機器人畢業(yè)設計前期報告

1、<p>　　本科畢業(yè)設計（論文）前期報告</p><p>　　畢業(yè)設計（論文）題目：水下機器人車載機械手</p><p>　　專業(yè)（方向）：機械設計制造及自動化</p><p>　　學 生 信 息： 學號： 姓名： 班級：</p><p>　　指導教師信息： 教師號： 姓名：

2、 職稱：</p><p><b>　　報告提交日期：</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了神秘的色彩，也吸引了無數(shù)科學家、探險家為之探索。[1]</p><p>　　從遠古時代起，人們就泛舟于海上。從19 世紀起，人們開始利用各種手段對海洋進行探察。20 世紀，水下機

4、器人技術作為人類探索海洋的最重要的手段，受到了人們普遍的關注。進入21 世紀，海洋作為人類尚未開發(fā)的處女地，已成為國際上戰(zhàn)略競爭的焦點，因而也成為高技術研究的重要領域。毫不夸張地說，本世紀是人類進軍海洋的世紀。[1]</p><p>　　人類關注海洋，是因為陸上的資源有限，海洋中卻蘊藏著豐富的礦產(chǎn)資源、生物資源和能源。另一個重要原因是，占地球表面積49％的海洋是國際海底區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)的資源不屬于任何國家，而屬于全

5、人類。但是如果哪一個國家有技術實力，就可以獨享這部分資源。因此爭奪國際海底資源也是一項造福子孫后代的偉大事業(yè)。水下機器人作為一種高技術手段，在海底這塊人類未來最現(xiàn)實的可發(fā)展空間中起著至關重要的作用，發(fā)展水下機器人的意義是顯而易見的。[1]</p><p>　　1.2日本地震引發(fā)的核泄漏</p><p>　　2011年3月11日日本關東發(fā)生九級大地震。大地震以及隨之而來的海嘯、大火吞噬了至少

6、兩萬人的生命，但人們還能井然有序守望相助。隨之而來的福島第一核電站發(fā)生爆炸，放射性物質泄漏，不僅給日本國民帶來核射線傷害，而且引發(fā)了周邊國家民眾的核恐慌。[2]日本核泄漏造成的影響是巨大的，其影響時間也是長遠的。福島核事故后，由于工作人員無法進入反應堆內(nèi)查看詳情，不僅不能獲得及時信息，也無法對反應堆進行及時修復，降低損失。日本核事故給我們帶來了很多教訓，現(xiàn)在自然災害頻發(fā)，我們不得不深思，引以為戒。因此，從這個方面來看，水下耐核輻射機器人

7、的研究非常有必要，而且具有很大的實用前景。</p><p><b>　　二、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀</b></p><p>　　智能水下機器人是將人工智能、自動控制、模式識別、信息融合與理解、系統(tǒng)集成等技術應用于傳統(tǒng)的載體上，在無人駕駛的技情況下自主完成復雜海洋環(huán)境中預定任務的機器人。[3]</p><p><b>　　2.1國外發(fā)展現(xiàn)狀&l

8、t;/b></p><p>　　國外水下機器人技術的發(fā)展，主要以美國、日本以及西方發(fā)達國家為代表，他們的發(fā)展技術幾乎可以代表了全世界水下機器人技術的發(fā)展水平。著名的研究機構有麻省理工學院MIT Sea Grant’s AUV實驗室、美國海軍研究生院智能水下運載研究中心、美國五慈侯海洋學院、美國佛羅里達大西洋高級海洋系統(tǒng)實驗室、日本東京大學機器人應用實驗室、英國海事技術中心等。[4]</p>&

9、lt;p>　　美國是最先發(fā)展水下機器人的國家，他們掌握著水下機器人較高的技術水平。由美國海軍研究生院的Phoenix AUV和性能更優(yōu)越的Aries AUV，主要用于研究智能控制、規(guī)劃與導航、目標識別等技術。[5]日本憑借其在智能機器人方面的發(fā)展優(yōu)勢，在水下機器人方面也不甘落后，取得了突躍式進步，并成為這個領域的佼佼者。日本對于無人有纜的潛水器研制比較重視，不僅有近期的研究項目，而且還有較大型的長遠計劃。目前日本正在實施一項包括開

10、發(fā)先進無人遙控潛水器的大型規(guī)劃。歐洲方面根據(jù)歐洲尤卡里計劃，英國、意大利將聯(lián)合研制無人遙控水下機器人。這種潛水器性能優(yōu)良，能在6000米水深持續(xù)工作250個小時，比現(xiàn)在正在使用的只能在4000米水深持續(xù)工作12個小時的機器人性能優(yōu)良的多。</p><p>　　2.2國內(nèi)水下機器人發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　我國從上世紀70年代開始較大規(guī)模地開展?jié)撍餮兄乒ぷ?，起步較其他發(fā)達國家晚了很多，

