搬運(yùn)機(jī)器人總體設(shè)計(jì)的思路及原理

搬運(yùn)機(jī)器人是一種用于工業(yè)運(yùn)動(dòng)控制的設(shè)備，一般由執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。搬運(yùn)機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、維修容易的優(yōu)點(diǎn)，可以代替人進(jìn)行工作，把工件由某個(gè)地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操縱工件進(jìn)行加工。下面來了解下搬運(yùn)機(jī)器人工作原理及結(jié)構(gòu)組成。

一、搬運(yùn)機(jī)器人的設(shè)計(jì)原理

搬運(yùn)機(jī)器人為可移動(dòng)門架式結(jié)構(gòu)，手臂承載機(jī)構(gòu)可沿著導(dǎo)軌進(jìn)行移動(dòng)，導(dǎo)軌安裝與立柱上，位于被看管設(shè)備上方。

1、手臂承載機(jī)構(gòu)沿導(dǎo)軌移動(dòng)，由安裝于承載機(jī)構(gòu)上的雙作用氣缸驅(qū)動(dòng)裝置，保證操作機(jī)手臂實(shí)現(xiàn)600mm的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

2、手臂在肩關(guān)節(jié)中的轉(zhuǎn)動(dòng)，由安裝于承載機(jī)構(gòu)上的雙作用氣缸驅(qū)動(dòng)裝置，運(yùn)動(dòng)傳遞機(jī)構(gòu)和安裝于肩部的滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)。

3、手臂在肘關(guān)節(jié)中的轉(zhuǎn)動(dòng)，由安裝于小臂上的雙作用氣缸驅(qū)動(dòng)裝置，運(yùn)動(dòng)傳遞機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。

二、搬運(yùn)機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)的思路

設(shè)計(jì)機(jī)器人大體上可分為兩個(gè)階段：

1、系統(tǒng)分析階段

①根據(jù)系統(tǒng)的目標(biāo)，明確所采用機(jī)器人的目的和任務(wù)。

②分析機(jī)器人所在系統(tǒng)的工作環(huán)境。

③根據(jù)機(jī)器人的工作要求，確定機(jī)器人的基本功能和方案。如機(jī)器人的自由度、信息的存儲量、計(jì)算機(jī)功能、動(dòng)作精度的要求、所能抓取的重量、容許的運(yùn)動(dòng)范圍、以及對溫度、震動(dòng)等環(huán)境的適應(yīng)性。

2、技術(shù)設(shè)計(jì)階段

①根據(jù)系統(tǒng)的要求確定機(jī)器人的自由度和允許的空間工作范圍，選擇機(jī)器人的坐標(biāo)形式。

②擬訂機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路線和空間作業(yè)圖。

③確定驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的類型。

④選擇各部件的具體結(jié)構(gòu)，進(jìn)行機(jī)器人總裝圖的設(shè)計(jì)。

⑤繪制機(jī)器人的零件圖，并確定尺寸。

三、搬運(yùn)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)組成

搬運(yùn)機(jī)器人由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)三部分組成。

1、執(zhí)行機(jī)構(gòu)

（1）手部

手部既直接與工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平動(dòng)型（多為回轉(zhuǎn)型，因其結(jié)構(gòu)簡單）。手部多為兩指（也有多指）；根據(jù)需要分為外抓式和內(nèi)抓式兩種；也可以用負(fù)壓式或真空式的空氣吸盤（主要用于可吸附的，光滑表面的零件或薄板零件）和電磁吸盤。

傳力機(jī)構(gòu)形式較多，常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母式、彈簧式和重力式。本次設(shè)計(jì)的手部選擇夾持類回轉(zhuǎn)型結(jié)構(gòu)手部。

手部執(zhí)行依靠桿的伸縮運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)其張合運(yùn)動(dòng)，桿的動(dòng)力源來自后續(xù)驅(qū)動(dòng)源的液壓缸，該液壓缸采用的是伸縮式液壓缸，該液壓缸能夠節(jié)省橫向的工作空間。

（2）腕部

腕部是連接手部和臂部的部件，并可用來調(diào)節(jié)被抓物體的方位，以擴(kuò)大機(jī)械手的動(dòng)作范圍，并使機(jī)械手變的更靈巧，適應(yīng)性更強(qiáng)。手腕有獨(dú)立的自由度。有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、上下擺動(dòng)、左右擺動(dòng)。一般腕部設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)再增加一個(gè)上下擺動(dòng)即可滿足工作要求，有些動(dòng)作較為簡單的專用機(jī)械手，為了簡化結(jié)構(gòu)，可以不設(shè)腕部，而直接用臂部運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)手部搬運(yùn)工件。

