研究生開(kāi)題報(bào)告-王文卓

經(jīng)典word整理文檔，僅參考，雙擊此處可刪除頁(yè)眉頁(yè)腳。本資料屬于網(wǎng)絡(luò)整理，如有侵權(quán)，請(qǐng)聯(lián)系刪除，謝謝！中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士研究生論文開(kāi)題報(bào)告年9中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)研究生院制填表時(shí)間2013年4月25日立論依據(jù)、課題研究意義水泥、化肥、糧食、面粉、飼料、農(nóng)副產(chǎn)品和礦產(chǎn)品等粉粒狀物料大都采用袋包裝運(yùn)輸，并且這些物料產(chǎn)量巨大，如2007年全國(guó)水泥產(chǎn)量達(dá)13．54億噸，其中袋裝水泥供應(yīng)量7．89億噸；2007年全國(guó)化肥產(chǎn)量達(dá)53048萬(wàn)噸；2007年全國(guó)的糧食年產(chǎn)量約為5015億噸；2008年全國(guó)水泥產(chǎn)量達(dá)13．9億噸；2008年全國(guó)化肥產(chǎn)量達(dá)5867．55萬(wàn)噸；2008年全國(guó)的糧食年產(chǎn)量約為5．12億噸。目前我國(guó)袋裝物料的倉(cāng)庫(kù)搬運(yùn)和裝卸運(yùn)輸方式主要是靠肩扛和小車?yán)?，不僅裝卸工人的勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低，而且是在粉塵的環(huán)境下工作，危害裝卸工人的身心健康。采用機(jī)器人裝卸袋裝物料具有抓取可靠、移動(dòng)靈活和擺放整齊等特點(diǎn)，可以減小袋裝物料的放置空間，便于倉(cāng)儲(chǔ)管理，并且減輕了裝卸工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高裝卸效率，減少環(huán)境污染。袋裝物料搬運(yùn)機(jī)器人既可以用在生產(chǎn)線上的物料搬運(yùn)堆垛，也可用于汽車等運(yùn)輸工具的裝卸堆垛，因此由機(jī)器人代替人工搬運(yùn)袋裝物料就成為一種合理的選擇，對(duì)袋裝物料搬運(yùn)機(jī)器人的研究也成為本世紀(jì)國(guó)內(nèi)建材行業(yè)研究的熱點(diǎn)之一。在我國(guó)擁有大量的袋裝物料需要進(jìn)行運(yùn)輸，如果應(yīng)用搬運(yùn)機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)，那么其應(yīng)用前景是極其廣闊的，它提高了袋裝物料搬運(yùn)的自動(dòng)化水平，提高了我國(guó)物流的技術(shù)、生產(chǎn)和管理素質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了提高裝卸效率的目的。本課題主要針對(duì)的火車車皮運(yùn)輸過(guò)程中的裝卸搬運(yùn)為研究對(duì)象，所以在車皮內(nèi)這樣狹小的空間里，人工的搬運(yùn)變得更加困難，而且由于火車的運(yùn)輸量極同時(shí)也就降低了搬運(yùn)的效率，這對(duì)物流運(yùn)輸來(lái)說(shuō)是增加成本的大問(wèn)題。因此具有柔性抓取性能的機(jī)械手的研發(fā)對(duì)大量的袋裝物資的裝卸搬運(yùn)有重大的意義。、國(guó)外研究現(xiàn)狀分析90目前絕大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人都是可編程控制的機(jī)器人，其主要特點(diǎn)在于它的通用性和靈活性。一些工廠已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)了包括應(yīng)用機(jī)器人、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)規(guī)劃、自動(dòng)設(shè)計(jì)、自動(dòng)制造和自動(dòng)管理等綜合生產(chǎn)過(guò)程的機(jī)器人化。目前世界上有95％的機(jī)器人都是工業(yè)機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人目前被廣泛應(yīng)用在傳統(tǒng)的機(jī)械制造業(yè)等領(lǐng)域中。其中汽車工業(yè)占第一位(28．9％)，電器制造業(yè)第二位(16．4％)，化工第三位(11．7％)。在西方發(fā)達(dá)國(guó)家，汽車工業(yè)中機(jī)器人應(yīng)用密度非常高，其中焊接機(jī)器人應(yīng)用量為最大。