關(guān)節(jié)型搬運(yùn)機(jī)器人設(shè)計(jì)

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1、 關(guān)節(jié)型搬運(yùn)機(jī)器人設(shè)計(jì) 摘要 隨著現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人的使用迅速增長(zhǎng)。本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外工業(yè)機(jī)器人的分析，并結(jié)合搬運(yùn)所需要的條件，設(shè)計(jì)出了工廠自動(dòng)化生產(chǎn)和生產(chǎn)線使用的搬運(yùn)機(jī)器人。 本文著重對(duì)搬運(yùn)機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)方案、機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)從理論上進(jìn)行了詳細(xì)的分析和設(shè)計(jì)。在搬運(yùn)機(jī)器人總體設(shè)計(jì)中，采用了應(yīng)用最為廣泛的平面關(guān)節(jié)型；在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，主要設(shè)計(jì)了搬運(yùn)機(jī)器人末端執(zhí)行器、手腕、手臂和腰的機(jī)械結(jié)構(gòu)；在末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)上采用了一種具有接近覺(jué)、接觸覺(jué)及滑動(dòng)覺(jué)的初級(jí)智能機(jī)械手；在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，采用可編程控制器（PLC）進(jìn)行控制，并對(duì)控制系統(tǒng)的硬件原理做了分析，對(duì)PLC 的程序也進(jìn)行了編譯

2、；在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用了氣動(dòng)和電機(jī)兩種驅(qū)動(dòng)方式，主要?jiǎng)幼鞑捎秒姍C(jī)驅(qū)動(dòng)。 關(guān)鍵詞：搬運(yùn)機(jī)器人，三感覺(jué)機(jī)械手，可編程序控制器 Design of the joint transporting robot Abstract Under the development of the modern industrial robot’s technology , the use of industrial robot increases rapidly. Through analyzing the domestic and foreign industrial robots, com

3、bing the conditions of the transportation, the transporting robot for the factory automation produce and the production line is designed in this article. The emphasis on this article is to analyze and design the transporting robot in theory. The analytical objects include the total scheme, the mech

4、anism design, and the control system design. In the total scheme design, the most wildly applied plane joint type is chosen. In the mechanism, the transporting robot’s end-effector, the wrist, the arm and the waist are mainly designed. A kind of the approaching sense, the contact sense and the skidd

5、ing sense primary intelligence manipulator is adopted in the end-effector; In the control system, the programmable controller (PLC) is used, the principle of hardware is analyzed and the programs in PLC are compiled. In the actuating system, two driving types are used which include the pneumatic ope

6、ration and the motor. The main movement is driven by the motor. Key words: Transporting robot, three feelings manipulators, programmable controller（PLC） 1．引 言 本課題研制的搬運(yùn)機(jī)器人，是一種綜合了人和機(jī)器特長(zhǎng)的擬人機(jī)械電子裝置，既有人對(duì)環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動(dòng)化設(shè)備。它能夠感應(yīng)工件并能按規(guī)定抓取，升高，轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，向前移動(dòng)，把料

7、準(zhǔn)確放入指定的工位。為了便于設(shè)計(jì)，工件設(shè)為60*60*60的立方體，重為3kg。 本文對(duì)一類搬運(yùn)機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等從理論上進(jìn)行了較為全面的研究。在機(jī)械手設(shè)計(jì)上采用了一種具有接近覺(jué)、接觸覺(jué)及滑動(dòng)覺(jué)的初級(jí)智能機(jī)械手。 2．總體方案與機(jī)械本體設(shè)計(jì) 由工業(yè)機(jī)器人的構(gòu)成及其運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，進(jìn)行機(jī)械本體、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)的方案比較與選擇，基于總體方案的設(shè)計(jì)，選定基本技術(shù)參數(shù)。 2.1手部（末端執(zhí)行器）的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算 分析手部的功能與分類，根據(jù)其設(shè)計(jì)要求，在本次設(shè)計(jì)中可使用的末端執(zhí)行器有以下幾種： （1）吸附式 （2）電磁吸盤式 （3）多關(guān)節(jié)多指手爪

