機(jī)械臂畢業(yè)論文
機(jī)械臂畢業(yè)論文
機(jī)械臂控制技術(shù)的進(jìn)步對(duì)提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化具重要意義。 下文是學(xué)習(xí)啦小編為大家整理的關(guān)于機(jī)械臂畢業(yè)論文的范文，歡迎大家閱讀參考!
機(jī)械臂畢業(yè)論文篇1
淺析采摘機(jī)械臂的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
摘要:采摘作業(yè)約占整個(gè)果蔬生產(chǎn)作業(yè)量的40%,自動(dòng)化程度仍然很低,目前國(guó)內(nèi)采摘作業(yè)基本上都是手工進(jìn)行,因此研究采摘機(jī)械臂具有巨大的應(yīng)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞:果蔬;采摘;機(jī)械臂;自由度
在果蔬生產(chǎn)作業(yè)中,采摘作業(yè)約占整個(gè)作業(yè)量的40%。采摘作業(yè)質(zhì)量的好壞直接影響到后續(xù)的儲(chǔ)存、加工和銷售。由于采摘作業(yè)的復(fù)雜性,其自動(dòng)化程度仍然很低,目前國(guó)內(nèi)采摘作業(yè)基本上都是手工進(jìn)行,研究采摘機(jī)械臂不僅具有巨大的應(yīng)用價(jià)值,而且具有深遠(yuǎn)的理論意義。
早在20世紀(jì)70年代,歐美國(guó)家和日本就開(kāi)始了對(duì)蘋果、柑桔、番茄、西瓜和葡萄等采摘機(jī)械臂的研究。1983年,美國(guó)研制出了第一臺(tái)番茄采摘機(jī)械臂。隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展,各個(gè)國(guó)家對(duì)采摘機(jī)械臂進(jìn)行了更加深入的研究。
1 多功能黃瓜采摘機(jī)械臂
1996年,荷蘭農(nóng)業(yè)環(huán)境工程研究所研制出一種多功能黃瓜采摘機(jī)械臂。研究是在荷蘭2hm2的溫室里進(jìn)行,整個(gè)機(jī)械臂由行走車、機(jī)械臂和末端執(zhí)行器組成,末端執(zhí)行器則由機(jī)械臂爪和切割器構(gòu)成,行走車上裝有完成采摘任務(wù)的全部硬件和軟件。為采摘任務(wù)的完成提供最初的定位服務(wù)。此采摘機(jī)械臂有7個(gè)自由度,采用三菱RV-E2型6自由度機(jī)械臂,在底座增加了一個(gè)線性滑動(dòng)自由度。溫室中黃瓜種植方式為高拉線纏繞方式吊掛生長(zhǎng)。在采摘過(guò)程中,機(jī)械臂對(duì)單個(gè)黃瓜進(jìn)行采摘,采摘成熟黃瓜過(guò)程中不傷害其它未成熟的黃瓜。
2 全自動(dòng)番茄采摘機(jī)械臂
2004年,美國(guó)加利福尼亞番茄機(jī)械公司推出了兩臺(tái)全自動(dòng)番茄采摘機(jī)械臂。這類采摘機(jī)械臂首先將番茄連枝帶葉割倒后卷入分選倉(cāng),倉(cāng)內(nèi)有能識(shí)別紅色的光譜分選設(shè)備,可以挑選出紅色的番茄,并將其通過(guò)輸送帶送入貨艙內(nèi)。這類番茄采摘機(jī)械臂每分鐘可采摘1噸多番茄,1小時(shí)可采摘70噸番茄。
3 柑桔采摘機(jī)械臂
西班牙研究人員發(fā)明了一種柑桔采摘機(jī)械臂,它是由一臺(tái)裝有計(jì)算機(jī)的拖拉機(jī)、一套視覺(jué)系統(tǒng)和一個(gè)機(jī)械臂組成,能夠從柑桔的大小、形狀和顏色判斷出是否成熟。這類機(jī)械臂每分鐘可摘柑桔60個(gè),并且摘下來(lái)的柑桔能夠按大小馬上分類。
4 關(guān)節(jié)型機(jī)械臂
日本早在20世紀(jì)80年代也開(kāi)始了對(duì)采摘機(jī)械臂的研究。1984年,日本Kyoto大學(xué)開(kāi)始了對(duì)番茄采摘機(jī)械臂的研究,并研制出了一個(gè)5自由度的關(guān)節(jié)型機(jī)械臂。1993年,日本Kondo等人研制的番茄采摘機(jī)械臂具有7個(gè)自由度,其末端執(zhí)行器由兩個(gè)機(jī)械手指和一個(gè)吸盤組成,視覺(jué)傳感器主要由彩色攝像機(jī)來(lái)尋找和識(shí)別成熟果實(shí),利用雙目視覺(jué)方法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位,行走裝置采用4輪結(jié)構(gòu)。與此同時(shí),Kondo等人還針對(duì)草莓的高架栽培模式和傳統(tǒng)模型研制出了相應(yīng)的草莓采摘機(jī)械臂。該機(jī)械臂具有5個(gè)自由度,視覺(jué)系統(tǒng)與番茄采摘機(jī)械臂類似,末端執(zhí)行器采用真空系統(tǒng)加螺旋加速切割器。