目前，應(yīng)用最為廣泛的手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)液壓（氣）缸，它的結(jié)構(gòu)緊湊，靈巧但回轉(zhuǎn)角度?。ㄒ话阈∮?70°），并且要求嚴(yán)格密封，否則就難保證穩(wěn)定的輸出扭矩。因此在要求較大回轉(zhuǎn)角的情況下，采用齒條傳動(dòng)或鏈輪以及輪系結(jié)構(gòu)。本次設(shè)計(jì)的搬運(yùn)機(jī)器人的腕部是實(shí)現(xiàn)手部180°的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

腕部的驅(qū)動(dòng)方式采用直接驅(qū)動(dòng)的方式，由于腕部裝在手臂的末端，所以必須設(shè)計(jì)的十分緊湊可以把驅(qū)動(dòng)源裝在手腕上。機(jī)器人手部的張合是由雙作用單柱塞液壓缸驅(qū)動(dòng)的；而手腕的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)則由回轉(zhuǎn)液壓缸實(shí)現(xiàn)。將夾緊活塞缸的外殼與擺動(dòng)油缸的動(dòng)片連接在一起；當(dāng)回轉(zhuǎn)液壓缸中不同的油腔中進(jìn)油時(shí)即可實(shí)現(xiàn)手腕不同方向的回轉(zhuǎn)。

（3）臂部

手臂部件是機(jī)械手的重要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工作或夾具），并帶動(dòng)他們做空間運(yùn)動(dòng)。

臂部運(yùn)動(dòng)的目的：把手部送到空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)任意一點(diǎn)。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實(shí)現(xiàn)。因此，一般來說臂部具有三個(gè)自由度才能滿足基本要求，即手臂的伸縮、左右旋轉(zhuǎn)、升降（或俯仰）運(yùn)動(dòng)。

手臂的各種運(yùn)動(dòng)通常用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（如液壓缸或者氣缸）和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的靜、動(dòng)載荷，而且自身運(yùn)動(dòng)較為多，受力復(fù)雜。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響機(jī)械手的工作性能。本次設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)臂部的上下移動(dòng)、前后伸縮、以及臂部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。手臂的運(yùn)動(dòng)參數(shù)：伸縮行程：1200mm；伸縮速度：83mm/s；升降行程：300mm；升降速度：67mm/s；回轉(zhuǎn)范圍：180~0。機(jī)器人手臂的伸縮使其手臂的工作長度發(fā)生變化，在圓柱坐標(biāo)式結(jié)構(gòu)中，手臂的最大工作長度決定其末端所能達(dá)到的圓柱表面直徑。伸縮式臂部機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)可采用液壓缸直接驅(qū)動(dòng)。

（4）機(jī)座

機(jī)座是機(jī)身機(jī)器人的基礎(chǔ)部分，起支撐作用。對固定式機(jī)器人，直接聯(lián)接在地面上，對可移動(dòng)式機(jī)器人，則安裝在移動(dòng)結(jié)構(gòu)上。機(jī)身由臂部運(yùn)動(dòng)（升降、平移、回轉(zhuǎn)和俯仰）機(jī)構(gòu)及其相關(guān)的導(dǎo)向裝置、支撐件等組成。并且，臂部的升降、回轉(zhuǎn)或俯仰等運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置或傳動(dòng)件都安裝在機(jī)身上。臂部的運(yùn)動(dòng)越多，機(jī)身的結(jié)構(gòu)和受力越復(fù)雜。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的搬運(yùn)機(jī)器人的機(jī)身選用升降回轉(zhuǎn)型機(jī)身結(jié)構(gòu)；臂部和機(jī)身的配置型式采用立柱式單臂配置，其驅(qū)動(dòng)源來自回轉(zhuǎn)液壓缸。

2、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是搬運(yùn)機(jī)器人的重要組成部分。根據(jù)動(dòng)力源的不同，工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)大致可分為液壓、氣動(dòng)、電動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)等四類。

（1）液壓傳動(dòng)。具有較大功率體積比，常用于大負(fù)載的場合；壓力、流量均容易控制，可無級調(diào)速；反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，維修方便；但液體對溫度變化敏感，油液泄漏易著火；中小型專用機(jī)械手或機(jī)器人都有應(yīng)用，重型機(jī)械手多為液壓驅(qū)動(dòng)；液壓元件成本較高，油路也比較復(fù)雜。

