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1. 目的及意义（含国内外的研究现状分析）：
近年来我国科技水平的不断提升，自动化已经作为取代人力作为行业发展的主要方向，我国制造业呈现出迅速发展态势，急需优化自动化相关机械结构从而提升生产效率。
在工业生产和其他领域内，由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工人门劳动强度，甚至危及生命。搬运机器人就是在这种条件下诞生的，机械手是工业机器人系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键部件之一。它特别是在高温、高压、多粉尘、易燃、易爆、放射性等恶劣环境中，以及笨重、单调、频繁的操作中代替人作业。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有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，因此获得日益广泛的应用。执行机构机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手，如附图1、2、3、4所示，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。
Versatra和Unimate 作为最早的机器人在20世纪中期被研发出来，由 Umination公司负责，如附图5所示。随后到上世纪 80 年代时，资本主义国家对于各个信息领域都开始有了深入的发展，因此欧洲、 美国、日本、韩国等多个国家在信息领域获得的发展速度高于其他国家，就搬运机器人领域来说，上述几个国家的搬运机器人发展技术更为完善，发展经验更为丰富。在近几年，伴随着其他国家更多的重视信息科技领域的发展，越来越多的行业需要搬运机器人为其行业发展提供帮助。基于此，各个国家对于搬运机器人的研究也变得更为深入。就现阶段的搬运机器人发展研究情况来说，德国的 KaKU 公司发展技术最为成熟。在多种不同类型的搬运机器人生产方面，德国 KuKA 公司的生产水平居于世界前茅。
我国搬运机器人的发展比欧美各国、日本都要晚。1988年，北京邮政科学技术研究所研发了第一套邮政枢纽搬运机器人系统。1992年天津理工学院研制成功了光学导引搬运机器人，并且光学导引搬运机器人应用于核电站工作，1998 年，在红河卷烟厂，昆明船舶设备公司研制了多模式激光导引搬运机器人，近几年来，经过不断研究和发展，国内搬运机器人制造技术逐渐成熟，逐渐向专业化、智能化、 集成化的方向发展，取得一定的成就。并且对自动化机器人的需求也越来越大。
2021年姚泽文等人在非放射性废弃碱金属台架退役过程中，需将废弃的钠钾合金起泡器进行集中存储和处理，目前废弃碱金属容器多采用人工搬运，效率低且危险性较高。为解决碱金属氧化物容器安全搬运的难题，介绍一种专用搬运机器人自动上料装置的整体设计方案和设备布局，主要研究机械手末端执行器新型爪夹上料机构的设计和设备的电气控制系统，并对末端执行机构进行仿真分析。搬运机器人自动上料装 置包含加持机构和翻转机构。其中夹持机构包含夹爪、夹爪驱动装置、Ｖ 型支架等；翻转机构包含驱动装置、臂、支撑轴等部件。搬运机器人主要部件示意图如附图6、7所示。
2. 研究内容及方法（含拟解决的关键问题）：
2.1研究内容
本研究将针对锻造工件搬运装卸机器人的设计展开研究。技术关键包括机器人结构设计、运动学分析、零部件设计、传感器技术应用等方面。拟解决的技术问题包括如何提高机器人的负载能力、运动精度和稳定性，如何实现快速定位和抓取工件等功能。
1) 整机设计：确定机械的整体形状、大小和组成部件，完成三维建模。确保机械的结构能够承受装卸任务的要求，并且具备足够的稳定性和强度。考虑机械的控制系统和安全保护装置，以确保操作过程的安全性。
2) 布局设计：根据实际的作业流程和要求，规划机械各个部分的位置和布局。优化布局可以使装卸过程更加顺畅，减少不必要的时间浪费和劳动强度。
3) 关键元件选择与参数匹配：选择适合的机械结构，并进行参数化设计，确保机械结构具有合适性能和可靠性，并确保它们与机械的其他部分相匹配，以确保整个装置的协调运行。
4) 有限元分析与强度校核：模拟机械在不同工作条件下受到的力学应力和变形情况，进行强度校核，以确保机械在使用过程中不会出现结构失效或破坏的情况。
2.2拟解决的关键问题
1) 装卸任务需求分析：对搬运装卸机械在加热炉和锻压机两个工位中的装卸任务进行全面的需求分析。包括锻件的物料种类、尺寸、重量等要求，以及装卸过程中的特殊需求，如精准定位、高速操作等。通过深入了解任务需求，可以设计出适应性强、高效完成装卸任务的机械装置。
2) 结构设计和力学分析：针对搬运装卸机械装置的结构设计和力学特性进行分析和优化。这涉及到机械结构的选取、关节布局、材料选择等方面。通过有限元分析与强度校核，评估机械装置在承载能力、刚度、稳定性等方面的表现，确保机械装置在装卸任务中的安全可靠性。
3) 三维建模与集成：将各个部分整合对整体进行三维建模，包括机械结构、控制系统和安全装置等。通过三维建模，可以直观地展示机械装置的外观和内部结构，并进行模拟和验证。同时，需要进行各部分的集成设计，确保各个组件之间的协调和统一。
2.3方法和步骤
针对上述提出的研究内容和拟解决的关键问题，确定如下的研究方法和步骤。