5 草莓采摘機(jī)械臂
國(guó)內(nèi)對(duì)采摘機(jī)械臂方面的研究始于20世紀(jì)90年代中期,相對(duì)于發(fā)達(dá)國(guó)家起步較晚,目前還處在起步階段,并且集中在高等院校和研究所進(jìn)行研究。
中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)張鐵中等在草莓采摘機(jī)械臂方面已取得喜人的成果;此外,中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)通過(guò)綜合運(yùn)用機(jī)器視覺(jué)、Bayes分類判別模式識(shí)別、機(jī)械設(shè)計(jì)、傳感器等技術(shù),對(duì)溫室黃瓜采摘機(jī)械臂的視覺(jué)系統(tǒng)及末端執(zhí)行器也做了大量試驗(yàn)性的研究。
6 視覺(jué)技術(shù)番茄采摘機(jī)械臂
南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的張瑞合等運(yùn)用雙目立體視覺(jué)技術(shù)對(duì)紅色番茄進(jìn)行定位,將成熟番茄與周圍干擾環(huán)境分開(kāi),在番茄采摘機(jī)械臂的視覺(jué)方面取得了很大的成績(jī)。
江蘇大學(xué)的陳樹(shù)人等人提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的番茄采摘機(jī)器人雙目視覺(jué)空間定位方法,構(gòu)建了采摘機(jī)器人雙目視覺(jué)實(shí)驗(yàn)硬件系統(tǒng),通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算建立了從圖像坐標(biāo)到世界坐標(biāo)的復(fù)雜映射關(guān)系的雙目視覺(jué)定位模型,而且針對(duì)重疊和被枝葉部分遮擋的成熟番茄以及受光照影響或成熟程度不同引起的邊界缺失,導(dǎo)致目標(biāo)空間定位誤差過(guò)大的問(wèn)題,通過(guò)引入主動(dòng)視覺(jué)和仿生學(xué)思想,區(qū)別傳統(tǒng)的番茄定位中所采用邊緣輪廓特征信息的配準(zhǔn)方法,提出了使用三維番茄表面信息的定位方法,滿足了機(jī)械臂采摘番茄的定位精度要求。
7 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的采摘機(jī)械臂
華南農(nóng)業(yè)大學(xué)在室內(nèi)模擬環(huán)境下對(duì)直徑大于4cm的紅色和黃色類果實(shí)圖像進(jìn)行了去噪、灰度變換、邊緣提取、圖像分割等操作,定量分析了各種顏色特征在分割中的表現(xiàn),找到了果實(shí)圖像分割的最合適的特征;除此之外,還建立了圖像處理系統(tǒng)的界面,并且將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于CCD攝像機(jī)標(biāo)定,確定了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)參數(shù),使系統(tǒng)根據(jù)采集到的左右圖像中目標(biāo)的形心坐標(biāo)直接得出其空間坐標(biāo)。
8 結(jié)語(yǔ)
目前研制成功的采摘機(jī)械臂除了上述幾種以外,還有葡萄采摘機(jī)械臂、蘑菇采摘機(jī)械臂、西瓜采摘機(jī)械臂和茄子采摘機(jī)械臂等。
參考文獻(xiàn)
[1] 方建軍.移動(dòng)式采摘機(jī)器人研究現(xiàn)狀與進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2004,2(20):273-275.
[2] 宋健,等.果蔬采摘機(jī)器人研究進(jìn)展與展望[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2006,5(37):158-160.
[3] 趙勻,等.農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究進(jìn)展及存在的問(wèn)題[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2003,1(19):20-23.
