第一篇：开题报告-《上肢康复训练机器人设计》的论文 范文

开题报告范文-《上肢康复训练机器人设计》的论文

开题报告范文-《上肢康复训练机器人设计》的论文

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关键词：上肢康复训练机器人 青岛大学硕士开题报告范文 青岛论文 开题报告

一、选题的目的和意义

据统计,我国60 岁以上的老年人已有1.12 亿。伴随老龄化过程中明显的生理衰退就是老年人四肢的灵活性不断下降，进而对日常的生活产生了种种不利的影响。此外，由于各种疾病而引起的肢体运动性障碍的病人也在显著增加，与之相对的是通过人工或简单的医疗设备进行的康复理疗已经远不能满足患者的要求。随着国民经济的发展，这个特殊群体已得到更多人的关注，治疗康复和服务于他们的产品技术和质量也在相应地提高，因此服务于四肢的康复机器人的研究和应用有着广阔的发展前景。

目前世界上手功能康复机器人的研究出于刚起步状态，各种机器人产品更是少之又少，在国内该领域中尚处于空白状态，临床应用任重而道远，因此对手功能康复机器人的研究有广阔的应用前景和重要的科学意义。

目前大多数手功能康复设备存在以下一些问题：康复训练过程中，缺乏对关节位置、关节速度的观测和康复力的柔顺控制，安全性能有待提高大多数手功能康复设备没有拇指的参与感知功能差，对康复治疗过程的力位信息和康复效果不能建立起有效地评价。本课题针对以上问题，采用气动人工肌肉驱动的手指康复训练机器人实现手指康复训练的多自由度运动，不仅降低了设备成本，更重要的是提高了系统对人类自身的安全性和柔顺性，且具有体积小，运动的强度和速度易调整等特点。

课题的研究思想符合实际国情和康复机器人对系统柔顺性、安全性、轻巧性的高要求。它将机器人技术应用于患者的手部运动功能康复，研究一种柔顺舒适、可穿戴的手功能康复机器人，辅助患者完成手部运动功能的重复训练，其轻便经济、穿卸方便，尤其适于家庭使用，既可为患者提供有效的康复训练，又不增加临床医疗人员的负担和卫生保健。

综上所述，气动人工肌肉驱动手指康复训练机器人的设计是气压驱动与机器人技术相结合在康复医学领域内的新应用，具有重要的科学意义。

二、国内外研究动态 2.1 国外研究动态

美国是研究气动肌肉机构最多的国家，主要集中在大学。华盛顿大学的生物机器人实验室从生物学角度对气动肌肉的特性作了深入研究，从等效做功角度建模，并进行失效机理分析，代写论文制作力假肢和仿人手臂用于脊椎反射运动控制研究。

vanderbilt 大学认知机器人实验室(cognitive robotics lab, crl)研制了首个采用气动肌肉驱动的爬墙机器人，并应用于驱动智能机器人(intelligent soft-arm control, isac)的手臂。

伊利诺伊大学香槟分校的贝克曼研究所对图像定位的5自由度soft arm 机械手采用神经网络进行高精度位置控制和轨迹规划。亚利桑那州立大学设计了并联弹簧的新结构气动肌肉驱动器，可以同时得到收缩力和推力，并与工业界合作开发了多种用于不同部位肌肉康复训练的小型医疗设备。

英国salford 大学高级机器人研究中心对气动肌肉的应用作了长期的系统研究，开发了用于核工业的操作手、灵巧手、仿人手臂以及便携式气源和集成化气动肌肉，目前正在研究10 自由度的下肢外骨骼以及仿人手的远程控制。

法国国立应用科学学院(instituted national dissidences appliqués, insa)研究了气动肌肉的动静态性能和多种控制策略，目前正在研制新型驱动源的人工肌肉以及在远程医疗上的应用。

比利时布鲁塞尔自由大学制作了新型的折叠式气动肌肉用于驱动两足步行机器人，实现了运动控制。日本bridgestone 公司在rubber tauter 之后又发明了多种不同结构的气动肌肉。德国festoon 公司发明了适合工业应用的气动肌腱fluidic muscle，寿命可达1000万次以上，同时还对气动肌肉的应用作了许多令人耳目一新的工作。英国shadow 公司研制了目前世界上最先进的仿人手。美国的kinetic muscles 公司与亚利桑那州立大学合作开发了多种用于肌肉康复训练的小型医疗设备。

lilly采用基于滑动模的参数自适应控制策略，实现了单气动肌肉驱动的关节位置控制。2.2 国内研究动态

自20 世纪90 年代以来，我国陆续开始了气动肌肉的研究。北京航空航天大学的宗光华较早开始气动肌肉的研究，分析了其非线性特性、橡胶管弹性及其自身摩擦对驱动模型的影响，并应用于五连杆并联机构，通过刚度调节实现柔顺控制。

