搬運機器人 (2)

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1、 搬運機器人的設(shè)計 沈魯通 3140112032 設(shè)計目標： 設(shè)計一個能智能搬運物料的機器人，提高食品飲料搬運過程自動化水平，減少第一線工作人員勞動強度，用先進的方法和技術(shù)設(shè)備武裝食品飲料產(chǎn)業(yè)，提高食品飲料產(chǎn)業(yè)的技術(shù)、生產(chǎn)和管理素質(zhì)，實現(xiàn)用機器換人的目的。 1 機器人的組成 機器人通常由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動一傳動裝置和控制系統(tǒng)三部分組成(如圖1-1所示)。這些部分之間的相互作用可用1-2所示的方框圖表示 圖1-1 機器人的組成 圖1-2 機器人各組成部分之間的關(guān)系 1

2、.2.1 執(zhí)行機構(gòu) 執(zhí)行機構(gòu)(也稱操作機)是機器人賴以完成工作任務(wù)的實體，通常由桿件和關(guān)節(jié)組成。從功能的角度，執(zhí)行機構(gòu)可分為：手部、腕部、臂部、腰部和基座等，如圖1-3所示。 圖1-3 執(zhí)行機構(gòu) （1）手部 手部又稱末端執(zhí)行器，是工業(yè)機器人直接進行工作的部分，可以是各種夾持器。有時人們也常把渚如電焊槍、油漆噴頭等劃作機器人的手部。 （2）腕部 腕部與手部相連，通常有3個自由度，多為輪系結(jié)構(gòu)，主要功用是帶動手部完成預(yù)定姿態(tài)，是操作機中結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜的部分。 （3）臂部 臂部用以連接腰部和腕部，通常由兩個臂桿(小臂和大臂)組成，用以帶動腕部作平面運動。 （

3、4）腰部 腰部是連接臂和基座的部件，通常是回轉(zhuǎn)部件，腰部的回轉(zhuǎn)運動再加上臂部的平面運動，就能使腕部作空間運動。腰部是執(zhí)行機構(gòu)的關(guān)鍵部件，它的制造誤差、運動精度和平穩(wěn)性，對機器人的定位精度有決定性的影響。 （5）基座 基座是整個機器人的支持部分，有固定式和移動式兩種。該部件必須具有足夠的剛度和穩(wěn)定性 1.2.2 驅(qū)動和傳動裝置 工業(yè)機器人的驅(qū)動一傳動裝置包括驅(qū)動器和傳動機構(gòu)兩個部分，它們通常與執(zhí)行機構(gòu)連成一體。傳動機構(gòu)常用的有諧波減速器、滾珠絲杠、鏈、帶以及各種齒輪輪系。驅(qū)動器通常有電機(直流伺服電機、步進電機、交流伺服電機)、液動或氣動裝置，目前使用最多的是交流伺

4、服電機。 1.2.3 控制系統(tǒng) 控統(tǒng)一般由控制計算機和伺服控制器組成。前者發(fā)出指令協(xié)調(diào)各關(guān)節(jié)驅(qū)動器之間的運動，同時還要完成編程、示教／再現(xiàn)以及和其他環(huán)境狀況(傳感器信息)、工藝要求、外部相關(guān)設(shè)備(如電焊機)之間的信息傳遞和協(xié)調(diào)工作。后者控制各關(guān)節(jié)驅(qū)動器，使各桿按一定的速度、加速度和位置要求進行運動。 搬運機器人各方向傳動方式設(shè)計 2.1 搬運機器人要解決的問題 通過機器人搬運工程石板（長a=800mm,寬b=400mm，高c=30mm，重G=20kg）（假定）完成（水平運動X=5.0m，垂直運動Y=0.6m，旋轉(zhuǎn)運動R=90?）的動作，如示意圖2-1所示。 圖

5、2-1 機器人各運動方向 2.2 機器人各方向傳動方式的設(shè)計 2.2.1 水平和豎直方向直線運動傳動方式設(shè)計 能夠?qū)崿F(xiàn)直線傳動的傳動形式有； （1） 液壓傳動 特點：液壓傳動傳遞運動的動力大，運動平穩(wěn)，換向沖擊小，便于實現(xiàn)頻繁換向；在同等功率下，液壓裝置的體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊。但液壓傳動中的泄漏和液體的可壓縮性，使這種傳動無法保證嚴格的傳動比；由于液體粘性大，在流動過程中有較大的能量損失（泄漏損失、摩擦損失等），因此，傳動效率相對低，不適合做遠距離傳動和控制。 （2） 氣壓傳動 特點：以空氣為工作介質(zhì)，來源方便，工作壓力較低，用后可直接排入大氣而無污染，處