在其他行業(yè)，比如工程機(jī)械、電機(jī)、電器、化工等領(lǐng)域，也都裝配了大量工業(yè)機(jī)器人，主要的工業(yè)機(jī)器人有點(diǎn)焊、弧焊、噴涂、搬運(yùn)、裝配、包裝、碼垛等機(jī)日本雖然起步很晚，但是已經(jīng)成為世界機(jī)器人發(fā)展史上的典范。日本于1968年才擁有了第一臺(tái)機(jī)器人，之后不斷改進(jìn)機(jī)器人的性能，再加上日本產(chǎn)業(yè)界和政府的高度重視，使得日本逐漸取代美國(guó)成為“機(jī)器人王國(guó)”，目前它擁有全世界60％左右的機(jī)器人。日本在汽車制造和電器制造等工業(yè)領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人，擴(kuò)大了其經(jīng)濟(jì)在世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的競(jìng)爭(zhēng)地位。此外，俄羅斯、德國(guó)、法國(guó)、意大利等國(guó)家的機(jī)器人技術(shù)也處于很高的水平。發(fā)達(dá)國(guó)家的工業(yè)機(jī)器人已廣泛應(yīng)用于機(jī)械加工生產(chǎn)線上，而我國(guó)仍屬于一個(gè)新興的行業(yè)。尤其在機(jī)械行業(yè)，工業(yè)機(jī)器人的研究與應(yīng)用工作才剛剛起步，目前只有弧焊、搬運(yùn)等工序應(yīng)用于汽車制造、工程機(jī)械等少數(shù)80年代“七五”科技攻關(guān)開(kāi)始發(fā)展。在國(guó)家政策的支持下，通過(guò)“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前已基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器關(guān)鍵元器件，開(kāi)發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人。但總的來(lái)看．我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外相比還有一定的距離，主要表現(xiàn)在：可靠性較低；機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域較窄：生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)差距較大。目前，我國(guó)應(yīng)用的工業(yè)機(jī)器人3／4以上為國(guó)外進(jìn)口。但與前些年相比，我國(guó)機(jī)器人水平和工程應(yīng)用已經(jīng)得到了相當(dāng)?shù)陌l(fā)展，而且對(duì)工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用需求有逐年提高的趨勢(shì)。一方面。國(guó)內(nèi)越來(lái)越多的制造企業(yè)開(kāi)始把應(yīng)用機(jī)器人作為提高其競(jìng)爭(zhēng)力的主要途徑；另一方面，我國(guó)的科技界在將機(jī)器人技術(shù)成果轉(zhuǎn)化到應(yīng)用領(lǐng)域的過(guò)程中做出了一定貢獻(xiàn)。在國(guó)家“863”計(jì)劃中專門(mén)成立了機(jī)器人技術(shù)主題專家組，為企業(yè)的機(jī)器人應(yīng)用提供了良好的技術(shù)支持。目前在我國(guó)的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化基地有：中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所、哈工大機(jī)器人所、上海大學(xué)機(jī)電一體化中心、北京自動(dòng)化所等。搬運(yùn)機(jī)器人作為主要從事搬運(yùn)等動(dòng)作為主的工業(yè)機(jī)器人，搬運(yùn)機(jī)器人已被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、食品加工等生產(chǎn)制造過(guò)程中。它的發(fā)展主要經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展歷程：第一代搬運(yùn)機(jī)器入主要特征是示教再現(xiàn)型，具備各種遙控操作器。第二代搬運(yùn)機(jī)器人的主要特征是帶有傳感系統(tǒng)，可以離線編程。這種傳感系統(tǒng)使得機(jī)器人具有視覺(jué)、觸覺(jué)等功能，可以完成精密元件的檢測(cè)、裝配、物料裝卸等。它還有一定的決策及規(guī)劃能力；能根據(jù)人的命令，按所處環(huán)境自行決策，能夠自動(dòng)進(jìn)行軌跡規(guī)劃，目前該類搬運(yùn)機(jī)器人尚處于不斷研發(fā)過(guò)程之中。