上海交通大学的田社平等运用零极点配置自适应预测控制、非线性逆系统控制以及基于神经网络方法，实现单自由度关节的快速、高精度位置控制。

哈尔滨工业大学的王祖温等分析了气动肌肉结构参数对性能的影响、气动肌肉的静动态刚度特性以及与生物肌肉的比较，提出将气动肌肉等效为变刚度弹簧，设计了气动肌肉驱动的具有4 自由度的仿人手臂、外骨骼式力反馈数据手套和6 足机器人，采用输入整形法解决关节阶跃响应残余震荡问题。

北京理工大学的彭光正等先后进行了单根人工肌肉、单个运动关节以及3 自由度球面并联机器人的位置及力控制，采用了模糊控制、神经网络等多种智能控制算法，并设计了6 足爬行机器人和17 自由度仿人五指灵巧手。

哈尔滨工业大学气动中心的隋立明博士也通过实验得到了气动人工肌肉的一个更简洁的修正模型和经验公式并对两根气动人工肌肉组成的一个简单关节系统进行实验建模和采用位置闭环的控制方法进一步验证气动人工肌肉的模型。

上海交通大学的林良明也对气动人工肌肉的轨迹学习控制进行了仿真研究给出了学习的收敛性的初步结论为下一步的学习控制奠定了基础。其中田社平通过对气动人工肌肉收缩在频率域上的数学模型并对它的结构及其静动态特性进行了理论分析建立了相应的静态力学方程。

2003年付大鹏等，以机械手抓取物体为分析对象，采用矩阵法来描述机械手的运动学和动力学问题，以四阶方阵变换三维空间点的齐次坐标为基础，将运动、变换和映射与矩阵计算联系起来建立了机械手的运动数学模型，并提出了机械手运动系统优化设计的新方法，这种方法对机械手的精密设计和计算具有普遍适用意义。

2005年车仁炜，吕广明，陆念力对5自由度的康复机械手进行了动力学分析，将等效有限元的方法应用到开式的5自由度的康复机械手的动力分析中，这种方法比传统的分析方法建模效率高、简单快捷，极其适合现代计算机的发展，的除了机械臂的动力响应曲线，为机械手的优化设计及控制提供理论依据。

2008年北京联合大学张丽霞，杨成志根据拿取非规则物品的任务要求，采用转动机构和连杆机构相结合，设计了五指型机器手，手指弯曲电机与指间平衡电机耦合驱动，实现了机器手的多角度张开、抓握运动方式,对实用型仿人机器手的机构设计有参考意义。

2009年杨玉维等人对轮式悬架移动2连杆柔性机械手进行了动力学研究与仿真。采用经典瑞利.里兹法和浮动坐标法描述机械手弹性变形与参考运动间的动力学耦合问题，综合利用拉格朗日原理和牛顿.欧拉方程并在笛卡尔坐标系下，以矩阵、矢量简洁的形式构建了该移动柔性机械手系统的完整动力学模型并进行仿真。

2009年罗志增，顾培民研究设计了一种单电机驱动多指多关节机械手，能够很好的实现灵巧、稳妥的抓取物体，这个机械手共有4指12个关节。每个手指有3个指节，由两个平行四边形的指节结构确保手指末端做平移运动，这种设计方案很好的实现了控制简单、抓握可靠的目的。

从目前来看，国内对气动人工肌肉的研究仍处于刚起步的阶段。有关气动人工肌肉的研究与国外还有相当的差距对气动人工肌肉中的许多问题，还没有进行深入的研究。此外，采用气动人工肌肉作为机器人驱动器的研究还不成熟。

三、主要研究内容和解决的主要问题

目前大多数手功能康复设备存在以下一些问题:康复训练过程中，缺乏对关节位置、关节速度的观测和康复力的柔顺控制，安全性能有待提高大多数手功能康复设备没有拇指的参与感知功能差，对康复治疗过程的力位信息和康复效果不能建立起有效地评价。为此，课题主要研究内容：设计一种结构简单，易于穿戴，并且安全、柔顺、低成本，使用方便的气动手功能康复设备。对气动手指康复系统进行机构运动学分析、用mat lab软件对康复训练机器人的康复治疗过程的力位信息进行仿真分析。

