机器人毕业设计前期报告.doc

本科毕业设计（论文）前期报告毕业设计（论文）题目：水下机器人车载机械手专业（方向）：机械设计制造及自动化学 生 信 息： 学号： 姓名： 班级：指导教师信息： 教师号： 姓名： 职称：报告提交日期：内容要求： 一、课题研究背景：1.1水下机器人的研究背景地球的表面积为5.1 亿平方公里，而海洋的面积为3.6 亿平方公里。地球表面积的71%被海洋所覆盖。在烟波浩渺的海洋深处，蕴藏着什么样的宝藏？是否存在着智慧生命？海底生物是怎样生活的？海底的地形地貌又是什么样的？所有这一切都使海洋充满了神秘的色彩，也吸引了无数科学家、探险家为之探索。1从远古时代起，人们就泛舟于海上。从19 世纪起，人们开始利用各种手段对海洋进行探察。20 世纪，水下机器人技术作为人类探索海洋的最重要的手段，受到了人们普遍的关注。进入21 世纪，海洋作为人类尚未开发的处女地，已成为国际上战略竞争的焦点，因而也成为高技术研究的重要领域。毫不夸张地说，本世纪是人类进军海洋的世纪。1 人类关注海洋，是因为陆上的资源有限，海洋中却蕴藏着丰富的矿产资源、生物资源和能源。另一个重要原因是，占地球表面积49的海洋是国际海底区域，该区域内的资源不属于任何国家，而属于全人类。但是如果哪一个国家有技术实力，就可以独享这部分资源。因此争夺国际海底资源也是一项造福子孙后代的伟大事业。水下机器人作为一种高技术手段，在海底这块人类未来最现实的可发展空间中起着至关重要的作用，发展水下机器人的意义是显而易见的。11.2日本地震引发的核泄漏2011年3月11日日本关东发生九级大地震。大地震以及随之而来的海啸、大火吞噬了至少两万人的生命，但人们还能井然有序守望相助。随之而来的福岛第一核电站发生爆炸，放射性物质泄漏，不仅给日本国民带来核射线伤害，而且引发了周边国家民众的核恐慌。2日本核泄漏造成的影响是巨大的，其影响时间也是长远的。福岛核事故后，由于工作人员无法进入反应堆内查看详情，不仅不能获得及时信息，也无法对反应堆进行及时修复，降低损失。日本核事故给我们带来了很多教训，现在自然灾害频发，我们不得不深思，引以为戒。因此，从这个方面来看，水下耐核辐射机器人的研究非常有必要，而且具有很大的实用前景。二、国内外发展现状智能水下机器人是将人工智能、自动控制、模式识别、信息融合与理解、系统集成等技术应用于传统的载体上，在无人驾驶的技情况下自主完成复杂海洋环境中预定任务的机器人。32.1国外发展现状国外水下机器人技术的发展，主要以美国、日本以及西方发达国家为代表，他们的发展技术几乎可以代表了全世界水下机器人技术的发展水平。著名的研究机构有麻省理工学院MIT Sea Grants AUV实验室、美国海军研究生院智能水下运载研究中心、美国五慈侯海洋学院、美国佛罗里达大西洋高级海洋系统实验室、日本东京大学机器人应用实验室、英国海事技术中心等。4美国是最先发展水下机器人的国家，他们掌握着水下机器人较高的技术水平。由美国海军研究生院的Phoenix AUV和性能更优越的Aries AUV，主要用于研究智能控制、规划与导航、目标识别等技术。5日本凭借其在智能机器人方面的发展优势，在水下机器人方面也不甘落后，取得了突跃式进步，并成为这个领域的佼佼者。日本对于无人有缆的潜水器研制比较重视，不仅有近期的研究项目，而且还有较大型的长远计划。目前日本正在实施一项包括开发先进无人遥控潜水器的大型规划。欧洲方面根据欧洲尤卡里计划，英国、意大利将联合研制无人遥控水下机器人。这种潜水器性能优良，能在6000米水深持续工作250个小时，比现在正在使用的只能在4000米水深持续工作12个小时的机器人性能优良的多。2.2国内水下机器人发展现状我国从上世纪70年代开始较大规模地开展潜水器研制工作，起步较其他发达国家晚了很多，但在过去的几十年内，我国水下机器人技术的发展还是取得了很大的进步，并取得了一些重要成果。我国先后研制成以援潜救生为主的7103艇（有缆有人）、型救生钟（有缆有人）、QSZ单人常压潜水器（有缆有人）、8A4水下机器人ROV（有缆无人）和军民两用的HR-01 ROV，RECON IV ROV及CR-01 A 6000m水下机器人 AUV（无人无缆）等，使我国潜水器研制达到了国际先进水平4 。