采用機(jī)器人搬運(yùn)物料具有抓取可靠、移動(dòng)靈活和擺放整齊等特點(diǎn)，可以規(guī)范物料的放置空間，便于倉(cāng)儲(chǔ)管理，并且減輕了裝卸工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高裝卸效率，減少環(huán)境污染?，F(xiàn)在工業(yè)機(jī)器人已獲得日益廣泛的應(yīng)用，隨著成組裝運(yùn)的發(fā)展，向貨板上裝貨作業(yè)呈現(xiàn)出自動(dòng)化的發(fā)展趨勢(shì)，出現(xiàn)了搬運(yùn)機(jī)器人，完成硬紙箱、塑料箱、袋狀物、油桶、罐頭盒等物品堆放與自動(dòng)搬運(yùn)等操作；特別是自動(dòng)倉(cāng)庫(kù)的出現(xiàn)，更加速了這種堆列搬運(yùn)機(jī)器人的廣泛應(yīng)用。在國(guó)外搬運(yùn)機(jī)器人的發(fā)展較快，在機(jī)械行業(yè)生產(chǎn)中的使用非常廣泛。日本、德國(guó)等國(guó)家在大批量生產(chǎn)如家電、食品、水泥、化肥等行業(yè)廣泛使用了搬運(yùn)機(jī)器人。日本安川公司的六軸SKl6機(jī)器入不僅可以滿足焊接和切削需求，而且還可以為機(jī)床或壓力機(jī)上物料，其有效負(fù)荷為16kg，最大工作半徑為1555mm，重復(fù)定位精度為±O．1mm。美國(guó)松下自動(dòng)化公司推出的VR一系列材料搬運(yùn)機(jī)器人，可以分別為8kg、16kg、32kg和120kg的重物，且該機(jī)器人可以進(jìn)行原料搬運(yùn)、機(jī)器裝卸和去除毛刺的操作；日本研制出的機(jī)器人自動(dòng)裝卸機(jī)，由機(jī)器人和傳送帶裝置結(jié)合，能在13秒種內(nèi)裝卸一件重量在30公斤左右的貨物；意大利博高馬(Procomac)公司開(kāi)發(fā)出名為法努克的卸垛機(jī)械人，能一起搬運(yùn)起托架及其上面的塑料瓶。我國(guó)“七五”、“八五”期間也有一些單位研制搬運(yùn)機(jī)器人，例如哈爾濱工業(yè)大學(xué)與海爾機(jī)器人公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)了注塑機(jī)取放料搬運(yùn)機(jī)器人。但在整體開(kāi)發(fā)與應(yīng)用水平上，較國(guó)外仍有較大的差距。在袋裝物料的搬運(yùn)方面，搬運(yùn)機(jī)器人主要應(yīng)用在生產(chǎn)線上。在日本的碼垛搬運(yùn)機(jī)器FUJIACE料快速抓取，并碼垛在托盤(pán)上。我國(guó)的哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所開(kāi)發(fā)了由自動(dòng)稱重、自動(dòng)包裝和物料袋自動(dòng)碼垛等系統(tǒng)組成的氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)器人自動(dòng)生產(chǎn)線，完成袋裝顆粒乙烯的自動(dòng)搬運(yùn)、排碼成垛。北京科技大學(xué)許紀(jì)倩等發(fā)表了米袋搬運(yùn)機(jī)器人工作站的文章，介紹了自動(dòng)化機(jī)器人工作站對(duì)5公斤和10公斤的米袋進(jìn)行定點(diǎn)搬運(yùn)、碼垛作業(yè)。在我國(guó)，水泥、化肥、糧食、面粉、飼料、農(nóng)副產(chǎn)品和礦產(chǎn)品等粉粒狀物料大多采用袋包裝進(jìn)行運(yùn)輸，且此類物料產(chǎn)量極其巨大。以水泥為例：2004年我國(guó)的水泥總產(chǎn)量為9．7億噸，其中袋裝水泥產(chǎn)量為6．5億噸，2005年水泥產(chǎn)量達(dá)到10．64億噸(中國(guó)水泥網(wǎng)報(bào)道)；據(jù)最新統(tǒng)計(jì)2006年我國(guó)水泥總產(chǎn)量達(dá)到122還能夠使工人從粉塵污染的環(huán)境中解放出來(lái)，保證工人的身心健康。目前使用搬運(yùn)機(jī)器人的領(lǐng)域還比較少，如何對(duì)袋裝物料搬運(yùn)機(jī)器人進(jìn)行研制，并推廣到生產(chǎn)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)成為非常迫切的需要。目前，國(guó)際上已產(chǎn)品化的搬運(yùn)碼垛機(jī)器人其型式主要分為三種，一種是直角坐標(biāo)型，二是空間多關(guān)節(jié)型，三是平面關(guān)節(jié)型。直角坐標(biāo)型機(jī)器人又分為橋架式與懸臂式兩種。橋架式直角便于產(chǎn)品化，但占用空間較大。懸臂式直角坐標(biāo)型機(jī)器人可與水平平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人歸并為一類?？