要实现上述的目标，系统中需要着重解决的关键技术有：(1)基于已有上肢康复训练机器人外骨骼机械手机械结构部分的设计，对手指康复训练方法分析和提炼。主要包括：人手部的手指弯曲抓握动作分析，气压驱动关节机构自由度的优化配置。使机械手能够实现手指的弯曲、物体的抓握等手部瘫痪患者不能实现的动作。(2)对机器人机械机构的运动学分析。主要包括：气压驱动的手指关节外骨骼机械机构的运动学分析。

(3)机器人机构的力位信息仿真。主要包括：用mat lab软件进行机器人气压驱动终端的力位信息 仿真。

根据总体方案设计以及工作量的要求，外附骨骼机械手系统是上肢康复训练机器人的一部分，本文主要是研究手指康复机械系统运动学、动力学分析工作。

四、论文工作计划与方案 论文工作计划安排：

2010年9月2011年6月准备课题阶段：

主要工作：学习当今最先进的机器人设计技术学习用matlab软件进行计算仿真及优化，查阅国内外的资料，对康复机械手作初步了解。2011年7月2011年9月课题前期阶段

主要工作：课题方案设计，拟写开题报告，开题。2011年10月2012年7月课题中期阶段

主要工作：开始具体课题研究工作，根据已有上肢康复训练机器人外骨骼机械手机械结构部分设计，对手指康复训练方法分析和提炼。研究手指康复机械系统运动学、动力学分析工作。2012年8月2012年12月课题后期阶段

主要工作：对手指康复机器人进行模拟仿真，对设计进行优化，并在此基础上进一步完善课题。

2013年1月2013年4月结束课题阶段

主要工作：整理相关资料，撰写论文，准备进行毕业论文答辩。2013年5月2013年6月论文答辩阶段 主要工作方案：

1.完成学位课与非学位课学习的同时，进行市场调研，对手指康复机械手作初步了解。

2.查阅资料，了解气动手指康复机器人的国内外发展现状。3.分析已有上肢康复训练机器人外骨骼机械手机械结构的部分设计。

4.对现有手指康复训练方法设计进行分析和提炼，分析其优缺点。5.开始具体设计工作。6.matlab进行模拟仿真。7.撰写论文。

第二篇：工业机器人开题报告

工业机器人开题报告

一、选题的目的和意义：

工业机器人在工业生产中能代替人做某些单调、频繁和重复的长时间作业，或是危险、恶劣环境下的作业，例如在冲压、压力铸造、热处理、焊接、涂装、塑料制品成形、机械加工和简单装配等工序上，以及在原子能工业等部门中，完成对人体有害物料的搬运或工艺操作。广泛采用工业机器人，不仅可提高产品的质量与产量，而且可以保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本。因此，研究和设计各种用途的机器人特别是工业机器人、推广机器人的应用是有现实意义的。由于工业机器人具有一定的通用性和适应性，能适应多品种中、小批量的生产，70年代起，常与数字控制机床结合在一起，成为柔性制造单元或柔性制造系统的组部分。

二、国内外研究综述：

20世纪50年代末，美国在机械手和操作机的基础上，采用伺服机构和自动控制等技术，研制出有通用性的独立的工业用自动操作装置，并将其称为工业机器人；60年代初，美国研制成功两种工业机器人，并很快地在工业生产中得到应用；1969年，美国通用汽车公司用21台工业机器人组成了焊接轿车车身的自动生产线。此后，各工业发达国家都很重视研制和应用工业机器人。我国工业机器人起步于70年代初期，经过20多年的发展，大致经历了3个阶段：70年代的萌芽期，80年代的开发期和90年代的适用化期。

我国工业机器人经过20多年的发展已经初具规模。目前我国已生产出部分机器人关键元器件，开发出弧焊、点焊、码垛、装配、搬运、注塑、冲压、喷漆等工业机器人。一批国产工业机器人已服务于国内诸多企业的生产线上；一批机器人技术的研究人才也涌现出来。一些相关科研机构和企业已掌握了工业机器人操作机的优化设计制造技术；工业机器人控制、驱动系统的硬件设计技术；机器人软件的设计和编程技术；运动学和轨迹规划技术；弧焊、点焊及大型机器人自动生产线与周边配套设备的开发和制备技术等。某些关键技术已达到或接近世界水平。

虽然中国的工业机器人产业在不断的进步中，但和国际同行相比，差距依旧明显。从市场占有率来说，更无法相提并论。工业机器人很多核心技术，目前我们尚未掌握，这是影响我国机器人产业发展的一个重要瓶颈。

