搬運機器人總體設(shè)計的思路及原理

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

一、搬運機器人的設(shè)計原理?

搬運機器人為可移動門架式結(jié)構(gòu)，手臂承載機構(gòu)可沿著導(dǎo)軌進行移動，導(dǎo)軌安裝與立柱上，位于被看管設(shè)備上方。?

1、手臂承載機構(gòu)沿導(dǎo)軌移動，由安裝于承載機構(gòu)上的雙作用氣缸驅(qū)動裝置，保證操作機手臂實現(xiàn)600mm的往復(fù)運動。?

2、手臂在肩關(guān)節(jié)中的轉(zhuǎn)動，由安裝于承載機構(gòu)上的雙作用氣缸驅(qū)動裝置，運動傳遞機構(gòu)和安裝于肩部的滾珠絲杠實現(xiàn)。?

3、手臂在肘關(guān)節(jié)中的轉(zhuǎn)動，由安裝于小臂上的雙作用氣缸驅(qū)動裝置，運動傳遞機構(gòu)實現(xiàn)。?

?

二、搬運機器人的總體設(shè)計的思路?

設(shè)計機器人大體上可分為兩個階段：?

1、系統(tǒng)分析階段?

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

②分析機器人所在系統(tǒng)的工作環(huán)境。?

③根據(jù)機器人的工作要求，確定機器人的基本功能和方案。如機器人的自由度、信息的存儲量、計算機功能、動作精度的要求、所能抓取的重量、容許的運動范圍、以及對溫度、震動等環(huán)境的適應(yīng)性。?

2、技術(shù)設(shè)計階段?

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

②擬訂機器人的運動路線和空間作業(yè)圖。?

③確定驅(qū)動系統(tǒng)的類型。?

④選擇各部件的具體結(jié)構(gòu)，進行機器人總裝圖的設(shè)計。?

⑤繪制機器人的零件圖，并確定尺寸。?

三、搬運機器人的結(jié)構(gòu)組成?

搬運機器人由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)和控制機構(gòu)三部分組成。

1、執(zhí)行機構(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)行依靠桿的伸縮運動來實現(xiàn)其張合運動，桿的動力源來自后續(xù)驅(qū)動源的液壓缸，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，以擴大機械手的動作范圍，并使機械手變的更靈巧，適應(yīng)性更強。手腕有獨立的自由度。有回轉(zhuǎn)運動、上下擺動、左右擺動。一般腕部設(shè)有回轉(zhuǎn)運動再增加一個上下擺動即可滿足工作要求，有些動作較為簡單的專用機械手，為了簡化結(jié)構(gòu)，可以不設(shè)腕部，而直接用臂部運動驅(qū)動手部搬運工件。?

目前，應(yīng)用最為廣泛的手腕回轉(zhuǎn)運動機構(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，采用齒條傳動或鏈輪以及輪系結(jié)構(gòu)。本次設(shè)計的搬運機器人的腕部是實現(xiàn)手部180°的旋轉(zhuǎn)運動。?

腕部的驅(qū)動方式采用直接驅(qū)動的方式，由于腕部裝在手臂的末端，所以必須設(shè)計的十分緊湊可以把驅(qū)動源裝在手腕上。機器人手部的張合是由雙作用單柱塞液壓缸驅(qū)動的；而手腕的回轉(zhuǎn)運動則由回轉(zhuǎn)液壓缸實現(xiàn)。將夾緊活塞缸的外殼與擺動油缸的動片連接在一起；當回轉(zhuǎn)液壓缸中不同的油腔中進油時即可實現(xiàn)手腕不同方向的回轉(zhuǎn)。?

（3）臂部?

手臂部件是機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），并帶動他們做空間運動。?

臂部運動的目的：把手部送到空間運動范圍內(nèi)任意一點。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實現(xiàn)。因此，一般來說臂部具有三個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）運動。?