8、（4）夾鉗持式手爪 本設(shè)計(jì)選用的是夾鉗式手部的齒輪齒條平行連桿式平移型夾持器。 結(jié)構(gòu)如圖2-1所示： 圖2-1 齒輪齒條平行連桿式平移型夾持器 夾鉗式手部應(yīng)具有適當(dāng)?shù)牡膴A緊力和驅(qū)動(dòng)力，手部方案計(jì)算包括：夾緊力、夾緊缸驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算。 受力示意如圖： 圖 2-2 受力示意圖 2.2手腕的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算 分析手腕的功能與分類，手腕設(shè)計(jì)應(yīng)該具有兩個(gè)自由度，即能實(shí)現(xiàn)手腕的回轉(zhuǎn)和俯仰運(yùn)動(dòng)，由手腕設(shè)計(jì)要求，在本次設(shè)計(jì)中可

9、采用的設(shè)計(jì)方案有以下幾種結(jié)構(gòu)： 方案一傳動(dòng)示意圖2-3如下： 圖 2-3方案一傳動(dòng)示意圖 方案二傳動(dòng)示意圖如圖 2-4所示： 圖2-4 擺動(dòng)液壓缸驅(qū)動(dòng)手腕 方案三傳動(dòng)示意圖如圖2-5所示： 在方案三中充分考慮到手腕回轉(zhuǎn)所需力矩小所以使用的電動(dòng)機(jī)和諧波減速機(jī)構(gòu)都質(zhì)量和體

10、積都很小，可以之間將其直接放在手腕前端，這樣就減少了小臂前端的質(zhì)量和體積，所以在本次設(shè)計(jì)中使用第三方案。 圖 2-5方案三傳動(dòng)示意 手腕回轉(zhuǎn)、俯仰時(shí)，需要克服腕部的摩擦阻力力矩、工件重心偏置力矩和腕部啟動(dòng)時(shí)的慣性阻力力矩。手腕設(shè)計(jì)方案的計(jì)算包括： （一） 手腕回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 （二） 手腕俯仰力矩的計(jì)算 2.3手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算 分析手臂的功能與分類，根據(jù)其設(shè)計(jì)要求，本次設(shè)計(jì)可供選擇的結(jié)構(gòu)主要有以下幾種： （一）液壓驅(qū)動(dòng)圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu) （二）電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)援助坐標(biāo)型機(jī)器人手臂 （三）PUMA機(jī)

11、器人手臂結(jié)構(gòu) （四）SPINE機(jī)器人多節(jié)柔性手臂 （五）帶諧波減速器的機(jī)器人手臂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu) 圖2-6 PUMA560機(jī)器人小臂傳動(dòng)圖 本設(shè)計(jì)是采用PUMA機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)結(jié)合設(shè)計(jì)需要進(jìn)行改進(jìn)： 一、小臂的示意圖如下： 圖2-7 小臂的示意圖 二、大臂示意圖如下： 圖2-8 大臂示意圖 其大臂和小臂均用高強(qiáng)度的鋁合金材料制成的薄壁框形結(jié)構(gòu)，大臂的肘關(guān)節(jié)處的傳動(dòng)與別處不同，為了實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)和動(dòng)作的精確，以及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，質(zhì)量小，所以

12、采用諧波減速器。設(shè)計(jì)計(jì)算截面尺寸和手臂長(zhǎng)度，使其在滿足強(qiáng)度、剛度和尺寸要求的前提下，得到最優(yōu)尺寸和最小質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。大臂肘關(guān)節(jié)處的傳動(dòng)示意圖為： 圖2-9 大臂肘關(guān)節(jié)處傳動(dòng)示意圖 2.4機(jī)座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算 分析機(jī)座的功能與分類，根據(jù)其設(shè)計(jì)要求，在本次設(shè)計(jì)中可供選擇的腰座有以下幾種： 方案一：采用環(huán)形軸承作支撐結(jié)構(gòu)的機(jī)器人腰座 圖2-10 采用環(huán)形軸承作支撐結(jié)構(gòu)的機(jī)器人腰座 方案二：采用普通