在发达国家中，工业机器人自动化生产线成套设备已成为自动化装备的主流及未来的发展方向。国外汽车行业、电子电器行业、工程机械等行业已经大量使用工业机器人自动化生产线，以保证产品质量，提高生产效率，同时避免了大量的工伤事故。全球诸多国家近半个世纪的工业机器人的使用实践表明，工业机器人的普及是实现自动化生产，提高社会生产效率，推动企业和社会生产力发展的有效手段。

机器人技术是具有前瞻性、战略性的高技术领域。国际电气电子工程师协会IEEE的科学家在对未来科技发展方向进行预测中提出了4个重点发展方向，机器人技术就是其中之一。一个国家要引入高技术并将其转移为产业技术（产业化），必须具备5个要素即5M:Machine/Materials/Manpower/Management/Market。广泛使用机器人是实现工业自动化，提高社会生产效率的一种十分重要的途径。我国正在努力发展工业机器人产业，引进国外技术和设备，培养人才，打开市场。

三、毕业设计（论文）所用的主要技术与方法：

在本次设计中，拟应用到的文献涉及机械原理机械设计类，机械绘图类，机械工程控制类，机械工程材料和力学以及工业机器人或工业机器人手臂相关的资料，在设计过程中这些材料可以首先帮我们从整体上了解与机器人手臂相关的技术以及现在国内外的发展趋势；其次，利用这些资料，可以在设计过程中进行合理的结构分析和设计方案的初步制定；最后，机器人手臂设计过程中的所需材料的选择，设计与校核计算，运动过程的控制以及其他的注意事项，都可以在相关文献资料中得到一些指导与帮助。

机器人本体由机座、腰部、大臂、小臂、手腕、末端执行器和驱动装置组成。共有六个自由度，依次为腰部回转、大臂俯仰、小臂俯仰、手腕回转、手腕俯仰、手腕侧摆。机器人采用电动机驱动。这种驱动方式具有结构简单、易于控制、使用维修方便、不污染环境等优点，这也是现代机器人应用最多的驱动方式。为实现机器人灵活自由地移动，驱动系统使用了蓄电池供电。电动机可以选择步进电机或直流伺服电机。使用直流伺服电机能构成闭环控制，精度高，额定转速高，但价格较高，而步进电机驱动具有成本低，控制系统简单的优点。确定这种机器人的6 个关节都采用步进电驱动，开环控制。各部件组成和功能描述如下：(1)底座部件： 底座部件包括底座、回转部件、传动部件和步进电机等。底座部件固定在自动引导车（AGV）上，支持整个操作机，步进电机固定在底座上，一级同步带传动将运动传递到腰部回转轴，同时起到减速作用。2)腰部回转部件： 腰部回转部件包括腰部支架、回转轴、支架、谐波减速器和步进电机、制动器等。作用是支承大臂部件，并完成腰部回转运动。在腰部支上固定着驱动大臂俯仰和小臂俯仰的电机。(3)大臂部件：包括大臂和传动部件。(4)小臂部件：包括小臂、减速齿轮箱、传动部件、传动轴等，在小臂前端（靠近大臂的一端）固定驱动手腕三个运动的步进电机(5)手腕部件：包括手腕壳体、传动齿轮和传动轴、机械接口等(6)末端执行器： 为抓取不同形状、不同材质的物体，末端执行器设计得开合范围比较大，为 0～100mm。考虑在指尖的平面上贴传器片，进行力的控制。

四、主要参考文献与资料获得情况：

[1].孟庆鑫、王晓东.《机器人技术基础》.哈尔滨工业大学出版社，2006.[2].董华梁、彭文生.《机械设计基础》.高等教育出版社，2007.[3].周伯英.《工业机械人设计》.机械工业出版社，1995 [4].郑堤、唐可洪.《机电一体化设计基础》.机械工业出版社，1997 [5].张铁、谢存禧.《机械人学》.华南理工大学出版社，2004 [6].曲兴华.《仪器制造技术》.机械工业出版社，2010 [7].柳晖.《互换性与技术测量基础》.华东理工大学出版社，2006 [8].沈鸿.《机械工程手册》.机械工业出版社，1983