11、但在過去的幾十年內(nèi)，我國水下機器人技術的發(fā)展還是取得了很大的進步，并取得了一些重要成果。我國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水下機器人ROV（有纜無人）和軍民兩用的HR-01 ROV，RECON IV ROV及CR-01 A 6000m水下機器人 AUV（無人無纜）等，使我國潛水器研制達到了國際先進水平[4] 。2011年7月26日上午，中國載人潛水器“蛟

12、龍?zhí)枴痹诘诙蜗聺撛囼炛谐晒ν黄?000米水潛大關，最大下潛深度達到5057米。創(chuàng)造了中國載人深潛新的歷史，“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器5000米深潛成功，意味著中國載人深潛水平已位居世界前列。標志著中國具備了達到全球70%以上海洋深處進行作業(yè)的能力，極大增強了中國科技工作者進軍深海大洋、探索昂奧秘的信心和決心。同時，在第14屆國際無人水下機器人競賽中，我國獲得第十二名的優(yōu)異成績，創(chuàng)亞洲最好成績排名，領跑日本、印度。這同樣也說明了我國的水下機器

13、人技術已基本達到世界先進水平。</p><p>　　3.水下機器人發(fā)展趨勢</p><p>　　21世紀將是海洋的世紀，隨著技術的進步，各式各樣的水下機器人將以更快的速度發(fā)展起來看，將采用遙控、監(jiān)控、預編程、局部自治或其組合等，這會使水下機器人的應用更加廣泛。隨著陸地資源和能源的日益缺乏，越來越多的科學家開始把目光轉向海洋，這無疑會極大促進水下機器人技術的發(fā)展，在未來，那個能率先掌握更發(fā)達

14、的水下機器人技術，他就會掌管巨大的海底資源。但是目前水下機器人技術方面還存在一些難題[16]。例如水下遙控機器人水下數(shù)據(jù)率的信息傳輸仍無法以無纜的形式徹底解決。[5,]</p><p>　　未來水下機器人發(fā)展趨勢有以下幾點：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，吸收人工智能運籌學、計算機科

15、學、模糊數(shù)學、心理學生理學和混沌動力學等新思想、新方法模擬人類智能，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。[6]六是綠色化，使用時不污染環(huán)境，報廢后能回收利用。[7]七是系統(tǒng)化，水下機器人的系統(tǒng)可以靈活組態(tài), 進行任意剪裁和組合, 同時尋求實現(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。[8]此外，水下機器人的小型化和復雜條件作業(yè)，以及提高其觀察能力都是其未來發(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器人在高放射性的水池池底能夠水平行走、自由轉向，攜帶不同機械執(zhí)行機構完成不同的作業(yè)任務，具備耐輻射高清攝像能力和視覺信號實時傳輸、處理功能，機器人本體根據(jù)各類傳感器信息對現(xiàn)場環(huán)境進行分析和處理，對異物進行輪廓

17、掃描及精確定位，該機器人可采用手動、半自動以及自動作業(yè)方式，輕松抓取異物，在手動及半自動操作過程中能識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措施，縮短抓異物時間。</p><p><b>　　1.2技術要求</b></p><p>　　水下密封能力：0.22Mpa；</p><p>　　最大單次使用時間8小時；</p>

18、;<p>　　外形尺寸盡可能緊湊、小巧；</p><p>　　根據(jù)異物種類，配備多款合適的末端執(zhí)行機構；</p><p>　　機械手伸直抓取能力1kg；</p><p>　　具有三自由度機械手臂；</p><p>　　三自由度腕部的機械結構設計；</p><p>　　各關節(jié)角速度最大速度能達到40

19、6;/秒；</p><p>　　具有異物進入抓取盲區(qū)報警提示；</p><p>　　機械手工作區(qū)域內(nèi)照明充足，無盲區(qū)；</p><p><b>　　1.3工作要求</b></p><p>　　完成防水結構設計、傳動系統(tǒng)設計，驅動系統(tǒng)校核。</p><p>　　完成手臂機械結構設計（三自由度）。&l

20、t;/p><p>　　手爪機械結構設計（三自由度）。</p><p>　　利用三維造型與虛擬裝配軟件完成機械手的虛擬裝配圖。</p><p>　　繪制合計3 張0 號圖紙的工作量。</p><p><b>　　撰寫設計說明書。</b></p><p>　　四．可能遇到的問題和擬采用的解決問題辦法<

