等地的進(jìn)口機(jī)型的設(shè)計，采用可編程控制器作為設(shè)備的控制核心，配合機(jī)械手、氣動控制元件和執(zhí)行附件來完成自動排線、自動纏腳、自動剪線、自動裝卸骨架等功能，這種機(jī)型的生產(chǎn)效率極高，大大的降低了對人工的依賴，一個操作員工可以同時照看幾臺這樣的設(shè)備，生產(chǎn)品質(zhì)比較穩(wěn)定，非常適合產(chǎn)量要求高的加工場合。這種機(jī)型由于集成了數(shù)控、氣動、光控許多的新技術(shù)，所以價格小則幾萬元高則十幾萬元，價格也使得許多的用戶望而嘆步，另外由于功能要求決定了該設(shè)備的零部件采用了大量非標(biāo)準(zhǔn)件和定制件，所以一旦出現(xiàn)故障相對的維修過程將會很復(fù)雜，周期也會比較長。而且這種繞線機(jī)多數(shù)形體巨大，適合大批量，高精度的工作要求場合，不是本設(shè)計的理想選擇。(2)齒輪齒條機(jī)構(gòu)：齒輪齒條傳動將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變?yōu)橹本€運(yùn)動，它的傳動功率大，速度范圍廣，效率高，工作可靠，壽命長，結(jié)構(gòu)緊湊，能保證恒定傳動比。但是，這樣的機(jī)構(gòu)可以反向驅(qū)動，也就是齒條做直線運(yùn)動來帶動齒輪旋轉(zhuǎn)，適合大距離的傳動，如機(jī)床導(dǎo)軌底下帶動拖板箱移動的就是齒輪齒條傳動，齒輪齒條機(jī)構(gòu)需要外加鎖緊裝置，因?yàn)辇X輪齒條機(jī)構(gòu)不能自鎖。而且它的制造及其安裝精度要求高，成本高，不適于兩軸中心距過大的傳動及振動沖擊較大的場合。(3)行星齒輪機(jī)構(gòu)：行星齒輪機(jī)構(gòu)有很多類型，其中最簡單的行星齒輪機(jī)構(gòu)是由1個太陽輪、1個齒圈、1個行星架和支承在行星架上的幾個行星齒輪組成的，稱為1個行星排。行星齒輪機(jī)構(gòu)中的太陽輪、齒圈及行星架有一個共同的固定軸線，行星齒輪支承在固定于行星架的行星齒輪軸上，并同時與太陽輪和齒圈嚙合。當(dāng)行星齒輪機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)時，空套在行星架上的行星齒輪軸上的幾個行星齒輪一方面可以繞著4自己的軸線旋轉(zhuǎn)，另一方面又可以隨著行星架一起繞著太陽輪回轉(zhuǎn)，就像天上行星的運(yùn)動那樣，兼有自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)兩種運(yùn)動狀態(tài)（將星齒輪的名稱即因此而來） ，在行星排中，具有固定軸線的太陽輪、齒圈和行星架稱為行星排的3個基本元件。行星齒輪機(jī)構(gòu)可按不同的方式進(jìn)行分類，按照齒輪的嚙合方式不同，行星齒輪機(jī)構(gòu)可以分為外嚙合式和內(nèi)嚙合式兩種。外嚙合式行星齒輪機(jī)構(gòu)體積大，傳動效率低，故在汽車上已被淘汰；內(nèi)嚙合式行星齒輪機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，傳動效率高，因而在自動變速器中被廣為使用。按照齒輪的排數(shù)不同，行星齒輪機(jī)構(gòu)可以分為單排和多排兩種。多排行星齒輪機(jī)構(gòu)是由幾個單排行星齒輪機(jī)構(gòu)組成的。按照太陽輪和齒圈之間的行星齒輪組數(shù)的不同，行星齒輪機(jī)構(gòu)可以分為單行星齒輪式和雙行星齒輪式兩種。全 自 動 繞 線 機(jī) 構(gòu) 要 用 直 徑 為 2mm的 細(xì) 線 將 直 徑 粗 10mm的 導(dǎo) 線 握 在 一 起 ，然 后 用 1分 鐘 左 右 的 時 間 完 成 繞 線 過 程 。 所以考慮到本設(shè)計要求經(jīng)濟(jì)適用，效率高，優(yōu)先考慮行星齒輪機(jī)構(gòu)和齒輪齒條機(jī)構(gòu)，這兩種機(jī)構(gòu)較繞線機(jī)相比，更符合設(shè)計要求，機(jī)構(gòu)輕便，而且價格適宜，具有更強(qiáng)的實(shí)用性，更加大眾化。除此之外，帶傳動，四桿機(jī)構(gòu)等也可以繞線，具體設(shè)計就要根據(jù)設(shè)計內(nèi)容和要求而確定。2.2 初步可行性研究無攀爬式全自動高空接線機(jī)器人的主要優(yōu)點(diǎn)：(1)經(jīng)濟(jì)性：現(xiàn)在使用的高空作業(yè)車格價一般為幾百萬不等，經(jīng)濟(jì)性低，需要使用者的經(jīng)濟(jì)承受能力很強(qiáng)；而無攀爬式全自動高空接線機(jī)器人的價格在幾千元左右，與前者相比，優(yōu)越性一目了然。(2)安全性：高空作業(yè)安全一直是我國的重中之重，而本設(shè)計可避免這一問題，安全性高。