13、軸承作支撐結(jié)構(gòu)的機(jī)器人腰座 圖2-11 采用普通軸承作支撐結(jié)構(gòu)的機(jī)器人腰座 本方案是采用普通軸承做支承元件的腰座支承結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)制造簡(jiǎn)單，成本低、安裝調(diào)整方便等優(yōu)點(diǎn)，雖然存在腰座尺寸過(guò)大的缺點(diǎn)，但是卻可以增加穩(wěn)定性。本次設(shè)計(jì)即采用這種腰部。 方案三：PUMA機(jī)器人腰座 經(jīng)過(guò)對(duì)減速器和電動(dòng)機(jī)選擇及相關(guān)計(jì)算，搬運(yùn)機(jī)器人機(jī)械本體效果圖如下： 圖2-12 搬運(yùn)機(jī)器人機(jī)械本體效果圖 3．控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.1 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 通過(guò)對(duì)PLC的分析，本機(jī)采用三菱公司生產(chǎn)的FX2N-40MR PLC。

14、 機(jī)器人搬運(yùn)操作方式分為手動(dòng)和自動(dòng)操作方式。自動(dòng)操作方式又分為步進(jìn)、單周期和連續(xù)操作方式。 （1）機(jī)器人搬運(yùn)示意 圖3-1 機(jī)器人搬運(yùn)示意圖 原位（零點(diǎn)）位置：機(jī)器人的小臂停在下限位置出，鉗抓放松，即物體抓取出，不需要通過(guò)仰俯運(yùn)動(dòng)來(lái)調(diào)整鉗抓的角度，輸送帶和物料臺(tái)同一高度。 （2）機(jī)器人搬運(yùn)系統(tǒng)輸入和輸出點(diǎn)分配表 表3-1 I/O分配表 名稱 代號(hào) 輸入 名 稱 代號(hào) 輸入 名 稱 代號(hào) 輸出 啟動(dòng) SB1 X0 手動(dòng)操作 SB6 X10 電磁閥上升 YV1 Y0 上升限位 SQ1

15、 X1 連續(xù)操作 SB7 X11 電磁閥左移 YV2 Y1 左移限位 SQ2 X2 單步上升 SB7 X12 電磁閥下降 YV3 Y2 下降限位 SQ3 X3 單步下降 SB8 X13 輸送帶A轉(zhuǎn)動(dòng) YV4 Y3 工件檢測(cè) SQ4 X4 單步左移 SB9 X14 抓取 YV5 Y4 抓限位 SB2 X5 單步右移 SB10 X15 電磁閥右移 YV6 Y5 右移限位 SB3 X6 夾緊 SB11 X16 原點(diǎn)指示 EL Y6 停止 SB4 X7 放松 SB12 X17 輸送帶B轉(zhuǎn)

16、動(dòng) YV7 Y7 回原點(diǎn) SB5 X20 輸送帶轉(zhuǎn)動(dòng) SB13 X21 （3）PLC輸入，輸出連接電路圖 圖3-2 PLC輸入，輸出連接電路圖 （4）操作系統(tǒng) 操作系統(tǒng)包括回原點(diǎn)程序，手動(dòng)單步操作程序和自動(dòng)連續(xù)操作程序。 圖3-3 機(jī)械手操作程序圖 其原理是： X20接通，系統(tǒng)自動(dòng)回原點(diǎn)，Y6驅(qū)動(dòng)指示燈亮。X10接通，其常閉觸頭打開(kāi)，程序不跳轉(zhuǎn)（CJ為一跳轉(zhuǎn)指令，如果CJ驅(qū)動(dòng)，則跳到指針P所指P0處），執(zhí)行手動(dòng)程序。之后，由于X1