[4] 趙金英,等.西紅柿采摘機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)的目標(biāo)提取[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2006,10(37):201-203.
[5] 周增產(chǎn),等.荷蘭黃瓜收獲機(jī)器人的研究開(kāi)發(fā)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2001,6(17):77-80.
機(jī)械臂畢業(yè)論文篇2
淺談機(jī)械臂的研究與進(jìn)展
【摘要】將機(jī)械臂到目前為止的發(fā)展分為三個(gè)階段表述，第一代機(jī)械臂，即按事先示教的位置和姿態(tài)進(jìn)行重復(fù)的動(dòng)作的機(jī)械，第二代機(jī)械臂，即具有如視覺(jué)、觸覺(jué)等外部感覺(jué)功能的機(jī)械臂，第三代機(jī)械臂，這類機(jī)械臂除了具有外部感覺(jué)功能外，還具有規(guī)劃和決策的功能。并舉了相應(yīng)的幾個(gè)例子，通過(guò)一直來(lái)的發(fā)展推測(cè)了將來(lái)機(jī)械臂的發(fā)展方向。
【關(guān)鍵詞】機(jī)械臂;研究;發(fā)展
1.引言
隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，為了能更好地與環(huán)境進(jìn)行交互、操縱物體、完成任務(wù)，跟上智能化的步伐，機(jī)器人的操作終端，如機(jī)械臂、手爪的作用越來(lái)越重要。這對(duì)機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也提出了更高的指標(biāo)，要求高的負(fù)載自重比，操作更加靈活，強(qiáng)穩(wěn)定性和安全性等[1]。
2.機(jī)械臂的發(fā)展
機(jī)械臂(Manipulator)是模擬人的上臂而構(gòu)成的。為了保證機(jī)器人手部有6個(gè)空間自由度，其主動(dòng)關(guān)節(jié)數(shù)目一般為6。一般情況下，全部關(guān)節(jié)皆為轉(zhuǎn)動(dòng)型關(guān)節(jié)，而且其前3個(gè)關(guān)節(jié)一般都集中在手腕部。關(guān)節(jié)型機(jī)械臂的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間體積小，相對(duì)的工作空間最大，還能繞過(guò)基座周圍的一些障礙物，是機(jī)械臂中使用最多的一種結(jié)構(gòu)形式，比較典型的如PUMA[2]、SCARA[3]等。多關(guān)節(jié)機(jī)械臂[4]的優(yōu)點(diǎn)是：動(dòng)作靈活、運(yùn)動(dòng)慣性小、通用性強(qiáng)、能抓取靠近機(jī)座的工件，并能繞過(guò)機(jī)體和工作機(jī)械之間的障礙物進(jìn)行工作，目前廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線上。機(jī)械臂發(fā)展?fàn)顩r如下：
(1)第一代機(jī)械臂，即按事先示教的位置和姿態(tài)進(jìn)行重復(fù)的動(dòng)作的機(jī)械。它也可以簡(jiǎn)稱為示教/再現(xiàn)方式的機(jī)械臂或是T/P方式(Teaching/Playback)的機(jī)械臂。目前國(guó)際上使用的機(jī)械臂大多仍是這種工作方式。由于這種工作方式只能按照事先示教的位置和姿態(tài)進(jìn)行重復(fù)的動(dòng)作而對(duì)周圍環(huán)境無(wú)感覺(jué)的功能，其應(yīng)用范圍受到一定的限制，主要用于材料的搬運(yùn)、噴漆、點(diǎn)焊等工作。
1996年樊炳輝等申請(qǐng)的專利，一種用于煤礦巷道、隧道、室內(nèi)墻壁及一般機(jī)械行業(yè)噴涂工藝的四連桿機(jī)械臂機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)主要包含行走組件、大臂組件、平衡拉桿組件、小臂組件四大部分，其中又包含四組按一定比例關(guān)系構(gòu)成的四連桿機(jī)構(gòu)，它能使噴槍在噴涂過(guò)程中，容易實(shí)現(xiàn)垂直起落，并始終保持對(duì)受噴面垂直、等距的關(guān)系[5]。
1997年烏克爾，戈道斯等申請(qǐng)的專利，一種用縫合針將病人的第二血管縫合到冠狀動(dòng)脈上的最小侵入性手術(shù)方法。該系統(tǒng)采用機(jī)械臂連接的手術(shù)器械。這些器械具有能夠被操作來(lái)抓取和縫合組織的末端操作裝置。該機(jī)械臂通過(guò)一個(gè)控制器與一對(duì)主操作手柄聯(lián)結(jié)。手柄可以由外科醫(yī)生移動(dòng)來(lái)產(chǎn)生末端操作裝置的一個(gè)相應(yīng)移動(dòng)[6]。