五、毕业设计（论文）进度安排（按周说明）第5-6周 收集并整理相关资料

第7-8周 研究资料、编写开题报告

第9-10周 完成毕业设计论文的初稿

第11-12周 根据指导教师意见，修改和完善论文 第13-14周 进一步完善论文，定稿并装订成册 第15-17周 准备毕业答辩，提交论文

第三篇：机器人设计论文

绿化植树机器人设计

摘要：

这个机器人是针对大量绿色植树而设计的，利用机械四足作为其活动方式，机器人通过视频识别系统在有限范围内对地形与植被作出判断，然后通过自动行走系统移动到目标地点前面，再通过机械手取出携带的植物幼苗，通过这个可以360度旋转的机械臂进行种植工作，机械臂可以进行种植、培土、等工作。种植完成后还将用一层可分解的塑料薄膜覆盖植物幼苗，保证其在能够自行成长前的安全。

关键词：

绿化植树、四足行走、山坡作业、视频识别、机械臂操作

设计背景：

地球现在正面临着绿色植被在不断减少的危机，而人类也因为这样要面对日益严峻的环境问题。大量植树还原绿色植被是一个相当重要的手段来解决这个难题，但是依靠人力去做的话，效率始终不够高。所以在这里我想设计一个专门用于大作业量的绿化植树机器人。

设计思路：

这个机器人，是需要面对山坡这样的陡峭地形的，由于特殊的使用环境，机器人的活动方式要求能够灵活的应对颠簸不平的土地，机械四足需要能够根据不同的地势调整四足的高度，确保平稳的行走，这种活动方式才能使机器人轻松到达山崖大部分位置。移动起来必须十分的轻巧，以避免对其他植物的伤害。由于这个机器人对视频识别有着较高的要求，所以必须在这方面有所突破，同时当发现有杂草或者有害植物的时候，还可以通过高温蒸汽将其杀死，来保证种植的植物幼苗的生长。360度旋转的机械臂可以保证种植过程的顺利进行。

详细具体设计方案：

一． 整体结构：

1.整个机器人分成上下两大部分，上部分是机械手臂，主要实现机器人的整个种植操作，下部是机器人的机身和四足，包括：植物幼苗存放仓、红外线距离测量仪、摄像头、电脑处理系统。

2.机器人是通过电力驱动的，所以必须携带储电池，也是安装在机身。二． 中央处理系统：

机器人的机身将安装一个中央处理系统，作为机器人的大脑，它主要调节机器人三大系统：机械四足行走系统、机器人视觉系统、机械臂控制系统。中央处理系统要接收和分析红外线距离测量仪、摄像头、机械臂传感器等反馈信息，以及控制四足的行进系统、机械臂操作等。三． 机械四足行走系统： 1.机械四足的形状：

一开始的时候，我曾经很困惑于如何把握行走稳定与行走速度之间的平衡，后来设想出仿人类四肢的关节加上圆形的脚盘这个方案，总体感觉可以满足行走的需要。2.如何实现行进：

参考了机械小狗的设计，将机械四足连接在机器人的中央处理系统而成为一个整体，接受中央处理系统的控制。每次改变一个机械足的位置，实现整个机器人的行

走。

3.如何保持位置稳定：

在机器人机身安装有3个红外线距离探测器，当机器人识别到了目标之后，三个探测器同时从3个方向测量其与目标的实时距离，这样就可以确定机器人和目标的相对三维位置。确定了相对位置之后，将数据传送给中央处理系统。再次调节四足关节处的角度以及脚盘关节处的角度，让机器人可以平稳的站立。四． 机器人视觉系统：

1.识别原理：

当机器从人移动到距离目标五米范围内，就开始识别目标的过程了。负责识别目标地点的摄像头就安装在机身上。

识别的工作原理是根据环境颜色和形状的不同作判断，再通过视频摄像和经过中央处理系统程序计算识别出来的。2.摄像头要求：

由于工作需要，摄像头的视角范围必须足够大。因此摄像头的形状设计为圆球形，好像眼球一样可以转动。

五． 机械臂夹持系统：

当目标已经识别出来之后就应该开始收集工作了。这个机器人的收集垃圾的工作是通过外夹式机械臂来完成的。1.手指类型：结合课堂知识，机械臂的手指类型选择是由被握持物件的形状、尺寸、重量、材质及表面状态的不同而决定的。由于这个机器人针对的目标是装有植物幼苗的器皿，因此机械手指的设计采用针对圆柱形物件的特殊中空手指，你也可以说没有手指，可以直接将圆柱状的幼苗器皿卡住，种入泥土中。另外内面将采用柔性材料镶衬橡胶来增加摩擦力。

