一、搬運機器人的設計原理

搬運機器人為可移動門架式結構(gou)，手臂承(cheng)載機構(gou)可沿著導軌(gui)進行(xing)移動，導軌(gui)安裝與立柱上，位于(yu)被看管設備(bei)上方。

1、手臂承載機(ji)構沿導(dao)軌移動，由安裝于承載機(ji)構上(shang)的雙作(zuo)(zuo)用氣缸(gang)驅動裝置(zhi)，保證操作(zuo)(zuo)機(ji)手臂實現600mm的往(wang)復運動。

2、手臂在肩關(guan)節(jie)中的轉動，由安裝(zhuang)于承(cheng)載機構(gou)上的雙(shuang)作用氣缸(gang)驅動裝(zhuang)置，運(yun)動傳遞機構(gou)和安裝(zhuang)于肩部(bu)的滾(gun)珠(zhu)絲杠實(shi)現(xian)。

3、手臂在肘關節中的轉動，由(you)安裝于小臂上的雙作(zuo)用(yong)氣缸驅動裝置，運動傳遞(di)機(ji)構實現。

二、搬運機器人的總體設計的思路

設計(ji)機器人大體上可分為兩(liang)個階段：

1、系統分析階段

①根據系統(tong)的(de)(de)目標，明(ming)確所采用(yong)機器人的(de)(de)目的(de)(de)和任務(wu)。

②分(fen)析機(ji)器(qi)人所在(zai)系統的工作環境(jing)。

③根據機(ji)器人的(de)(de)工(gong)作(zuo)(zuo)要求，確定機(ji)器人的(de)(de)基本功(gong)能和方(fang)案。如機(ji)器人的(de)(de)自由(you)度(du)、信息的(de)(de)存儲量、計算機(ji)功(gong)能、動作(zuo)(zuo)精度(du)的(de)(de)要求、所能抓取的(de)(de)重量、容(rong)許(xu)的(de)(de)運動范圍、以及對溫度(du)、震動等環境的(de)(de)適應性。

2、技術設計階段

①根據系(xi)統的要求(qiu)確(que)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(biao)形式。

②擬(ni)訂機器人的運動(dong)路(lu)線和空間作業圖(tu)。

③確定驅動系統(tong)的類型。

④選(xuan)擇各部件(jian)的具體結構，進行機器(qi)人總(zong)裝圖的設計。

⑤繪制機器人(ren)的零件(jian)圖，并確定尺寸。

三、搬運機器人的結構組成

搬運機器人由執行機構(gou)(gou)、驅動機構(gou)(gou)和控(kong)制機構(gou)(gou)三部分組(zu)成。

1、執行機構

（1）手部

手(shou)部(bu)既(ji)直接與工(gong)件接觸的部(bu)分(fen)，一般(ban)是回(hui)轉型(xing)(xing)(xing)或平動型(xing)(xing)(xing)（多為回(hui)轉型(xing)(xing)(xing)，因其(qi)結構簡(jian)單）。手(shou)部(bu)多為兩指(zhi)（也有(you)多指(zhi)）；根據需要分(fen)為外抓式(shi)和內(nei)抓式(shi)兩種；也可以(yi)用負壓(ya)式(shi)或真空(kong)式(shi)的空(kong)氣吸(xi)盤（主要用于可吸(xi)附的，光滑表面(mian)的零件或薄板零件）和電(dian)磁吸(xi)盤。

傳力機構形(xing)式(shi)(shi)(shi)較多(duo)，常(chang)用的(de)(de)(de)有(you)：滑槽杠(gang)桿(gan)式(shi)(shi)(shi)、連桿(gan)杠(gang)桿(gan)式(shi)(shi)(shi)、斜楔杠(gang)桿(gan)式(shi)(shi)(shi)、齒輪齒條(tiao)式(shi)(shi)(shi)、絲杠(gang)螺母式(shi)(shi)(shi)、彈簧式(shi)(shi)(shi)和重(zhong)力式(shi)(shi)(shi)。本次設(she)計的(de)(de)(de)手(shou)(shou)部選擇(ze)夾(jia)持(chi)類回(hui)轉型(xing)結構手(shou)(shou)部。手(shou)(shou)部執行(xing)依靠桿(gan)的(de)(de)(de)伸(shen)縮運(yun)動來(lai)實現其張合運(yun)動，桿(gan)的(de)(de)(de)動力源來(lai)自(zi)后續(xu)驅動源的(de)(de)(de)液(ye)壓缸(gang)，該液(ye)壓缸(gang)采用的(de)(de)(de)是(shi)伸(shen)縮式(shi)(shi)(shi)液(ye)壓缸(gang)，該液(ye)壓缸(gang)能夠節(jie)省橫向的(de)(de)(de)工(gong)作空間。