臻g多關(guān)節(jié)型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)緊湊、機(jī)動(dòng)性好、效率高，但結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度較差，目前還缺乏有效的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法，而且制造加工工藝復(fù)雜，不便于產(chǎn)品化。平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人分為垂直平面關(guān)節(jié)型和水平平面關(guān)節(jié)型兩種。垂直平面關(guān)節(jié)型的特點(diǎn)與空間多關(guān)節(jié)型基本相同。水性能價(jià)格比低，但結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間最小。一方面需要在該剛體上選擇一個(gè)點(diǎn)并指定該點(diǎn)的位置，因此需要三個(gè)自由度來(lái)確定點(diǎn)的位置。另一方面，為了完全定位該剛體，除了確定物體上所選點(diǎn)的位置外，還需確定該物體的姿態(tài)，這仍需要三個(gè)自由度來(lái)表示。這就意味著需要六個(gè)自由度才能完全確定剛體的位置和姿態(tài)。同理，需要有六個(gè)自由度才能將某物體放置到空間的期望位姿上。顯然機(jī)器人的自由度越多，其動(dòng)作越靈活，通用性也越好。但自由度多，機(jī)器人結(jié)構(gòu)會(huì)變得復(fù)雜，成本也相應(yīng)增加，使用和維護(hù)也相對(duì)困難。因此，設(shè)計(jì)機(jī)器人必須對(duì)工作場(chǎng)合進(jìn)行合理分析，以規(guī)劃?rùn)C(jī)器人的自由度，既保證該機(jī)器人能夠靈活作業(yè)提高工作效率，又能夠具有相對(duì)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)、較低的成本。例如八腳機(jī)器人、蛇形機(jī)器人、機(jī)器人魚(yú)等，這些機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)更加靈活，能夠適應(yīng)在惡劣的條件下作業(yè)。關(guān)于末端夾持器，由于是機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)的重要部件。作為機(jī)器入的一部分，通常連接在最后一個(gè)關(guān)節(jié)上，與其他機(jī)構(gòu)連接并執(zhí)行夾持、搬運(yùn)等多種作業(yè)任務(wù)。末端夾持器往往不具備現(xiàn)在國(guó)外大量袋裝物資的堆垛方式普遍為真空吸吊式機(jī)械設(shè)備，具體的優(yōu)點(diǎn)在于操作方便，操作空間小，省時(shí)省力，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，能夠承受的最大重量遠(yuǎn)大于袋裝物資的常規(guī)重量，抓取可靠性高，另外真空吸吊機(jī)的驅(qū)動(dòng)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，不產(chǎn)生污染。這種形式的堆垛方式因?yàn)樵O(shè)備成本比較高在國(guó)內(nèi)還未被廣泛采用。末端夾持器的設(shè)計(jì)過(guò)程往往需要考慮其對(duì)被夾持物的適應(yīng)性(輪廓、尺寸、形狀)、抓取的準(zhǔn)確性、抓取方式等問(wèn)題。另外，夾持力的好壞也是評(píng)價(jià)夾持器的重要標(biāo)準(zhǔn)，它主要由3個(gè)因素決定：手部極限能力的約束，物體幾何形狀材料性質(zhì)的約束以及任務(wù)要求的限制。關(guān)于機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)分析，國(guó)內(nèi)外也已經(jīng)有了深入的研究。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析主要有兩個(gè)目的，一是根據(jù)機(jī)器人的各旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角推算出機(jī)器人末端執(zhí)行器的位姿；二是根據(jù)機(jī)器人末端位姿計(jì)算出各個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角。從運(yùn)動(dòng)學(xué)的角度講，前者是運(yùn)動(dòng)學(xué)正問(wèn)題，后者是運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問(wèn)題。正解問(wèn)題比較簡(jiǎn)單，現(xiàn)在大多數(shù)有關(guān)機(jī)器人正解問(wèn)題的研究都采用D．