2.驱动装置：采用直流伺服电机驱动机械臂的各个关节。3.除草系统：通过识别系统识别出杂草或者有害植物的时候，还可以通过手臂中的高温蒸汽将其杀死，来保证种植的植物幼苗的生长。

六． 植物幼苗存放仓：

植物幼苗存放仓将安装在机器人机身上部，以轻型塑料制作，为仓盒状，可以有透明的材料遮挡恶劣的天气环境。仓的下部安装有平衡测试仪器，防止装幼苗的时候由于重心变化而导致机身倾斜。七． 可能遇到的实际问题：

这只是一个机器人的理论设计而已，我也想到了一些实际上可能遇到的问题，比如：具体的行走效率有多高？遇到坡度太大的地形，如何保证安全的攀登上去？机器人是采用电力驱动的，但电池的体积和质量都不能太大，如何可以保证电力的持久供给？

简易设计图：

第四篇：搬运机器人毕业设计开题报告

广东技术师范学院

毕业设计（论文）开题报告

题目4-DOF搬运机器人的结构设计

专 业 名 称

飞行器动力工程

班 级 学 号

学 生 姓 名

指 导 教 师

填 表 日 期

2013 年 月 日

一、选题的依据及意义：

传统的工业机器人常用于搬运、喷漆、焊接和装配工作。工业现场的很多重体力劳动必将由机器代替,这一方面可以减轻工人的劳动强度,另一方面可以大大提高劳动生产率。搬运机器人是可以进行自动化搬运作业的工业机器人。最早的搬运机器人出现在1960年的美国，Versatran和Unimate两种机器人首次用于搬运作业。搬运作业是指用一种设备握持工件，是指从一个加工位置移到另一个加工位置。搬运机器人可安装不同的末端执行器以完成各种不同形状和状态的工件搬运工作，大大减轻了人类繁重的体力劳动。目前世界上使用的搬运机器人逾10万台，被广泛应用于机床上下料、冲压机自动化生产线、自动装配流水线、码垛搬运、集装箱等的自动搬运。部分发达国家已制定出人工搬运的最大限度，超过限度的必须由搬运机器人来完成。搬运机器人是近代自动控制领域出现的一项高新技术，涉及到了力学，机械学，电器液压气压技术，自动控制技术，传感器技术，单片机技术和计算机技术等学科领域，已成为现代机械制造生产体系中的一项重要组成部分。它的优点是可以通过编程完成各种预期的任务，在自身结构和性能上有了人和机器的各自优势，尤其体现出了人工智能和适应性。

应用搬运机器人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用搬运机械人可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都有搬运机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。

可见，有效的应用搬运机械手，是发展机械工业的必然趋势机械手是提高劳动生产率,改善劳动条件,减轻工人劳动强度和实现工业生产自动化的一个重要手段,国内外都很重视它的应用和发展。搬运机器人是典型的机电一体化数字化装备，技术附加值很高，应用范围很广，作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业，将对未来生产和社会发展起越来越重要的作用。

二、国内外研究概况及发展趋势：

（1）国内现状及发展趋势

工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。机器人的分类方法有多种, 按其应用可分为：工业机器人、军用机器人、农业机器人、服务机器人、水下机器人、空间机器人和娱乐机器人。搬运机械人的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性，如图

1、图2的搬运机器人。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。

图1.搬运机器人

图2.六自由度机器人

搬运机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，搬运机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，它更加促进了搬运机械手的发展，使得搬运机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。搬运机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，搬运机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用 国内搬运机械手的发展趋势主要可以概括为以下几点：

①搬运机械手性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)，而单机价格不断下降。

②机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化:由关节模块、连杆模块用重组方式构造搬运机械手整机;国外已有模块化装配搬运机械手产品问市。

③搬运机械手的控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化;器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构:大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。

④搬运机械手中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，搬运机械手还应用了视觉、力觉等传感器，⑤虚拟现实技术在搬运机械手中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制如使遥控机械手操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵搬运机械手。（2）国外现状及发展趋势

现代国际工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。因此其各种生产流水线以及物流管理中更是多元化的使用着气动机械手，如图3。其中化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。因此，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，搬运机器人就是为实现这些工序的自动化而产

生的。搬运机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。国外机械手工业、铁路工业中不仅在单机、专机上采用机械手上下料如图4，减轻工人的劳动强度。并和机床共同组成一个综合的数控加工系统。采用搬运机械手在流水线进行生产更是目前研究的重点，国外已研究采用摄象机和力传感装置和微型计算机连在一起，能确定零件的方位达到准确搬运的目的。