(3)效率高：無攀爬式全自動高空接線機(jī)器人在繞線過程中的時間約為 1 分鐘，而整個過程約為 2 分鐘，與較傳統(tǒng)的方法相比較，工作效率大大提高。(4)適用范圍廣：在何種環(huán)境均可工作，對工作條件沒有特別高的要求，實(shí)用性強(qiáng)。鑒于以上優(yōu)點(diǎn)，無攀爬式全自動高空接線機(jī)器人具有很高的可行性。3 基本內(nèi)容、擬解決的主要問題3.1 基本內(nèi)容本設(shè)計主要完成無攀爬式的高空遙控作業(yè)，實(shí)現(xiàn)高空握持導(dǎo)線、不規(guī)則的5圓周繞線運(yùn)動和橫向進(jìn)給運(yùn)動的全新自動繞線。具體內(nèi)容為用繞線直徑為 2mm的鋁質(zhì)綁線將直徑為 10mm 的引線和導(dǎo)線纏在一起，并完成導(dǎo)線的固定工作，繞線用時 1 分鐘左右。3.1.1 無攀爬式全自動高空接線機(jī)器人的擬實(shí)現(xiàn)工作流程(1)用絕緣拉桿插入拉桿插孔后，送機(jī)器人接近引線，控制機(jī)器人右手抓住引線；(2)送機(jī)器人接近導(dǎo)線，控制機(jī)器人左右手同時握住導(dǎo)線；(3)控制機(jī)器人用嘴咬住導(dǎo)線和引線后，使綁線如舌頭一樣，勾住導(dǎo)線和引線，同時身體做繞導(dǎo)運(yùn)動，將綁線纏在導(dǎo)線和引線上；(4)最后，用嘴咬斷多余綁線后，工作結(jié)束。3.2 擬解決問題(1)機(jī)器人手臂要能夠抓住引線，并握住導(dǎo)線。(2)繞線機(jī)構(gòu)將導(dǎo)線和引線纏在一起，在繞線結(jié)束之后，將綁線兩頭固定，保證其不會松動。4 技術(shù)路線通過查閱資料，明確設(shè)計目的，進(jìn)行總體結(jié)構(gòu)方案的擬定，經(jīng)過對運(yùn)動和動力參數(shù)的計算，進(jìn)行繞線機(jī)構(gòu)、握持機(jī)構(gòu)、進(jìn)給機(jī)構(gòu)等的結(jié)構(gòu)設(shè)計，然后進(jìn)行總體裝配圖的繪制，最后，繪制主要零件工作圖，編寫設(shè)計說明書。5 進(jìn)度安排2 月 27 日～3 月 20 日：分配任務(wù)，書寫開題報告；3 月 21 日～4 月 10 日：查閱資料，進(jìn)行設(shè)計分析；4 月 11 日～4 月 18 日：擬定總體設(shè)計方案；4 月 19 日～5 月 3 日： 運(yùn)動和力學(xué)參數(shù)的計算；5 月 4 日～5 月 10 日：繞線機(jī)構(gòu)、握持機(jī)構(gòu)、進(jìn)給機(jī)構(gòu)等結(jié)構(gòu)設(shè)計5 月 11 日～5 月 30 日：繪制無攀爬式全自動高空接線機(jī)器人總體裝配圖6 月 1 日～6 月 10 日：繪制主要零件工作圖，編寫設(shè)計說明書；6 月 11 日～6 月 15 日：完成設(shè)計，準(zhǔn)備答辯。6 主要參考文獻(xiàn)[1] 殷玉楓．機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計[S]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2000.6[2] 鄭江，許瑛．機(jī)械設(shè)計[S]．北京：北京大學(xué)出版社,1999.[3] 郭紅星，宋敏．機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)[M]．西安：西安電子科技大學(xué)出版社,1998.[4] 成大先．機(jī)械設(shè)計手冊 單行本 減（變）速器．電機(jī)與電器[S]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社,1998.[5] 蔣文萍.移動機(jī)械手的設(shè)計與分析[J] .天津大學(xué),2010.[6] 萬海波.多自由度機(jī)械手運(yùn)動性能及動力學(xué)分析[J].河北工業(yè)大學(xué)，2007.[7] 楊可楨. 機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)（第五版）[M]. 北京：高等教育出版社，2006.[8] 劉兵.移動機(jī)械手協(xié)調(diào)控制技術(shù)的研究[J].河北工業(yè)大學(xué)，2009.[9]李亮.機(jī)械手對目標(biāo)物體的抓取[J].西華大學(xué)，2009.[10] 李娜.移動機(jī)械手路徑規(guī)劃與控制研究[J].天津理工大學(xué)，2007.[11] 胡偉.機(jī)械手自動抓取鋼卷系統(tǒng)的研究[J].武漢理工大學(xué)，2009.[12]Yoshiyuki T, Kenichi M. 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