（2）腕部

腕部(bu)(bu)(bu)是連接(jie)手(shou)部(bu)(bu)(bu)和臂(bei)部(bu)(bu)(bu)的(de)(de)部(bu)(bu)(bu)件，并可用(yong)來調節被抓物體的(de)(de)方位，以擴(kuo)大機(ji)(ji)(ji)械(xie)手(shou)的(de)(de)動(dong)(dong)(dong)(dong)作(zuo)范圍，并使機(ji)(ji)(ji)械(xie)手(shou)變的(de)(de)更(geng)靈(ling)巧，適(shi)應性更(geng)強。手(shou)腕有獨立的(de)(de)自(zi)由(you)度。有回轉(zhuan)運動(dong)(dong)(dong)(dong)、上下擺動(dong)(dong)(dong)(dong)、左右擺動(dong)(dong)(dong)(dong)。一(yi)(yi)般腕部(bu)(bu)(bu)設有回轉(zhuan)運動(dong)(dong)(dong)(dong)再增加一(yi)(yi)個上下擺動(dong)(dong)(dong)(dong)即可滿足工作(zuo)要(yao)求，有些動(dong)(dong)(dong)(dong)作(zuo)較為簡單的(de)(de)專用(yong)機(ji)(ji)(ji)械(xie)手(shou)，為了簡化(hua)結(jie)構，可以不(bu)設腕部(bu)(bu)(bu)，而直接(jie)用(yong)臂(bei)部(bu)(bu)(bu)運動(dong)(dong)(dong)(dong)驅動(dong)(dong)(dong)(dong)手(shou)部(bu)(bu)(bu)搬(ban)運工件。

目前(qian)，應用最為廣泛的手(shou)腕回(hui)轉(zhuan)運動(dong)機(ji)構(gou)為回(hui)轉(zhuan)液壓（氣）缸，它的結構(gou)緊(jin)湊，靈(ling)巧但(dan)回(hui)轉(zhuan)角(jiao)度(du)小（一般小于?270），并且要(yao)(yao)求嚴格密封，否則就(jiu)難保證穩定的輸出扭(niu)矩(ju)。因(yin)此(ci)在要(yao)(yao)求較大回(hui)轉(zhuan)角(jiao)的情況下，采用齒條(tiao)傳動(dong)或鏈輪以(yi)及輪系(xi)結構(gou)。本(ben)次設計的搬(ban)運機(ji)器人的腕部(bu)是實(shi)現(xian)手(shou)部(bu)?180的旋轉(zhuan)運動(dong)。

腕部(bu)的(de)(de)驅(qu)動(dong)方(fang)式采用直接驅(qu)動(dong)的(de)(de)方(fang)式，由于腕部(bu)裝(zhuang)在(zai)手(shou)臂的(de)(de)末端(duan)，所以(yi)必須設計(ji)的(de)(de)十(shi)分緊湊可以(yi)把驅(qu)動(dong)源裝(zhuang)在(zai)手(shou)腕上。機器人手(shou)部(bu)的(de)(de)張合是由雙作(zuo)用單柱塞液壓(ya)缸(gang)驅(qu)動(dong)的(de)(de)；而手(shou)腕的(de)(de)回轉(zhuan)運動(dong)則由回轉(zhuan)液壓(ya)缸(gang)實(shi)現。將(jiang)夾緊活塞缸(gang)的(de)(de)外殼(ke)與(yu)擺(bai)動(dong)油缸(gang)的(de)(de)動(dong)片連接在(zai)一起；當回轉(zhuan)液壓(ya)缸(gang)中不(bu)同(tong)的(de)(de)油腔中進油時即可實(shi)現手(shou)腕不(bu)同(tong)方(fang)向的(de)(de)回轉(zhuan)。

（3）臂部

手(shou)(shou)臂(bei)部件是(shi)機(ji)械手(shou)(shou)的重要握持部件。它(ta)的作用是(shi)支撐腕部和手(shou)(shou)部（包括(kuo)工(gong)作或夾具），并帶動(dong)(dong)他們做空(kong)間運動(dong)(dong)。