2011年7月26日上午，中国载人潜水器“蛟龙号”在第二次下潜试验中成功突破5000米水潜大关，最大下潜深度达到5057米。创造了中国载人深潜新的历史，“蛟龙号”载人潜水器5000米深潜成功，意味着中国载人深潜水平已位居世界前列。标志着中国具备了达到全球70%以上海洋深处进行作业的能力，极大增强了中国科技工作者进军深海大洋、探索昂奥秘的信心和决心。同时，在第14届国际无人水下机器人竞赛中，我国获得第十二名的优异成绩，创亚洲最好成绩排名，领跑日本、印度。这同样也说明了我国的水下机器人技术已基本达到世界先进水平。3.水下机器人发展趋势21世纪将是海洋的世纪，随着技术的进步，各式各样的水下机器人将以更快的速度发展起来看，将采用遥控、监控、预编程、局部自治或其组合等，这会使水下机器人的应用更加广泛。随着陆地资源和能源的日益缺乏，越来越多的科学家开始把目光转向海洋，这无疑会极大促进水下机器人技术的发展，在未来，那个能率先掌握更发达的水下机器人技术，他就会掌管巨大的海底资源。但是目前水下机器人技术方面还存在一些难题16。例如水下遥控机器人水下数据率的信息传输仍无法以无缆的形式彻底解决。5,未来水下机器人发展趋势有以下几点：一是水深普遍在6000米；二是操纵控制系统多采用多功能，力反馈监控系统；三是更加注重模块化；四是增加推进器的数量与功率以提高其顶流作业的能力和操纵性能。五是智能化，吸收人工智能运筹学、计算机科学、模糊数学、心理学生理学和混沌动力学等新思想、新方法模拟人类智能，使它具有判断推理、逻辑思维、自主决策等能力，以求得到更高的控制目标。6六是绿色化，使用时不污染环境，报废后能回收利用。7七是系统化，水下机器人的系统可以灵活组态, 进行任意剪裁和组合, 同时寻求实现多子系统协调控制和综合管理，使通信功能的大大加强。8此外，水下机器人的小型化和复杂条件作业，以及提高其观察能力都是其未来发展方向。三、本课题要求1.1总体要求核电站多功能水下爬行机器人在高放射性的水池池底能够水平行走、自由转向，携带不同机械执行机构完成不同的作业任务，具备耐辐射高清摄像能力和视觉信号实时传输、处理功能，机器人本体根据各类传感器信息对现场环境进行分析和处理，对异物进行轮廓扫描及精确定位，该机器人可采用手动、半自动以及自动作业方式，轻松抓取异物，在手动及半自动操作过程中能识别异物是否所处抓取盲区，并提供反馈，供操作人员采取适当措施，缩短抓异物时间。1.2技术要求u 水下密封能力：0.22Mpa；u 最大单次使用时间8小时；u 外形尺寸尽可能紧凑、小巧；u 根据异物种类，配备多款合适的末端执行机构；u 机械手伸直抓取能力1kg；u 具有三自由度机械手臂；u 三自由度腕部的机械结构设计；u 各关节角速度最大速度能达到40°/秒；u 具有异物进入抓取盲区报警提示；u 机械手工作区域内照明充足，无盲区；1.3工作要求u 完成防水结构设计、传动系统设计，驱动系统校核。u 完成手臂机械结构设计（三自由度）。u 手爪机械结构设计（三自由度）。u 利用三维造型与虚拟装配软件完成机械手的虚拟装配图。u 绘制合计3 张0 号图纸的工作量。u 撰写设计说明书。四可能遇到的问题和拟采用的解决问题办法2.1设计难点由于水下机器人工作在水下环境中，基于其特有的工作环境，水下机器人的研制需要考虑以下问题911：1. 密封性：作为水下工作的载体，机器人中有电机、码盘等驱动和检测元件，必须考虑相关部件的密封性能。2. 防腐蚀：长期的水下工作会导致金属构件和元件的损蚀，虽可喷涂防锈油漆，但很难保持完整的图层。采用耐腐蚀材料也很难保持不被腐蚀，需从材料结构等方面综合考虑。3. 压力补偿：水下机械手承受相应深度的水压，构件、传感器和电机等的密封壳体需长期承受压力。因此要在系统中采取相应的压力补偿措施。4. 应急措施：水下机械手在水下工作，难免碰上海底生物等，必要的时候机械手应能与车体脱开，防止其受伤害。2.2机械手臂结构方案设计常用机械手臂结构如下12-13,15：图1.直角坐标机器人图2.圆柱坐标机器人图3.球坐标机器人图4.多关节坐标机器人直角坐标式用（X、Y、Z）表示，机械手的臂部可做前后、左右、升降三个移动，如图1所示。这种坐标形式直观性好，结构简单，但惯性较大，占的空间也较大，一般多安装在架空的梁上。