6、理方便，潔凈環(huán)境；與液壓傳動相比，氣壓傳動反應(yīng)快、動作迅速、維護簡單、工作介質(zhì)清潔、管路不易堵塞，不存在工作介質(zhì)變質(zhì)、補充和更換等問題；而且成本低，能實現(xiàn)過載保護。但因空氣的可壓縮性較大，使系統(tǒng)的動作和工作速度穩(wěn)定性受負載變化的影響大，運動平穩(wěn)性較差，不易實現(xiàn)準確的速度控制和很高的定位精度；而且氣動裝置的體積與液壓傳動相比較大，產(chǎn)生的推力小。其主要原因是氣壓系統(tǒng)工作壓力低（0.5~0.8MPa），不易獲得較大的輸出力或轉(zhuǎn)矩。 （3） 齒輪齒條嚙合傳動 特點：齒輪齒條傳動將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動，它傳遞的功率大，速度范圍廣，效率高，工作可靠，壽命長，機構(gòu)緊湊，能保證恒定的傳動比。但是，這樣的

7、運動也可以反向驅(qū)動，也就是齒條作直線運動來帶動齒輪旋轉(zhuǎn)，適合大距離的傳遞，如機床導(dǎo)軌底下帶動托板箱移動的就是齒輪齒條傳動，齒輪齒條機構(gòu)需要外加鎖緊裝置，因為之論之痛機構(gòu)不能自鎖，并且齒輪齒條不適用于兩軸中心距過大的傳動及振動沖擊較大的場合。 （4） 絲杠螺母傳動 特點：用于距離較短的高精度定位；電機和滾珠絲杠只用聯(lián)軸器連接，沒有間隙。 2.2.2 R方向旋轉(zhuǎn)運動的設(shè)計 （1） 擺動氣（液）缸 特點：擺動氣缸是利用壓縮空氣驅(qū)動輸出軸在一定角度范圍內(nèi)作往復(fù)回轉(zhuǎn)運動的氣動執(zhí)行元件。用于物體的轉(zhuǎn)位、翻轉(zhuǎn)、分類、夾緊、閥門的開閉以及機器人的手臂動作等。 （2） 齒輪傳動 特點：功率和速度

8、范圍大，通用性強，工作可靠，效率高，對中心距誤差的敏感性小，易于制造和精確加工，可進行變?yōu)榍邢骱托扌小? （3） 蝸桿傳動 特點：蝸桿傳動能實現(xiàn)傳動比大，傳動平穩(wěn)，但效率較低，適用于中小功率或間歇運轉(zhuǎn)的場合；當它與齒輪傳動同時應(yīng)用時，若蝸桿傳動布置在高速級，使其傳遞較小的轉(zhuǎn)矩，以減小蝸輪尺寸，節(jié)約有色金屬，且傳動效率較高。若蝸桿傳動布置在低速級，則齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩較小，而是整個傳動裝置的尺寸減小。（4） 帶傳動 特點：帶傳動靠摩擦力工作，承載能力較小，傳遞相同轉(zhuǎn)矩時，結(jié)構(gòu)尺寸較其它傳動形式大，但傳動平穩(wěn)，能緩沖吸振，應(yīng)布置在高速級，使所傳遞的轉(zhuǎn)距小。 （5） 鏈傳動 特點：鏈傳動由于多邊形

9、效應(yīng)，瞬時傳動比不斷變化，產(chǎn)生沖擊、振動，而使轉(zhuǎn)速不均勻，故不宜用于高速級，應(yīng)布置在低速級。 通過以上，綜合考慮，因為擺動的力矩不是很大，而且擺動只是一個固定角度90?，所以R方向旋轉(zhuǎn)傳動選擇90?擺動氣缸。 3 手部的設(shè)計與計算 3.1 手部的設(shè)計 工業(yè)機器人的手又稱為末端執(zhí)行器，它是機器人直接用于抓取和握緊（吸附）專用工具（如噴槍、扳手、焊具、噴頭等）進行操作的部件。它具有模仿人手動作的功能，并安裝于機器人手臂的前端。由于被握工件的形狀、尺寸、重量、材質(zhì)及表面狀態(tài)等不同，因此工業(yè)機器人末端操作器是多種多樣的，大致可分為夾鉗式取料手、吸附式取料手、專用操作器及轉(zhuǎn)換器和仿生多指靈巧手

10、等。 本文設(shè)計對象為物料搬運機器人，并不需要復(fù)雜的多指人工指，只需要設(shè)計能從不同角度抓取工件的鉗形指。 手指是直接與工件接觸的部件。手指松開和夾緊工件，是通過手指的張開與閉合來實現(xiàn)的。該設(shè)計采用兩個手指，其外形如圖2所示。 圖2 機械手手指形狀 3.2 驅(qū)動方式 機械手常用的驅(qū)動方式有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動和電機驅(qū)動三種類型。這三種方法各有所長，各種驅(qū)動方式的特點見表1。 機械手驅(qū)動系統(tǒng)各有其優(yōu)缺點，通常對機器人的驅(qū)動系統(tǒng)的要求有： (1)驅(qū)動系統(tǒng)的質(zhì)量盡可能要輕，單位質(zhì)量的輸出功率要高，效率也要高； (2)反應(yīng)速度要快，即要求力矩質(zhì)量比和力矩轉(zhuǎn)動慣量比要大，能夠進行