臂部運動(dong)的(de)目(mu)的(de)：把手(shou)部送到空間運動(dong)范圍內(nei)任意一(yi)點。如果改變(bian)手(shou)部的(de)姿態(tai)（方位），則用(yong)腕(wan)部的(de)自由度(du)加以(yi)實現。因此，一(yi)般來說臂部具有三(san)個(ge)自由度(du)才能滿足基本要求，即手(shou)臂的(de)伸縮、左右(you)旋(xuan)轉、升降（或俯仰）運動(dong)。

手(shou)臂(bei)的(de)(de)(de)各(ge)種(zhong)運(yun)動通常用驅動機(ji)(ji)構(gou)（如(ru)液壓缸或者氣缸）和各(ge)種(zhong)傳(chuan)動機(ji)(ji)構(gou)來實現(xian)，從臂(bei)部(bu)(bu)(bu)的(de)(de)(de)受(shou)力情況(kuang)分析，它在(zai)工(gong)作中既受(shou)腕部(bu)(bu)(bu)、手(shou)部(bu)(bu)(bu)和工(gong)件的(de)(de)(de)靜、動載荷，而且(qie)自身(shen)運(yun)動較為(wei)多，受(shou)力復雜。因此(ci)，它的(de)(de)(de)結構(gou)、工(gong)作范圍(wei)、靈活(huo)性以(yi)及抓重大小和定位精度(du)直接(jie)(jie)影響(xiang)機(ji)(ji)械手(shou)的(de)(de)(de)工(gong)作性能(neng)。本次(ci)設計實現(xian)臂(bei)部(bu)(bu)(bu)的(de)(de)(de)上(shang)下移動、前后(hou)伸縮(suo)、以(yi)及臂(bei)部(bu)(bu)(bu)的(de)(de)(de)回轉運(yun)動。手(shou)臂(bei)的(de)(de)(de)運(yun)動參數：伸縮(suo)行程：1200mm；伸縮(suo)速度(du)：83mm/s；升降(jiang)行程：300mm；升降(jiang)速度(du)：67mm/s；回轉范圍(wei)：180~0。機(ji)(ji)器人手(shou)臂(bei)的(de)(de)(de)伸縮(suo)使其手(shou)臂(bei)的(de)(de)(de)工(gong)作長度(du)發(fa)生變(bian)化，在(zai)圓柱坐標式(shi)結構(gou)中，手(shou)臂(bei)的(de)(de)(de)最大工(gong)作長度(du)決(jue)定其末端所能(neng)達到的(de)(de)(de)圓柱表面直徑。伸縮(suo)式(shi)臂(bei)部(bu)(bu)(bu)機(ji)(ji)構(gou)的(de)(de)(de)驅動可采用液壓缸直接(jie)(jie)驅動。

（4）機座

機(ji)(ji)(ji)座是機(ji)(ji)(ji)身機(ji)(ji)(ji)器(qi)(qi)人(ren)的(de)(de)(de)(de)基礎(chu)部(bu)(bu)分，起支撐作用(yong)。對固定式機(ji)(ji)(ji)器(qi)(qi)人(ren)，直(zhi)接聯接在(zai)(zai)地面上(shang)，對可移動(dong)式機(ji)(ji)(ji)器(qi)(qi)人(ren)，則安(an)(an)裝(zhuang)(zhuang)在(zai)(zai)移動(dong)結構上(shang)。機(ji)(ji)(ji)身由臂部(bu)(bu)運動(dong)（升降、平移、回(hui)轉(zhuan)(zhuan)和俯仰）機(ji)(ji)(ji)構及其相(xiang)關的(de)(de)(de)(de)導向裝(zhuang)(zhuang)置(zhi)、支撐件(jian)等組成(cheng)。并且，臂部(bu)(bu)的(de)(de)(de)(de)升降、回(hui)轉(zhuan)(zhuan)或(huo)俯仰等運動(dong)的(de)(de)(de)(de)驅(qu)動(dong)裝(zhuang)(zhuang)置(zhi)或(huo)傳動(dong)件(jian)都(dou)安(an)(an)裝(zhuang)(zhuang)在(zai)(zai)機(ji)(ji)(ji)身上(shang)。臂部(bu)(bu)的(de)(de)(de)(de)運動(dong)越多，機(ji)(ji)(ji)身的(de)(de)(de)(de)結構和受力越復雜。本(ben)次(ci)畢業設計(ji)的(de)(de)(de)(de)搬運機(ji)(ji)(ji)器(qi)(qi)人(ren)的(de)(de)(de)(de)機(ji)(ji)(ji)身選用(yong)升降回(hui)轉(zhuan)(zhuan)型機(ji)(ji)(ji)身結構；臂部(bu)(bu)和機(ji)(ji)(ji)身的(de)(de)(de)(de)配(pei)置(zhi)型式采(cai)用(yong)立柱式單(dan)臂配(pei)置(zhi)，其驅(qu)動(dong)源來(lai)自回(hui)轉(zhuan)(zhuan)液壓缸。

