轻型垃圾清理机械手设计与运动仿真开题报告.doc

毕业设计（论文）
开 题 报 告

1 选题的背景和意义
工厂金工车间的切屑垃圾多，目前用铲子清理垃圾，操作困难，费力，有时还会划伤操作者，有一定的安全隐患；在乡村河道中，污物多为水草、青苔、树枝、树叶、木材以及泥沙等；在沿海，污物多为海草、贝壳及海生物等；另外，有医疗垃圾、建筑垃圾、生活垃圾等；这些垃圾污染环境，清理困难，为改变这一现状，设计了清理垃圾机械手，用以抓垃圾，运垃圾，卸垃圾，实现清理垃圾机械化。该机械手既减轻操作者的劳动负荷，又提高了生产效率，有较大的应用推广价值[1]。
1.1 选题的背景
机械手是指能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。机械手是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人，它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。随着我国经济的腾飞，国家在工业方面也得到了迅猛发展，机械手作为工业生产中非常重要的一种工具，对其技术的不断突破也变得日趋重要，目前，机械手的种类大至可按驱动方式分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等[3]。
用机械手作为垃圾清理的对象既可以节约人力，而且对工人的安全也起到了一定的保障作用，而且对于生产效率也有一定程度的提高。
1.2 国内外研究现状及发展趋势
1954年，被称为“机器人之父”的美国科学家George Devol取得了附有重放必然结果。1970年，机器入学界早期的改革家之一，Victor Schenman在斯坦福大学演示了一种计算机控制的机械手，这就是非常著名的斯坦福机械手。
70年代以后，机械手和以机械手为核心的自动化设备在工业发达国家，尤其在日本，有了广泛的应用。由机械手与其它设备组成的生产线极大的提高了企业的劳动生产率，提高和稳定了产品质量，大大缩短了产品更新换代的周期。
80年代，人们为了让机器人技术向各行各业扩展、应用，于是有了用于社会服务、海洋开发、宇宙窄间、地下采矿、军事作战、救灾抢险等领域的机器人。
到了上世纪90年代，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展和它们之间的相互整合，机械手技术得到了飞速发展。现代控制理论使得机械手控制系统的性能进一步提高[3]。
近年来，随着人类活动领域的进一步扩大，人们对非制造业用机械手的研究空前活跃起来。这些行业与制造业相比，其主要特点是工作环境的非结构化和不确定性，因而对机械手的要求更高，需要机械手具有对外感知能力以及局部的自主规划能力等[5]。核工业用机械手，国外的研究主要集中在机构灵巧，动作准确可靠、反应快、重量轻、刚度好、便于装卸与维修的高性能伺服手。目前，机械手技术发达的国家都在竞相开发地下机械手、医用机械手、建筑用机械手、军用机械手、平面机械手[7]，并已经取得了一些卓有成效的结果。
2 研究的基本内容
（1）轻型垃圾车机械手的整体结构设计；
　　（2）机械手传动结构的设计；
（3）机械手运动的设计；
（4）机械手主要部件的运动仿真；
2.1 基本框架
（1）分析运动方式：确定合适的机械手运动方式。
（2）确立原理方案：以机械设计和机械原理为基础确立合适的原理方案。
（3）总体结构方案：总体设计满足功能要求的运动方式和运动范围。
（4）设计计算：包括机械手的连杆等的计算、各部位的受力分析以及轻型垃圾车各部件尺寸的计算。
（5）动态仿真：用UG画出整机的三维装配图，再对主要运动部件进行运动仿真。
2.2 研究的重点和难点
（1）垃圾车整体的平衡。
（2）合理设计机械手的传动方式和运动方式。
（3）机械手抓物体时的受力情况的计算。
2.3 拟解决的关键问题
（1）机械手的设计应该满足上下运动、旋转运动、前后移动、手爪的张合等运动功能。
（2）设计中尽量避免机构中过多的磨损。
（3）采用合适的材料，对于整体结构控制在一定的长宽高范围内，以减轻机械手的自重。
（4）机械手有足够的力夹起垃圾，对于大型的垃圾有足够拉力拉起垃圾。
（5）利用运动仿真还原机械手的工作情况。
3 研究的方案及措施
3.1轻型垃圾车机械手的总体方案
该方案结构图中包括1 万向轮，2 手拉杆，3 车厢，4 拉杆，5 升降液压缸，6摇杆，7机械手，8转盘等组成。主体运动靠8 转盘，4 拉杆，6 摇杆在两个5升降液压缸的作用下带动，完成机械手的上下、左右、前后、升降运动。依靠8转盘的各方向自由运动带动各部件灵活转向与定位，完成左右、前后运动。升降液压缸5将摇杆6带动来控制机械手的上下、升降运动。垃圾车的运动主要靠底座下面安装4个滚轮，前两个滚轮9为万向轮。后两个滚轮l为固定轮，手拉杆2通过滚轮运动可使机械手手部在水平方向上达到不同位置。

1 固定轮 2 手拉杆 3 手动液压泵组件 4 立柱 5 升降液压缸
6摇杆 7机械手 8 转盘 9万向轮
图1 机械手原理图
3.2 机械手结构
机械手的由1 手爪，2 摇杆，3 机架，4升降液压缸等组成。机械手的运动靠4 升降液压缸的工作来工作，升降液压缸安装在3机架上，由其内部的活塞带动手爪的运动。而手部要求能实现两个运动动作，一是手爪l的张开，二是手爪l的闭合；手爪1的张开和闭合是由手部运动链来实现的，手部运动链是由两套平面六杆机构组成的组合机构组成，两套机构都固定于3机架上，手爪1既可通过升降液压缸带动运动，也可由机械手上的摇杆上下运动实现抓取和松开。其中平面六杆机构是由1个活塞杆5、2个摇杆2、2个手爪1和机架3构成。当活塞杆直线运动时，通过组合机构，实现四个手爪的张合运动。

1 手爪 2 摇杆 3 机架 4升降液压缸 5 活塞杆 6 连接板
图2 机械手结构图
4 预期成果
完成轻型垃圾车机械手设计，包括总体装配图、总体图、零件图各一套、三维运动仿真图一套，标准件列表以及设计说明书一份。
5 研究工作进度计划
2013.11.15～2012.12.31 完成前期准备材料
2014.1.1～2014.3.1 完成总体方案设计
2014.3.2～2014.3.31 完成轻型垃圾车主体结构设计
2014.4.1～2014.4.30 完成传动结构的设计
2014.5.1～2014.5.15 完成机械手的设计
2014.5.16 ～2014.5.30 完成设计说明书
2012.6.1～2014.6.15 整理各类文件，准备答辩
参考文献
[1] 王正刚，朱龙英，葛友华等．清理垃圾机械手的设计[J]． 机械设计与制造， 2009， 7： 65-67．
[2] 李忠晚．浅析机械手的现状和发展趋势[J]．管理观察，2011 (14)：165．
[3] 郭洪武．浅析机械手的应用与发展趋势[J]．中国西部科技，2012（10）：3-12．
[4] 一机部情报所．国内机械行业机械手应用与技术发展概况[J]．技术革新简报，2013（124）：63-64．
[5] 薛正卿．基于现场总线的工业机械手智能控制研究[D]．东华大学，2010：1-55．