11、頻繁地起、制動，正、反轉(zhuǎn)切換； (3)驅(qū)動盡可能靈活，位移偏差和速度偏差要??； (4)安全可靠；對環(huán)境無污染，噪聲要小； (5)操作和維護方便； (6)經(jīng)濟上合理，尤其要盡量減少占地面積。 基于上述驅(qū)動系統(tǒng)的特點和機器人驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計要求，本文選用步進電機驅(qū)動的方式對機器人進行驅(qū)動。 表1 三種驅(qū)動方式的特點對照 內(nèi) 容 驅(qū) 動 方 式 液壓驅(qū)動 氣動驅(qū)動 電機驅(qū)動 輸出功率 很大，壓力范圍為 50～140Pa 大，壓力范圍為48～60Pa 較大 控制 性能 利用液體的不可壓縮性，控制精度較高，輸出功率大，可無級調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控

12、制。 氣體壓縮性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，難以實現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制。 控制精度高，功率較大，能精確定位，反應(yīng)靈敏，可實現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服特性好，控制系統(tǒng)復(fù)雜。 響應(yīng)速度 很高 較高 很高 結(jié)構(gòu) 性能 及 體積 結(jié)構(gòu)適當，執(zhí)行機構(gòu)可標準化、模擬化，易實現(xiàn)直接驅(qū)動。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題較大。 結(jié)構(gòu)適當，執(zhí)行機構(gòu)可標準化、模擬化，易實現(xiàn)直接驅(qū)動。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題較小。 伺服電動機易于標準化，結(jié)構(gòu)性能好，噪聲低，電動機一般需配置減速裝置，除DD電動機外，難以直接驅(qū)動，結(jié)構(gòu)緊湊，無密封問題

13、。 安全性 防爆性能較好，用液壓油作傳動介質(zhì)，在一定條件下有火災(zāi)危險。 防爆性能好，高于1000kPa時應(yīng)注意設(shè)備的抗壓性。 設(shè)備自身無爆炸和火災(zāi)危險，直流有刷電動機換向時有火花，對環(huán)境的防爆性能較差。 對環(huán)境 的影響 液壓系統(tǒng)易漏油，對環(huán)境有污染。 排氣時有噪聲 無 在工業(yè)機械手中應(yīng)用范圍 適用于重載、低速驅(qū)動，電液伺服系統(tǒng)適用于噴涂機器人、點焊機器人和托運機器人。 適用于中小負載驅(qū)動、精度要求較低的有限點位程序控制機器人，如沖壓機器人本體的氣動平衡及裝配機器人氣動夾具。 適用于中小負載、要求具有較高的位置控制精度和軌跡控制精度、速度較高的機器人，如AC伺服噴涂機器

14、人、點焊機器人、弧焊機器人、裝配機器人等。 成本 液壓元件成本較高 成本低 成本高 維修及 使用 方便，但油液對環(huán)境溫度有一定要求 方便 較復(fù)雜 3.3 手部夾緊力的計算 擬定物料搬運機器人手部最大抓取重量為8kg，其夾角為31度。根據(jù)工作位置和工作環(huán)境的需要，最終采用如圖3所示結(jié)構(gòu)。 圖3 手部結(jié)構(gòu)簡圖 手部機架采用鑄鋼鑄造，其摩擦系數(shù)，重力加速度取。夾緊時由力學關(guān)系可以得到公式：，從而得到夾緊力 由公式，知所需的驅(qū)動力 夾緊機構(gòu)采用絲杠傳動原理傳送夾緊力，擬定絲杠的大徑，螺距設(shè)為，牙型角為的梯形普通螺紋。 3.4 彈簧的計算[6]

15、 彈簧外形如圖4所示。 通過計算來確定彈簧的旋繞比、最大工作負荷、工作極限負荷、最小工作負荷、彈簧要求剛度、總?cè)?shù)、有效圈數(shù)、單圈剛度等一系列有彈簧有關(guān)的數(shù)據(jù)來確定彈簧是否合格。 圖4 手部彈簧 選用材料碳素彈簧鋼絲 彈簧材料的許用應(yīng)力及必須按照負荷性質(zhì)來確定。 彈簧按負荷性質(zhì)分為三類： Ⅰ類：受變負荷作用，次數(shù)在此以上的彈簧; Ⅱ類：受變負荷作用，次數(shù)在次或沖擊負荷的彈簧; Ⅲ類：受變負荷作用，次數(shù)在次以下的彈簧。 旋繞比C ；或查表11－1－6 ，，，由表11－1－6查得 最大工作負荷，單位N， 工作極限負荷， 最小工作負荷