2、驅動機構

驅動機構是搬運機器人的(de)重要組成部(bu)分。根據(ju)動力源(yuan)的(de)不(bu)同，工業機(ji)(ji)(ji)械(xie)手的(de)驅(qu)動機(ji)(ji)(ji)構大(da)致可(ke)分為液壓、氣動、電動和機(ji)(ji)(ji)械(xie)驅(qu)動等四類。

（1）液(ye)壓傳動。具有較大(da)功率體積比，常用(yong)(yong)于大(da)負載(zai)的(de)場合(he)；壓力、流量(liang)均容易(yi)控(kong)制(zhi)，可(ke)無級調速；反應靈敏(min)，可(ke)實現(xian)連續軌跡控(kong)制(zhi)，維修(xiu)方便；但液(ye)體對溫度變化敏(min)感，油(you)液(ye)泄(xie)漏易(yi)著火；中小型專(zhuan)用(yong)(yong)機(ji)械手(shou)或機(ji)器(qi)人都有應用(yong)(yong)，重型機(ji)械手(shou)多為液(ye)壓驅動；液(ye)壓元件成(cheng)本較高，油(you)路也比較復雜。

（2）氣壓傳動。氣動系統簡單，成(cheng)本(ben)低，適合于節拍快(kuai)、負載小且精度要(yao)求(qiu)不高的場合，常用于點(dian)位控(kong)制、抓(zhua)取、彈性握持(chi)和真空吸附(fu)，可高速(su)，但沖擊較嚴重，精確定(ding)位困難；維修簡單，能在高溫(wen)、粉(fen)塵等惡劣環境中使用，泄漏無(wu)影(ying)響；中小型專(zhuan)用機(ji)(ji)械(xie)手或(huo)機(ji)(ji)器人都有應用。

（3）電動(dong)(dong)。有異(yi)步電機(ji)(ji)、直流電機(ji)(ji)、步進或伺服(fu)電機(ji)(ji)等電動(dong)(dong)驅動(dong)(dong)方式。電動(dong)(dong)機(ji)(ji)使(shi)用簡單，且隨著材料性能(neng)的提高，電動(dong)(dong)機(ji)(ji)性能(neng)也(ye)逐漸提高，目前主要適合(he)于(yu)中等負載，特別是(shi)適合(he)動(dong)(dong)作(zuo)復雜、運動(dong)(dong)軌跡嚴格的工業機(ji)(ji)器(qi)人(ren)和各種微型機(ji)(ji)器(qi)人(ren)。

（4）制動器：制(zhi)(zhi)動(dong)器是將(jiang)機械運(yun)動(dong)部分(fen)的(de)(de)能量變為熱能釋(shi)放，從(cong)而(er)使運(yun)動(dong)的(de)(de)機械速度降低(di)或者(zhe)停(ting)止的(de)(de)裝置，它大(da)致可分(fen)為機械制(zhi)(zhi)動(dong)器和電氣制(zhi)(zhi)動(dong)起兩類。在機器人機構中，學(xue)要(yao)使用制(zhi)(zhi)動(dong)器的(de)(de)情況如(ru)下：

①特殊(shu)情況(kuang)下(xia)的瞬間(jian)停止和需要采取(qu)安全措(cuo)施

②停電時，防止運動(dong)部分(fen)下滑而破(po)壞其他(ta)裝(zhuang)置。

機械制動器：

機械制動器(qi)(qi)有螺旋式自動加載制動器(qi)(qi)、盤式制動器(qi)(qi)、閘瓦式制動器(qi)(qi)和(he)電磁制動器(qi)(qi)等幾種。其中最(zui)典型(xing)的是電磁制動器(qi)(qi)。