17、1常閉觸點(diǎn)，當(dāng)執(zhí)行CJ指令時(shí)，跳轉(zhuǎn)到P1所指的結(jié)束位置。如果置于自動(dòng)位置，（既X10常閉閉合、X11常閉打開(kāi)）則程序執(zhí)行時(shí)跳過(guò)手動(dòng)程序，直接執(zhí)行自動(dòng)程序。 （5）回原位程序 圖3-4 回原位狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖 （6）手動(dòng)單步操作程序　 圖中上升/下降，左移/右移都有聯(lián)鎖和限位保護(hù)。 圖3-5 手動(dòng)單步操作程序圖 （7）自動(dòng)操作程序

18、 圖3-6 自動(dòng)操作狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖 3.2 傳感器的選擇 在本設(shè)計(jì)中，傳感器主要用來(lái)檢測(cè)手腕、手臂、腰部的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，還有確定手爪對(duì)工件的抓取 。在機(jī)械手設(shè)計(jì)上采用了一種具有接近覺(jué)、接觸覺(jué)及滑動(dòng)覺(jué)的初級(jí)智能機(jī)械手。工作原理如下： 接近覺(jué)傳感器、接觸覺(jué)傳感器、滑動(dòng)覺(jué)傳感器位于手指上 接近覺(jué)傳感器是由紅外發(fā)射器、紅外探測(cè)器及其信號(hào)處理電路構(gòu)成。 接觸覺(jué)傳感器、滑動(dòng)覺(jué)傳感器是一個(gè)傳感器。是由聚偏氟乙烯膜，銅箔電極和絕緣橡膠表皮保護(hù)層構(gòu)成。 圖3-7 初級(jí)智能機(jī)械手結(jié)構(gòu)圖 4．結(jié)論與建議 4.1結(jié)論 本文對(duì)一類搬運(yùn)機(jī)器人的總體方案上進(jìn)行了研究，并對(duì)其機(jī)

19、械本體結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。 (1)通過(guò)相關(guān)方案的選擇、計(jì)算及校核，從理論上驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的可行性和正確性。 (2)編寫了PLC程序，并進(jìn)行了機(jī)器人搬運(yùn)工件模擬實(shí)驗(yàn)，在模擬實(shí)驗(yàn)中機(jī)器人能夠很好的完成設(shè)計(jì)好的動(dòng)作，證實(shí)了機(jī)器人控制系統(tǒng)的正確性。 4.2建議 在設(shè)計(jì)方面還存在不少不足，可以提出以下幾個(gè)方面建議對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行完善： (1)本設(shè)計(jì)理論上采用光電編碼器的輸出直接通過(guò)PLC的高速記數(shù)單元與PLC進(jìn)行連接，PLC再通過(guò)高速記數(shù)單元將控制信號(hào)發(fā)送給電動(dòng)機(jī)，但在實(shí)際的PLC設(shè)計(jì)中采用的是機(jī)械限位所產(chǎn)生的信號(hào)發(fā)送給PLC，PLC再將控制信號(hào)發(fā)送給電動(dòng)機(jī)，從而限制了機(jī)器人的

20、工作范圍。在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，考慮到工作狀況和控制的簡(jiǎn)便未對(duì)機(jī)器人手腕的仰俯運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制設(shè)計(jì)，從而限制了機(jī)器人的自由度和工作空間。 (2)在氣缸和部分零部件加工工藝設(shè)計(jì)上存在不足，未考慮充分氣缸的密封性和部分零部件的可加工性。 (3)未充分考慮機(jī)器人制造的成本，經(jīng)濟(jì)性。 (4)可在PLC軟件編程上改進(jìn)，采用不同的中間繼電器控制來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的輸入信號(hào)通過(guò)一個(gè)輸入口輸入信號(hào)。 (5)本文未對(duì)沿軌道的前后運(yùn)動(dòng)的行走機(jī)構(gòu)及其控制系統(tǒng)做設(shè)計(jì)。 （注：可編輯下載，若有不當(dāng)之處，請(qǐng)指正，謝謝!）