圆柱坐标式用（X、Z、C）表示，见图2.它有两个移动（伸缩和升降）。这种坐标形式可以绕中心轴旋转一个角，工作范围可以扩大，且计算简单；直线部分可以采用液压驱动，可输出较大动力；能够伸入型腔式机器内部；所占空间较小，是应用最多的一种。但是，它的手臂可以达到的空间受限制，不能达到近立柱或近地面的空间；直线部分驱动难以密封防尘；后臂工作时，手臂后端会碰到工作范围内的其他物体。球坐标式用（X、B、C）表示，见图3。它有一个移动（手臂伸缩）和两个转动。这种坐标形式结构较复杂，但惯性不大，本体所占的空间较小，动作范围比圆柱坐标更大，但也存在工作死区多关节式机器人用（C、B1、B2），见图四。它有三个转动（左右旋转、两个关节旋转）。这种坐标形式运动件的惯性较小，本体占空间不大，而动作范围很大，并可以绕过障碍抓取工件。结合本任务关于工作空间小的要求，采用类人机械手臂的关节型作为最终的手臂方案。2.3机械腕部结构设计手腕式操作机的小臂和末端执行器（手爪）之间的连接部件14。其功用是利用自身的活动度确定被末端执行器夹持物体的空间姿态，也可以说是确定末端执行器的姿态。故手腕也称作机器人的姿态机构。三自由度手腕的形式繁多。三自由度手腕式两自由度的基础上加一个整个手腕相对于小臂的转动角度（用角度参数表示）而形成的。当不考虑结构限制，即、都能在0360范围内取值，末端执行器的灵活度dex=100%+100%+100%，也就是说具有百分之百的灵活度。这就是说手爪可自任意方向接近物体，也可以将物体转换到任意姿势。五.计划进度表工作任务时间进行前期调研工作，查阅相关的国内外资料，写出前提报告，对所查资料进行文献综述3月5日3月16日讨论制定初步结构设计方案3月17日3月23日三维设计3月24日4月7日中期报告、三维设计4月8日4月15日三维设计修改4月16日4月22日绘制二维装配图和零件图4月23日5月18日编写设计说明书，上交设计资料5月19日5月25日修改5月26日6月1日设计（论文）定稿6月2日6月8日答辩6月9日6月12日六参考文献1李一平. 水下机器人过去、现在和未来.自动化博览. 2002年第3期. 153-1552童大焕. 日本核泄漏如何影响世界. 中国远洋航务. 2011年04期3徐玉如，庞永杰，甘永，孙玉山. 智能水下机器人技术展望. 智能系统学报. 2006年01期4徐玉如，马鹏超. 水下机器人发展趋势. 自然杂志. 2011年03期. 125-1305森恩方，庞永杰，卞红雨. 水下机器人技术. 机器人技术与应用. 2003年03期6 徐文强. 机电一体化技术的现状及其发展趋势J.硅谷，2010.7 姒柏昌,鲁月琴. 机电一体化技术的发展历程和趋势J中小企业管理与科技(下旬刊),2009:85-86.8 李文鹏. 机电一体化技术进展及发展趋势研究J.现代商贸工业，2009,(4):286-287.9蒋新松，丰锡胜=盛，王棣棠. 水下机器人. 沈阳：辽宁科学技术出版社. 2000: 125-131页10谭定忠，张立勋等. 一种用于深海作业的智能机械手. 传感器技术. 1999，18(1)34-35页11马厦飞. 主从式多功能水下机械手结构设计要点浅析. 海洋技术. 1991. 10（4）：60-65页12沈阳市机床工业公司七·二一大学编著. 工业机械手. 辽宁人民出版社. 1979年13主编郭洪红. 工业机器人技术西安电子科技大学出版社. 2006年3月14 Thomas Lindsay Richard P Paul. Design Of A Tool-Surrounding Compliant Instrumented Wrist. Technical Reports (CIS). April 199115Adam 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,200716Development of tether mooring type underwater robots:Anchor diver and. Tokyo Institute of TechnologyRecieved23,March 2011,revised 28,April 2011