在機(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)人(ren)的(de)驅動(dong)(dong)(dong)系統中常(chang)使用伺服(fu)電(dian)動(dong)(dong)(dong)機(ji)(ji)，伺服(fu)電(dian)機(ji)(ji)本身(shen)的(de)特性(xing)決定(ding)了電(dian)磁(ci)(ci)制(zhi)(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)是不可缺少(shao)的(de)部件。從原理(li)上講，這(zhe)種制(zhi)(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)就是用彈(dan)簧(huang)力制(zhi)(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)的(de)盤式(shi)制(zhi)(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)，只有(you)勵磁(ci)(ci)電(dian)流(liu)通過(guo)線圈時(shi)(shi)制(zhi)(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)打開，這(zhe)時(shi)(shi)制(zhi)(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)不起制(zhi)(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)作用，而(er)當電(dian)源斷開線圈中無勵磁(ci)(ci)電(dian)流(liu)時(shi)(shi)，在彈(dan)簧(huang)力的(de)作用下處于制(zhi)(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)狀態的(de)常(chang)閉方式(shi)。因此這(zhe)種制(zhi)(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)被稱(cheng)為(wei)無勵磁(ci)(ci)動(dong)(dong)(dong)作型(xing)電(dian)磁(ci)(ci)制(zhi)(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)。又因為(wei)這(zhe)種制(zhi)(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)常(chang)用于安(an)全制(zhi)(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)場合，所以也稱(cheng)為(wei)安(an)全制(zhi)(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)。

電氣制動器

電(dian)(dian)(dian)(dian)動(dong)機(ji)是將電(dian)(dian)(dian)(dian)能轉(zhuan)(zhuan)換(huan)為(wei)(wei)機(ji)械能的(de)裝置(zhi)，反之，他也具有將旋轉(zhuan)(zhuan)機(ji)械能轉(zhuan)(zhuan)換(huan)為(wei)(wei)電(dian)(dian)(dian)(dian)能的(de)發電(dian)(dian)(dian)(dian)功能。換(huan)言(yan)之，伺服電(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)是一種(zhong)能量轉(zhuan)(zhuan)換(huan)裝置(zhi)，可將電(dian)(dian)(dian)(dian)能轉(zhuan)(zhuan)換(huan)為(wei)(wei)機(ji)械能，同(tong)時(shi)也能通過其反過程來達到制動(dong)的(de)目(mu)的(de)。但對于直流電(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)、同(tong)步電(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)和感(gan)應電(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)等各種(zhong)不同(tong)類型的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)，必須分別采(cai)用適當的(de)制動(dong)電(dian)(dian)(dian)(dian)路。

3、控制機構

構建機(ji)器人(ren)平臺(tai)的(de)(de)(de)核心(xin)是建立機(ji)器人(ren)的(de)(de)(de)控(kong)制(zhi)系(xi)統(tong)(tong)。首先需要選擇(ze)和硬(ying)(ying)件(jian)(jian)平臺(tai)，控(kong)制(zhi)系(xi)統(tong)(tong)硬(ying)(ying)件(jian)(jian)平臺(tai)對(dui)于(yu)系(xi)統(tong)(tong)的(de)(de)(de)開(kai)放(fang)性(xing)、實(shi)現方式和開(kai)發(fa)工作量有(you)很(hen)大(da)(da)的(de)(de)(de)影響。一般常用的(de)(de)(de)控(kong)制(zhi)系(xi)統(tong)(tong)硬(ying)(ying)件(jian)(jian)平臺(tai)應滿(man)足：硬(ying)(ying)件(jian)(jian)系(xi)統(tong)(tong)基于(yu)標準總(zong)(zong)線機(ji)構，具有(you)可伸(shen)縮性(xing)；硬(ying)(ying)件(jian)(jian)結構具有(you)必要的(de)(de)(de)實(shi)時計(ji)算能力；硬(ying)(ying)件(jian)(jian)系(xi)統(tong)(tong)模(mo)塊化(hua)，便于(yu)添(tian)加或更(geng)改各種接口、傳感(gan)器和特殊計(ji)算機(ji)等；低成(cheng)本。到目前(qian)為止，一般機(ji)器人(ren)控(kong)制(zhi)系(xi)統(tong)(tong)的(de)(de)(de)硬(ying)(ying)件(jian)(jian)平臺(tai)可以大(da)(da)致分為兩類(lei)：基于(yu)VME總(zong)(zong)線（Versamodel Eurocard由Motorola公司1981年推出(chu)的(de)(de)(de)第一代32位工業開(kai)放(fang)標準總(zong)(zong)線）的(de)(de)(de)系(xi)統(tong)(tong)和基于(yu)PC總(zong)(zong)線的(de)(de)(de)系(xi)統(tong)(tong)。近年來(lai)，隨著PC機(ji)性(xing)能的(de)(de)(de)快速發(fa)展，可靠性(xing)大(da)(da)為提高(gao)，價格卻大(da)(da)幅度降(jiang)低，以PC機(ji)為核心(xin)的(de)(de)(de)控(kong)制(zhi)系(xi)統(tong)(tong)已廣泛被機(ji)器人(ren)控(kong)制(zhi)領(ling)域所接受。