(2)第二代機(jī)械臂，即具有如視覺(jué)、觸覺(jué)等外部感覺(jué)功能的機(jī)械臂。這種機(jī)械臂由于具有外部的感覺(jué)功能，因此可以根據(jù)外界的情況修改自身的動(dòng)作，從而完成較為復(fù)雜的作業(yè)。如：
李彥濤等研制一種將Simulink控制程序和助餐機(jī)器人目標(biāo)機(jī)無(wú)縫鏈接、下載的方法，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的實(shí)時(shí)控制，實(shí)時(shí)滿足不同傷殘患者的助餐要求。在Matlab/xPC實(shí)時(shí)目標(biāo)環(huán)境的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了助餐機(jī)器人的硬件接口模塊和上位機(jī)軟件模塊，設(shè)計(jì)了助餐機(jī)器人模塊化控制平臺(tái)及基于腳踏開(kāi)關(guān)、語(yǔ)音識(shí)別和圖像識(shí)別的三種人機(jī)交互方式。實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手3個(gè)關(guān)節(jié)控制器、運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算、路徑規(guī)劃控制算法[7]。
人臉肖像繪制機(jī)械臂是一種可以自動(dòng)繪制人臉肖像輪廓圖的智能機(jī)械系統(tǒng)，它由圖像采集模塊、圖像處理模塊、機(jī)械控制繪圖模塊組成，能夠自動(dòng)拍攝人臉照片，提取肖像輪廓，然后控制機(jī)械臂在畫(huà)板上畫(huà)出人臉線條畫(huà)。人臉肖像繪制機(jī)器人是機(jī)器視覺(jué)的研究方向之一，廣泛用于科普展覽，其中提出的基于機(jī)器視覺(jué)的研究技術(shù)在生產(chǎn)和生活等各個(gè)方面都有著廣泛的應(yīng)用。研究繪圖機(jī)械控制系統(tǒng)的硬件選型和控制算法，在Visual C++6.0中實(shí)現(xiàn)了外部對(duì)機(jī)械臂繪圖動(dòng)作的自動(dòng)控制，設(shè)計(jì)機(jī)械臂繪畫(huà)動(dòng)作流程，完成人臉輪廓圖的自動(dòng)繪制[8]。
(3)第三代機(jī)械臂，這類機(jī)械臂除了具有外部感覺(jué)功能外，還具有規(guī)劃和決策的功能。
從而可以適應(yīng)因?yàn)榄h(huán)境的變化而自主進(jìn)行的工作。第三代機(jī)器人目前還處于研究階段，距離實(shí)際應(yīng)用還有一段距離。如：鄒建奇[9]等人以柔性機(jī)械臂為例，進(jìn)行簡(jiǎn)單的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析.并采用小腦模型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)機(jī)械臂的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行了數(shù)值仿真分析，小腦模型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可在較短的學(xué)習(xí)次數(shù)中有效地控制機(jī)械臂的振動(dòng)。
在普及第一代工業(yè)機(jī)器人的基礎(chǔ)上，第二代工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)推廣，成為主流安裝機(jī)型，第三代智能機(jī)器人也占有一定比重。
3.機(jī)械臂技術(shù)的要素
(1)機(jī)械結(jié)構(gòu)：以關(guān)節(jié)型為主流，80年代發(fā)明的適用于裝配作業(yè)的平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人約占總量的1/2。應(yīng)汽車、建筑、橋梁等行業(yè)的需求，超大型機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。CAD、CAM等技術(shù)已普遍用于設(shè)計(jì)、仿真和制造中。
(2)控制技術(shù)：大多采用32位CPU，控制軸數(shù)多達(dá)27軸，NC技術(shù)、離線編程技術(shù)大量采用。協(xié)調(diào)控制技術(shù)日趨成熟，實(shí)現(xiàn)了多手與變位機(jī)、多機(jī)器人的協(xié)調(diào)控制。采用基于PC開(kāi)放結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)已成為一股潮流。
(3)驅(qū)動(dòng)技術(shù)。新一代伺服電機(jī)與基于微處理器的智能伺服控制器相結(jié)合已由FANUC等公司開(kāi)發(fā)并用于工業(yè)機(jī)器人中，在遠(yuǎn)程控制中分布式智能驅(qū)動(dòng)新技術(shù)[10]。