（2）氣壓傳動(dòng)。氣動(dòng)系統(tǒng)簡單，成本低，適合于節(jié)拍快、負(fù)載小且精度要求不高的場合，常用于點(diǎn)位控制、抓取、彈性握持和真空吸附，可高速，但沖擊較嚴(yán)重，精確定位困難；維修簡單，能在高溫、粉塵等惡劣環(huán)境中使用，泄漏無影響；中小型專用機(jī)械手或機(jī)器人都有應(yīng)用。

（3）電動(dòng)。有異步電機(jī)、直流電機(jī)、步進(jìn)或伺服電機(jī)等電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式。電動(dòng)機(jī)使用簡單，且隨著材料性能的提高，電動(dòng)機(jī)性能也逐漸提高，目前主要適合于中等負(fù)載，特別是適合動(dòng)作復(fù)雜、運(yùn)動(dòng)軌跡嚴(yán)格的工業(yè)機(jī)器人和各種微型機(jī)器人。

（4）制動(dòng)器：制動(dòng)器是將機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分的能量變?yōu)闊崮茚尫?，從而使運(yùn)動(dòng)的機(jī)械速度降低或者停止的裝置，它大致可分為機(jī)械制動(dòng)器和電氣制動(dòng)起兩類。在機(jī)器人機(jī)構(gòu)中，學(xué)要使用制動(dòng)器的情況如下：

①特殊情況下的瞬間停止和需要采取安全措施

②停電時(shí)，防止運(yùn)動(dòng)部分下滑而破壞其他裝置。

機(jī)械制動(dòng)器：

機(jī)械制動(dòng)器有螺旋式自動(dòng)加載制動(dòng)器、盤式制動(dòng)器、閘瓦式制動(dòng)器和電磁制動(dòng)器等幾種。其中最典型的是電磁制動(dòng)器。

在機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中常使用伺服電動(dòng)機(jī)，伺服電機(jī)本身的特性決定了電磁制動(dòng)器是不可缺少的部件。從原理上講，這種制動(dòng)器就是用彈簧力制動(dòng)的盤式制動(dòng)器，只有勵(lì)磁電流通過線圈時(shí)制動(dòng)器打開，這時(shí)制動(dòng)器不起制動(dòng)作用，而當(dāng)電源斷開線圈中無勵(lì)磁電流時(shí)，在彈簧力的作用下處于制動(dòng)狀態(tài)的常閉方式。因此這種制動(dòng)器被稱為無勵(lì)磁動(dòng)作型電磁制動(dòng)器。又因?yàn)檫@種制動(dòng)器常用于安全制動(dòng)場合，所以也稱為安全制動(dòng)器。

電氣制動(dòng)器

電動(dòng)機(jī)是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的裝置，反之，他也具有將旋轉(zhuǎn)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電功能。換言之，伺服電機(jī)是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，可將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，同時(shí)也能通過其反過程來達(dá)到制動(dòng)的目的。但對于直流電機(jī)、同步電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)等各種不同類型的電機(jī)，必須分別采用適當(dāng)?shù)闹苿?dòng)電路。

3、控制機(jī)構(gòu)

構(gòu)建機(jī)器人平臺的核心是建立機(jī)器人的控制系統(tǒng)。首先需要選擇和硬件平臺，控制系統(tǒng)硬件平臺對于系統(tǒng)的開放性、實(shí)現(xiàn)方式和開發(fā)工作量有很大的影響。一般常用的控制系統(tǒng)硬件平臺應(yīng)滿足：硬件系統(tǒng)基于標(biāo)準(zhǔn)總線機(jī)構(gòu)，具有可伸縮性；硬件結(jié)構(gòu)具有必要的實(shí)時(shí)計(jì)算能力；硬件系統(tǒng)模塊化，便于添加或更改各種接口、傳感器和特殊計(jì)算機(jī)等；低成本。到目前為止，一般機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件平臺可以大致分為兩類：基于VME總線（Versamodel Eurocard由Motorola公司1981年推出的第一代32位工業(yè)開放標(biāo)準(zhǔn)總線）的系統(tǒng)和基于PC總線的系統(tǒng)。近年來，隨著PC機(jī)性能的快速發(fā)展，可靠性大為提高，價(jià)格卻大幅度降低，以PC機(jī)為核心的控制系統(tǒng)已廣泛被機(jī)器人控制領(lǐng)域所接受。