手臂的各種運動通常用驅(qū)動機構(gòu)（如液壓缸或者氣缸）和各種傳動機構(gòu)來實現(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、動載荷，而且自身運動較為多，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械手的工作性能。本次設(shè)計實現(xiàn)臂部的上下移動、前后伸縮、以及臂部的回轉(zhuǎn)運動。手臂的運動參數(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，在圓柱坐標式結(jié)構(gòu)中，手臂的最大工作長度決定其末端所能達到的圓柱表面直徑。伸縮式臂部機構(gòu)的驅(qū)動可采用液壓缸直接驅(qū)動。

（4）機座?

機座是機身機器人的基礎(chǔ)部分，起支撐作用。對固定式機器人，直接聯(lián)接在地面上，對可移動式機器人，則安裝在移動結(jié)構(gòu)上。機身由臂部運動（升降、平移、回轉(zhuǎn)和俯仰）機構(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)或俯仰等運動的驅(qū)動裝置或傳動件都安裝在機身上。臂部的運動越多，機身的結(jié)構(gòu)和受力越復(fù)雜。本次畢業(yè)設(shè)計的搬運機器人的機身選用升降回轉(zhuǎn)型機身結(jié)構(gòu)；臂部和機身的配置型式采用立柱式單臂配置，其驅(qū)動源來自回轉(zhuǎn)液壓缸。

2、驅(qū)動機構(gòu)?

驅(qū)動機構(gòu)是搬運機器人的重要組成部分。根據(jù)動力源的不同，工業(yè)機械手的驅(qū)動機構(gòu)大致可分為液壓、氣動、電動和機械驅(qū)動等四類。?

（1）液壓傳動。具有較大功率體積比，常用于大負載的場合；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；中小型專用機械手或機器人都有應(yīng)用，重型機械手多為液壓驅(qū)動；液壓元件成本較高，油路也比較復(fù)雜。?

（2）氣壓傳動。氣動系統(tǒng)簡單，成本低，適合于節(jié)拍快、負載小且精度要求不高的場合，常用于點位控制、抓取、彈性握持和真空吸附，可高速，但沖擊較嚴重，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；中小型專用機械手或機器人都有應(yīng)用。?

（3）電動。有異步電機、直流電機、步進或伺服電機等電動驅(qū)動方式。電動機使用簡單，且隨著材料性能的提高，電動機性能也逐漸提高，目前主要適合于中等負載，特別是適合動作復(fù)雜、運動軌跡嚴格的工業(yè)機器人和各種微型機器人。?

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

①特殊情況下的瞬間停止和需要采取安全措施?

②停電時，防止運動部分下滑而破壞其他裝置。

機械制動器：

機械制動器有螺旋式自動加載制動器、盤式制動器、閘瓦式制動器和電磁制動器等幾種。其中最典型的是電磁制動器。

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

電氣制動器?

電動機是將電能轉(zhuǎn)換為機械能的裝置，反之，他也具有將旋轉(zhuǎn)機械能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電功能。換言之，伺服電機是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，可將電能轉(zhuǎn)換為機械能，同時也能通過其反過程來達到制動的目的。但對于直流電機、同步電機和感應(yīng)電機等各種不同類型的電機，必須分別采用適當?shù)闹苿与娐贰?/p>

3、控制機構(gòu)?

構(gòu)建機器人平臺的核心是建立機器人的控制系統(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)基于標準總線機構(gòu)，具有可伸縮性；硬件結(jié)構(gòu)具有必要的實時計算能力；硬件系統(tǒng)模塊化，便于添加或更改各種接口、傳感器和特殊計算機等；低成本。到目前為止，一般機器人控制系統(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)開放標準總線）的系統(tǒng)和基于PC總線的系統(tǒng)。近年來，隨著PC機性能的快速發(fā)展，可靠性大為提高，價格卻大幅度降低，以PC機為核心的控制系統(tǒng)已廣泛被機器人控制領(lǐng)域所接受。?

編輯：黃飛

?