1) 文献调研：首先进行国内外相关文献的调研，包括学术论文、期刊文章和专利文件等。通过阅读这些文献，了解搬运装卸机器人在锻造行业中的应用和研究现状。关注机器人的类型、结构设计、控制系统、安全性能等方面的研究成果，并进行综合分析和比较，为后续设计提供参考和借鉴。
2) 实地调研：深入到锻造企业，与工程师和工人进行交流，了解实际的生产环境和工艺流程。观察现有的装卸任务如何进行，了解机器人应具备的特点和功能。同时，了解企业对机器人的需求和期望，以及现有设备和工艺的局限性。这些信息将直接影响到机器人设计方案的制定。
3) 整体方案设计：根据调研结果制定锻造工件搬运装卸机器人的整体方案。确定机器人的类型（如工业机械臂、AGV等）、结构设计（如关节数目、臂长等）、传动方式（如电动、液压等）等等。考虑机器人与周围设备和环境的协作和互动，确保机器人的可操作性和安全性。
4) 零部件设计：根据整体方案设计的要求，对机器人的各个零部件进行具体设计。包括机械结构（如臂、关节、连接件等）、动力系统（如电机、减速器等）和传感器（如力/力矩传感器、视觉传感器等）。考虑零部件的制造工艺、材料选择、装配方式等因素，确保各零部件在机器人运行过程中的可靠性和稳定性。
5) 有限元分析：利用有限元分析软件对关键零部件进行强度校核和优化设计。通过分析零部件的应力分布、变形情况和疲劳寿命，评估零部件的可靠性，并为改进和优化提供依据。
6) 三维建模：使用SOLIDWORKS软件对整体结构进行三维建模。根据前述设计方案和零部件设计结果，精确绘制机器人的各个部分，并进行组装和布局。添加材质、颜色和纹理等细节，以增强模型的真实感和可视化效果。这将为后续的制造和装配提供参考。
3. 预期成果和创新点
3.1预期成果
1) 设计出一款适用于锻造行业的搬运装卸机器人，实现快速、准确、稳定的工件搬运和装卸。绘制出二维装配图一张，SOLIDWORKS三维建模装配体一套。
2) 设计出合适的关键零部件，绘制零件图3张。
3) 对关键零部件进行有限元分析与强度校核，得出应力分布图。
3.2创新点：
1) 在整机设计方面，通过考虑控制系统和安全保护装置，提高了操作过程的安全性。这将为装卸任务提供更加可靠和安全的解决方案。
2) 在布局设计方面，通过优化布局，使装卸过程更加顺畅，减少时间浪费和劳动强度。这将提高工作效率并降低人力成本。
3) 在关键元件选择与参数匹配方面，通过选择合适的机械结构和进行参数化设计，确保机械具有合适的性能和可靠性，并与其他部分相匹配。这将提高机械的整体协调性和稳定性。
4) 在有限元分析与强度校核方面，通过对机械进行力学应力和变形模拟，进行强度校核，确保机械在使用过程中不会出现结构失效或破坏的情况。这将增加机械的可靠性和使用寿命。
4. 工作进度及时间安排：
1.2023年11月7日-11月30日布置任务书，收集相关资料，准备撰写开题报告；
2.2023年12月1日-12月31日撰写开题报告，参加开题报告讨论会；
3.2024年1月1日-3月24日认真研究相关资料，按任务书要求完成毕业设计实践部分，完成毕业论文初稿，送交指导老师；
4.2024年4月1日-4月14日反复修改论文，送交指导老师，指导老师评阅后返还并给出修改意见；
5.2024年4月16日-4月30日进行毕业论文重复率检测；
6.2024年5月1日-5月10日将毕业设计及论文（定稿）送交指导老师和评阅老师审阅论文并评分，进行答辩。
5. 参考文献
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[2] 码垛机器人结构设计与模态分析[J]. 王占军;赵玉刚;刘新玉;蔡天赐.机械设计与制造,2022(08)
[3] 柔性机械手动力学研究进展[J]. 李蕊;张明路;孙凌宇;张建华;张小俊.机械设计,2019(01)
[4] 高速搬运机器人产业应用及发展[J]. 刘凤臣;姚赟峰;刘黎明;金杰锋;林纪良;郭湖兵.轻工机械,2022(02)
[5] 工业机器人发展现状与趋势[J]. 孙志杰;王善军;张雪鑫.吉林工程技术师范学院学报,2021(07)
[6] 基于MATLAB-Robotics工具箱的工业机器人轨迹规划及仿真研究[J]. 于天宇;李达;宋宝玉.机械工程师,2021(07)
[7] 一种智能搬运机器人的设计与实现[J]. 王文凭;李天培;冯根生.计算机测量与控制,2021(02)
[8] 码垛机器人3D仿真与离线编程系统[J]. 陈黎明;栾楠;陈培华;董忠;童上高;李文艺;张昊.机械设计与制造,2020(11)
[9] 青岛华东锻造操作机、机器人项目启动[J]. .锻压装备与制造技术,2019(04)
[10] 码垛机器人机构设计与运动学研究[J]. 李成伟;贠超.机械设计与制造,2019(06)
[11] 姚泽文，王荣东，谢 淳，朴 君，韩新梅.废弃钠钾合金起泡器搬运机器人自动上料装置设计[A].科 技 和 产 业，2021年，21（9）：332-335
[12] 代东阁，黄 彪，刘 雄，周仁宇，李小虎，蒋顺鹏.搬运机器人发展现状及展望.[J].人工智能与机器人研究，2021年, 10(2)：144-153
6.附图
 
图1 液压式机械手简图 图2 气动式机械手
图3 电动式多功能机械手
图4 机械式机械手
图5 Versatra 机器人
 
图6 部件示意图 图7 夹持机构模型
指导老师意见：
指导教师签名： 年 月 日
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