(4)應(yīng)用智能化的傳感器。裝有視覺(jué)傳感器的機(jī)器人數(shù)量呈上升趨勢(shì)，不少機(jī)器人裝有兩種以上傳感器，有些機(jī)器人留了多種機(jī)器人接口。
(5)通用機(jī)器人編程語(yǔ)言。在ABB公司的20多個(gè)型號(hào)產(chǎn)品中，采用了通用模塊化語(yǔ)言RAPID。該語(yǔ)言易學(xué)易用，可用于各種開(kāi)發(fā)環(huán)境，與大多數(shù)WINDOWS軟件產(chǎn)品兼容。
(6)網(wǎng)絡(luò)通訊。大部分機(jī)器人采用了Ether網(wǎng)絡(luò)通訊方式，占總量的41.3%，其他采用RS-232、RA-422、RS-485等通訊接口。
4.前景展望
從三代機(jī)械臂的發(fā)展來(lái)看，隨著技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械臂越來(lái)越高精度，多功能，且向著集成化，系統(tǒng)化，智能化的方向發(fā)展。
(1)高速、高精度、多功能化。
目前，最快的裝配機(jī)器人最大合成速度為16.5m/s，有一種大直角坐標(biāo)搬運(yùn)機(jī)器人，其最大合成速度竟達(dá)80m/s。90年代末的機(jī)器人一般都具有兩、三種功能，向多功能化方向發(fā)展。
(2)集成化與系統(tǒng)化。當(dāng)今機(jī)器人技術(shù)的另一特點(diǎn)是機(jī)器人的應(yīng)用從單機(jī)、單元向系統(tǒng)發(fā)展。百臺(tái)以上的機(jī)器人群與微機(jī)及周邊設(shè)備和操作人員形成一
個(gè)大群體?？鐕?guó)大集團(tuán)的壟斷和全球化的生產(chǎn)將世界眾多廠家的產(chǎn)品聯(lián)結(jié)在一起，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、開(kāi)放化、網(wǎng)絡(luò)化的“虛擬制造”，為工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)化的發(fā)展推波助瀾。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷向智能化方向發(fā)展，機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展和深化以及機(jī)器人在FMS、CIMS系統(tǒng)中的群體應(yīng)用，工業(yè)機(jī)器人也在不斷向智能化方向發(fā)展，以適應(yīng)“敏捷制造”(Agile Manufacturing)，滿足多樣化、個(gè)性化的需求。
參考文獻(xiàn)
[1]謝濤.單馬達(dá)驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂的研究與實(shí)現(xiàn)[D].華中科技大學(xué),2009.
[2]戴齊,姚先啟.一種求解PUMA機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問(wèn)題的分解解法[J].西安大學(xué)學(xué)報(bào),1989年04期.
[3]鄭東鑫.SCARA機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)計(jì)與規(guī)劃控制研究[D].浙江大學(xué),2011.
[4]郭炬.串聯(lián)多關(guān)節(jié)機(jī)械臂設(shè)計(jì)與分析[D].華中科技大學(xué),2008
[5]樊炳輝,逄振旭,李貽斌,蘇學(xué)成,楊明.多重四連桿機(jī)械臂機(jī)構(gòu)[P].中國(guó)專利:CN96248553.5,1998-02-08.
[6]Y・王;D・R・烏克爾;K・P・拉拜;J・維爾森;S・喬丹;J・賴特;M・戈道斯.施行最小侵入性心臟手術(shù)的方法和裝置[P].中國(guó)專利:CN97193955.1,1997-02-19.
[7]張立勛,李彥濤,何鋒,李成福,高峻,王婷.助餐機(jī)器人[P].中國(guó)專利:CN200610010497.0,2006-09-06.
[8]孟盼盼.肖像繪制機(jī)器人技術(shù)研究[D].中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),2011-08-15.
[9]鄒建奇,郎英彤，張憲濱.采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法研究柔性機(jī)械臂逆運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題[J].吉林建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào),2011-04.
[10]蔡鶴皋.機(jī)器人將是21世紀(jì)技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn).中國(guó)機(jī)械工程,2000,11(1-2):58-60.