图3.气动搬运机械手

图4.自动上下料机械手

国外搬运机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的搬运机械手。使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。视觉功能即在搬运机械手上安装有电视照相机和光学测距仪（即距离传感器）以及微型计算机。

触觉功能即是在机械手上安装有触觉反馈控制装置。工作时机械手首先伸出手指寻找工作，通过安装在手指内的压力敏感元件产生触觉作用，然后伸向前方，抓住工件。总之，随着传感技术的发展机械手装配作业的能力也将进一步提高。更重要的是将搬运

机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。

三、研究内容及实验方案：

(1)主要研究内容

本文研究了国内外机械手发展的现状，通过学习机械手的工作原理，熟悉了搬运机械手的运动机理。在此基础上，确定了四自由度搬运机械手的基本系统结构，对搬运机械手的运动进行了简单的力学模型分析，完成了机械手机械方面的设计（包括传动部分、执行部分、驱动部分）和简单的三维实体造型工作。(2)主要实验方案

①根据系统的要求，选择机器人的坐标形式； ②确定驱动系统的类型；

③确定四自由度机器人的结构设计方案，进行力学校核； ④选择各部件的具体结构，进行机器人总装图的设计； ⑤绘制机器人的零件图，并确定尺寸； ⑥运用三维软件完成三维实体造型工作。

四、目标、主要特色及工作进度

(1)本课题研究的目标

以4-DOF SCARA机器人为研究对象，基于三维软件完成4-DOF SCARA机器人的结构设计及运动模拟。

要求机器人手爪最大负载能力是1.0kg 各轴运动范围为：0～360°,0～200°,0～200mm,0～200° 各轴最大运动速度≤1.8rad/s

(2)本课题需要解决的问题

完成4-DOF搬运机器人的结构设计，进行力学分析校核确保机器人工作的可靠性；画出机器人的各个零件图，同时运用三维软件画出实体图。(3)主要特色

本设计的特色就是设计一个小型气动搬运机器人，应用于工业自动化生产线，把工业产品从一条生产线搬运到另外一条生产线，实现自动化生产，减轻产业工人大量的重复性劳动，同时又可以提高劳动生产率。(4)计划和工作进度

①查阅相关资料，外文资料翻译，撰写题报告 2.20～3.15 4周②相关外文文献资料的阅读与翻译（6000字符以上）3.15～3.29 2周③总体传动方案设计 3.29～4.13 2周④零部件的结构设计 4.13～5.7 3周

⑤零部件的强度计算与校核 5.7～5.23 2周⑥撰写毕业论文 5.23～6.6 2周 ⑦毕业设计审查、毕业答辩 6.6～6.20 2周

五、参考文献

【1】马光 申桂英.工业机器人的现状及发展趋势[J].组合机床与与自动化加工技术，2002（3）

【2】曾孔庚.工业机器人技术发展趋势[J].机器人技术与应用, 2006,(06)【3】杜志俊.工业机器人的应用及发展趋势[J].机械工程师, 2002(5)【4】唐立平.基于PLC的四自由度机械手控制系统设计[D].江苏: 无锡职业技术学院, 2007年

【5】陈忠华.可编程控制器与工业自动化系统.机械工业出版社[M], 2006年 【6】彭坚.气动机械手及其PLC控制系统的设计与实现[J].通用机械, 2004.7(2):1-7 【7】王巍, 汪玉凤.基于PLC气动机械手研究[J].辽宁工程技术大学学报, 2005, 1(06): 55-68

【8】孙树栋主编.工业机器人技术基础[M].西安：西北工业大学出版社，2006年 【9】吴振彪主编.工业机器人[M].武汉：华中科技大学出版社，2004年

【10】谢存禧 张铁主编.机器人技术及其应用[M].北京：机械工业出版社，2008年 【11】G L Batten.Programmable Logical Controllers: hardware, software and applications.Mc Graw-Hill.1994 【12】SIEMENS AG.SIMATIC S7-200 Programmable Controller System Manual.2004 【13】Gao F,Li W M.New kinematic strctures for 2-,3-,4-,and 5-DOF parallel manipulator designs.Mechanism and machine Theory,2002,37：1395～1411 【14】Zlatanov D,Gosselin C M.A familiy of new parallel architectures with four degrees of freedom.Journal of Compulational Kinematics,2001(5)：57～66 【15】GASPARETTO A, ZANOTTO V.A new method for smooth trajectory planning of robot manipulators[J].Mechanism and Machine Theory, 2007, 42(4): 455–471