H方法。Danevit和Hartenberg空間坐標(biāo)關(guān)系，比如牛元會(huì)等詳細(xì)介紹了D．H坐標(biāo)系下機(jī)械手正向運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，以自行研制的熔片機(jī)中夾持機(jī)械手為分析對(duì)象，建立機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行了典型的正向運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，這種方法簡(jiǎn)化了解析計(jì)算，加快了迭代速度，同時(shí)求得的解具有使用性和代表性，對(duì)機(jī)械手的精密設(shè)計(jì)和計(jì)算具有普遍的適用意義。而求解逆解問(wèn)題是機(jī)器人機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題的難點(diǎn)之一，且在實(shí)際應(yīng)用中具有重要意義。例如，如何用最小的機(jī)構(gòu)尺寸獲得必要的工作空間，如何避開(kāi)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的奇異位置，以及分析機(jī)構(gòu)末端輸出誤差及實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡等問(wèn)題都需要機(jī)構(gòu)位置逆解。求解位置逆解的核心是求解一組非線性約束方程，目前求解位置逆解方法主要有幾何法和數(shù)值法。幾何法主要通過(guò)分析桿件在平面上的幾何關(guān)系，確定出極限位置，從而計(jì)算出位置可能的解，其特點(diǎn)是求解簡(jiǎn)單，避免一些復(fù)雜的矩陣計(jì)算，求解速度快。但幾何法有其局限性，只是應(yīng)用于特定的自由度比較少的機(jī)器人，無(wú)普遍性。數(shù)值法的優(yōu)點(diǎn)是建立數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)單，沒(méi)有繁瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，可求解任何并聯(lián)機(jī)構(gòu)，缺點(diǎn)是計(jì)算速度較慢，當(dāng)機(jī)構(gòu)接近奇異位形時(shí)不易收斂，很難求得全部位置解，結(jié)果與初值選取有直接關(guān)系。另外還有一個(gè)重要的方面就是關(guān)于機(jī)械手抓取力的控制方法的研究，現(xiàn)在已經(jīng)有很成熟的方法可以對(duì)抓取力進(jìn)行準(zhǔn)確的控制?；疑A(yù)測(cè)增量式PI力控制算法：只需要少數(shù)幾個(gè)數(shù)據(jù)就可以建立一個(gè)灰色模型，力控制器可以利用過(guò)去、當(dāng)前和未來(lái)的果蔬抓持力信息來(lái)計(jì)算合適的控制校正量對(duì)抓持力偏差進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償，控制器可以獲得超調(diào)量小和響應(yīng)快速的特點(diǎn)?；诜e分I+模糊PD的并行抓取控制算法：使力控制器借助人類抓取果蔬的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)確定合適的控制量對(duì)抓持力偏差進(jìn)行在線補(bǔ)償，使控制器獲得響應(yīng)快速、超調(diào)量小和調(diào)節(jié)時(shí)間短的控制性能，減小果蔬抓取損傷，是適合番茄等軟果蔬高速抓取的一種控制方法。采用氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制：機(jī)器手可實(shí)現(xiàn)對(duì)物體安全、柔順的抓取操作。單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制方法：比簡(jiǎn)單的PID控制方法在響應(yīng)速度和定位精度（柔順關(guān)節(jié)位綜上所述，我國(guó)在車皮內(nèi)的袋裝農(nóng)資裝卸搬運(yùn)的機(jī)械化程度不高，人力搬運(yùn)仍是比較普遍采用的方式。目前在國(guó)外大量袋裝物資的堆垛方式普遍為真空吸吊式機(jī)械設(shè)備，已經(jīng)基本告別了人力搬運(yùn)的時(shí)代，工業(yè)機(jī)器人的使用已相當(dāng)成熟和普遍。就我國(guó)而言，由于我國(guó)勞動(dòng)力資源豐富，人力的成本低，相反工業(yè)機(jī)器人的成本要高很多，所以工業(yè)機(jī)器人發(fā)展緩慢，導(dǎo)致我國(guó)物流裝卸搬運(yùn)的機(jī)械化仍處于起步的階段，同時(shí)