21、;/p><p><b>　　2.1設計難點</b></p><p>　　由于水下機器人工作在水下環(huán)境中，基于其特有的工作環(huán)境，水下機器人的研制需要考慮以下問題[9~11]：</p><p>　　密封性：作為水下工作的載體，機器人中有電機、碼盤等驅動和檢測元件，必須考慮相關部件的密封性能。</p><p>　　防腐蝕：長期的水

22、下工作會導致金屬構件和元件的損蝕，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，需從材料結構等方面綜合考慮。</p><p>　　壓力補償：水下機械手承受相應深度的水壓，構件、傳感器和電機等的密封殼體需長期承受壓力。因此要在系統(tǒng)中采取相應的壓力補償措施。</p><p>　　應急措施：水下機械手在水下工作，難免碰上海底生物等，必要的時候機械手應能與車體脫開，防止

23、其受傷害。</p><p>　　2.2機械手臂結構方案設計</p><p>　　常用機械手臂結構如下[12-13,15]：</p><p>　　直角坐標式用（X、Y、Z）表示，機械手的臂部可做前后、左右、升降三個移動，如圖1所示。這種坐標形式直觀性好，結構簡單，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、標式用（X、Z、C）表示，見圖2.它有兩個移動（伸縮和升降）。這種坐標形式可以繞中心軸旋轉一個角，工作范圍可以擴大，且計算簡單；直線部分可以采用液壓驅動，可輸出較大動力；能夠伸入型腔式機器內(nèi)部；所占空間較小，是應用最多的一種。但是，它的手臂可以達到的空間受限制，不能達到近立柱或近地面的空間；直線部分驅動難以密封防塵；后臂工作時，手臂后端會碰到工作范圍內(nèi)的其他物體。</p><p>　　球坐標式用（X、B、C）表示

25、，見圖3。它有一個移動（手臂伸縮）和兩個轉動。這種坐標形式結構較復雜，但慣性不大，本體所占的空間較小，動作范圍比圓柱坐標更大，但也存在工作死區(qū)</p><p>　　多關節(jié)式機器人用（C、B1、B2），見圖四。它有三個轉動（左右旋轉、兩個關節(jié)旋轉）。這種坐標形式運動件的慣性較小，本體占空間不大，而動作范圍很大，并可以繞過障礙抓取工件。</p><p>　　結合本任務關于工作空間小的要求，采用

26、類人機械手臂的關節(jié)型作為最終的手臂方案。</p><p>　　2.3機械腕部結構設計</p><p>　　手腕式操作機的小臂和末端執(zhí)行器（手爪）之間的連接部件[14]。其功用是利用自身的活動度確定被末端執(zhí)行器夾持物體的空間姿態(tài)，也可以說是確定末端執(zhí)行器的姿態(tài)。故手腕也稱作機器人的姿態(tài)機構。</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上加

27、一個整個手腕相對于小臂的轉動角度（用角度參數(shù)α表示）而形成的。當不考慮結構限制，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%，也就是說具有百分之百的靈活度。這就是說手爪可自任意方向接近物體，也可以將物體轉換到任意姿勢。</p><p><b>　　五.計劃進度表</b></p><p><b>　　六．參考

28、文獻</b></p><p>　　[1]李一平. 水下機器人——過去、現(xiàn)在和未來.自動化博覽. 2002年第3期. 153-155</p><p>　　[2]童大煥. 日本核泄漏如何影響世界. 中國遠洋航務. 2011年04期</p><p>　　[3]徐玉如，龐永杰，甘永，孫玉山. 智能水下機器人技術展望. 智能系統(tǒng)學報. 2006年01期</p

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

30、魯月琴. 機電一體化技術的發(fā)展歷程和趨勢[J]中小企業(yè)管理與科技(下旬刊),2009:85-86.</p><p>　　[8] 李文鵬. 機電一體化技術進展及發(fā)展趨勢研究[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. 水下機器人. 沈陽：遼寧科學技術出版社. 2000: 125-131頁</p><p&g

31、t;　　[10]譚定忠，張立勛等. 一種用于深海作業(yè)的智能機械手. 傳感器技術. 1999，18(1)34-35頁</p><p>　　[11]馬廈飛. 主從式多功能水下機械手結構設計要點淺析. 海洋技術. 1991. 10（4）：60-65頁</p><p>　　[12]沈陽市機床工業(yè)公司七·二一大學編著. 工業(yè)機械手. 遼寧人民出版社. 1979年</p>&l

32、t;p>　　[13]主編郭洪紅. 工業(yè)機器人技術西安電子科技大學出版社. 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