第五篇：《吸入式水面垃圾清理机器人设计》开题报告

开

题

报

告

毕业设计（论文）题目

吸入式水面垃圾清理机器人设计

题目类型

论文类£

作品设计类□

其他□

一、选题简介、意义

水域是生命之源，生命摇篮。然而，水受到的污染正愈发严重。目前水面垃圾主要是塑料、泡沫和生活废弃物，而这些难以降解的垃圾更容易被生物所寄居，助长物种入侵隐患。如果水面垃圾没有及时清理，经过水浸泡和风吹，会危及水质，尤其是在夏天，漂浮物在高温下霉烂，臭味传到方圆几公里，严重影响当地居民的生活质量，污染了当地的环境，也严重影响了居民的健康。

目前许多国家的河流、水域漂浮物污染十分严重，给人们的生存环境、投资环境和开发利用旅游资源等带来负面影响。举例来说：水葫芦在我国和北美、亚洲、大洋洲和非洲十分肆虐，使得许多水域原有生物大量灭绝，严重地破坏了生物多样性和生态平衡，导致河水发黑、发臭，河流、湖泊淤塞，相关水域赤潮频发。

传统的水面垃圾清理，主要是通过人为打捞，效率比较低，同时又消耗了大量的人力和财力，些是仅靠人力是很难完成的，而且生命安全很难保证。

本项目研制的吸入式水面垃圾清理机器人设计主要通过机械手段，同时有效利用电源来实现垃圾的收集。其最大的特点是效率大大提高，并且代替人为所不能进行作业的环境。本次设计模仿机器人的基本功能和设计思路，根据机器人要完成的任务和动作，结合机器人的特殊加工工艺，综合运用所学的基本理论、基本知识和相关的机械设计专业知识，完成符合市场需求的低成本高技术含量的水面垃圾清理机器人模型的创新设计。其中包括机器装置的原理方案构思和拟定；原理方案的实现、传动方案的设计；单片机控制系统的设计；PRO/E

3D仿真设计和造型；关键技术的分析与实现、主要结构的设计简图；设计计算与说明、设计小结。

二、课题综述（课题研究，主要研究的内容，要解决的问题，预期目标，研究步骤、方法及措施等）

研究内容：

本论文分为七章。第一章为绪论，主要介绍了选题目的、背景和意义及国内外的相关研究；第二章介绍了设计任务，包括设计的目标要求，动作要求等；第三章对水面垃圾清理机器人进行大体的介绍，包括整体机构和各机械机构；第四章是应用现代设计方法学对机器人的动作执行机构进行优化设计。所谓现代设计方法，就是就是区别于过去常用的传统设计理论和方法，包括设计方法学、优化设计、可靠性设计、有限元法、动态设计、计算机辅助设计、人工神经元计算方法、工程遗传算法智能工程、价值工程人机工程等。其特点主要有：系统性、社会性、创造性、最优性、动态性、智能化CA

化等。故用现代设计方法可以得到组成水面垃圾清理机器人的最优化机构，得到最优的方案。第五章介绍了水面垃圾清理机器人的控制系统，从经济实用的角度出发，完成了机器人控制系统的模块设计、电路设计及模块选型。第六章对双船体、槽轮等主要机构进行了理论计算，为设计提供了理论依据。第七章是在前几章的论述的基础上得出的结论，并对此次设计进行总结。

研究方法：

（1）

查阅相关资料

（2）

进行实地考察

（3）

向指导老师以及相关专业人员请假

三、设计（论文）体系、结构（大纲）

第一章

绪

论

1.1

选题目的、背景和意义

1.2

国内外文献综述

1.3

研究内容

第二章

设计任务

2.1

设计题目

2.2

设计的目标和要求

2.3

设计的内容

第三章

水面垃圾清理机器人概述

3.1

整体结构

3.2

整体结构说明

第四章

动作执行机构的优化设计

4.1设计方案

4.2功能提取与分解

4.3

原理求解的综合4.4方案的评价指标及多级递阶结构图

4.5方案概述

第五章

控制系统的设计

5.1视觉子系统

5.2

决策子系统

5.3

无线通讯子系统

第六章

理论设计计算

6.1双体船的设计

6.2旋转叶片主轴的设计

6.3槽轮的结构设计

6.4四杆和“风车”的结构和尺寸设计

6.5曲柄滑块机构的设计、计算分析

6.6齿轮传动计算

指导教师意见：

签字：

****年**月**日

院（系）审批意见：

签章：

****年**月**日