一、搬運機器人的設計原理

搬運機器人為可(ke)移(yi)動(dong)門(men)架式(shi)結(jie)構，手臂(bei)承載機構可(ke)沿(yan)著導軌進行移(yi)動(dong)，導軌安(an)裝與立柱上，位于被看(kan)管設備(bei)上方。

1、手(shou)臂承載機(ji)構(gou)沿導(dao)軌移動(dong)，由(you)安(an)裝于承載機(ji)構(gou)上的雙作(zuo)用氣缸驅動(dong)裝置，保證(zheng)操作(zuo)機(ji)手(shou)臂實(shi)現600mm的往復運動(dong)。

2、手臂在肩關節中的(de)轉動(dong)，由安(an)裝于承(cheng)載(zai)機(ji)構上的(de)雙作用氣(qi)缸(gang)驅動(dong)裝置，運動(dong)傳遞(di)機(ji)構和安(an)裝于肩部的(de)滾珠(zhu)絲杠(gang)實現。

3、手臂在肘關(guan)節中(zhong)的轉動(dong)，由安(an)裝(zhuang)于小臂上的雙作用氣缸(gang)驅動(dong)裝(zhuang)置(zhi)，運動(dong)傳遞機構實現。

二、搬運機器人的總體設計的思路

設計機器人大體(ti)上可分為兩個階段：

1、系統分析階段

①根據系統的目標，明確(que)所(suo)采用機器(qi)人(ren)的目的和任務。

②分(fen)析機器(qi)人所在系統的工作環境(jing)。

③根據(ju)機器人的(de)(de)(de)工作要求，確(que)定機器人的(de)(de)(de)基本功能(neng)(neng)和方案。如機器人的(de)(de)(de)自(zi)由度、信息的(de)(de)(de)存儲量、計算機功能(neng)(neng)、動作精(jing)度的(de)(de)(de)要求、所(suo)能(neng)(neng)抓取(qu)的(de)(de)(de)重量、容(rong)許的(de)(de)(de)運動范圍、以(yi)及對溫(wen)度、震動等環(huan)境(jing)的(de)(de)(de)適應性。

2、技術設計階段

①根據系統的(de)(de)要求確定機(ji)器人的(de)(de)自由度和允許的(de)(de)空間工作(zuo)范圍，選擇(ze)機(ji)器人的(de)(de)坐標形式(shi)。

②擬訂機(ji)器人的運動(dong)路(lu)線(xian)和空(kong)間(jian)作(zuo)業圖。

③確定驅(qu)動系(xi)統的(de)類型。

④選擇各部件的具體結構(gou)，進行機(ji)器人總裝圖(tu)的設計。

⑤繪(hui)制機器人(ren)的零件圖(tu)，并確定尺寸。

三、搬運機器人的結構組成

搬運機(ji)(ji)器(qi)人由執行機(ji)(ji)構(gou)、驅動機(ji)(ji)構(gou)和控制機(ji)(ji)構(gou)三部分組成。

1、執行機構

（1）手部

手(shou)部既直接與工件接觸的(de)部分，一般(ban)是回(hui)轉型(xing)或平動型(xing)（多為回(hui)轉型(xing)，因其結(jie)構簡單(dan)）。手(shou)部多為兩(liang)指(zhi)(zhi)（也(ye)有多指(zhi)(zhi)）；根據需(xu)要分為外抓式(shi)和內(nei)抓式(shi)兩(liang)種(zhong)；也(ye)可(ke)以用(yong)負壓式(shi)或真空式(shi)的(de)空氣吸(xi)盤（主要用(yong)于可(ke)吸(xi)附的(de)，光(guang)滑表面的(de)零件或薄板零件）和電磁吸(xi)盤。

傳(chuan)力機構(gou)形(xing)式較多，常用的(de)(de)(de)有(you)：滑槽杠桿式、連(lian)桿杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母式、彈簧式和(he)重力式。本次設(she)計的(de)(de)(de)手部(bu)選擇夾持(chi)類(lei)回轉型結構(gou)手部(bu)。手部(bu)執行依靠桿的(de)(de)(de)伸(shen)縮(suo)運動(dong)(dong)來實現其張合運動(dong)(dong)，桿的(de)(de)(de)動(dong)(dong)力源來自(zi)后(hou)續驅(qu)動(dong)(dong)源的(de)(de)(de)液壓缸，該(gai)液壓缸采用的(de)(de)(de)是(shi)伸(shen)縮(suo)式液壓缸，該(gai)液壓缸能夠節省橫向的(de)(de)(de)工作空(kong)間。

（2）腕部

腕(wan)(wan)部(bu)(bu)(bu)是連接手部(bu)(bu)(bu)和臂部(bu)(bu)(bu)的(de)(de)部(bu)(bu)(bu)件，并可(ke)用來調節(jie)被抓物體的(de)(de)方(fang)位，以(yi)擴大機(ji)械手的(de)(de)動作(zuo)范圍，并使機(ji)械手變的(de)(de)更靈巧，適應性更強(qiang)。手腕(wan)(wan)有獨立的(de)(de)自由度。有回轉(zhuan)運(yun)(yun)(yun)動、上(shang)下擺動、左右擺動。一般(ban)腕(wan)(wan)部(bu)(bu)(bu)設有回轉(zhuan)運(yun)(yun)(yun)動再增加一個上(shang)下擺動即可(ke)滿足(zu)工(gong)作(zuo)要求，有些動作(zuo)較為簡(jian)單的(de)(de)專用機(ji)械手，為了簡(jian)化結構，可(ke)以(yi)不設腕(wan)(wan)部(bu)(bu)(bu)，而直接用臂部(bu)(bu)(bu)運(yun)(yun)(yun)動驅動手部(bu)(bu)(bu)搬運(yun)(yun)(yun)工(gong)件。

目前，應用最為廣泛的(de)(de)手(shou)腕(wan)回轉運動機構(gou)為回轉液壓（氣）缸，它的(de)(de)結構(gou)緊湊，靈巧但(dan)回轉角(jiao)度小(xiao)（一般小(xiao)于?270），并且要求(qiu)嚴格密封，否則就難保證穩定的(de)(de)輸出扭矩。因此在要求(qiu)較大(da)回轉角(jiao)的(de)(de)情況下，采用齒條傳動或(huo)鏈(lian)輪以及輪系結構(gou)。本次(ci)設計(ji)的(de)(de)搬運機器人的(de)(de)腕(wan)部是實現手(shou)部?180的(de)(de)旋轉運動。

腕部的(de)驅動(dong)方(fang)式(shi)采(cai)用(yong)直接驅動(dong)的(de)方(fang)式(shi)，由(you)于腕部裝(zhuang)在手(shou)臂(bei)的(de)末(mo)端(duan)，所(suo)以(yi)(yi)必須(xu)設計的(de)十分緊湊可以(yi)(yi)把驅動(dong)源裝(zhuang)在手(shou)腕上(shang)。機(ji)器人手(shou)部的(de)張合是(shi)由(you)雙(shuang)作用(yong)單柱塞液(ye)壓(ya)(ya)缸(gang)(gang)(gang)驅動(dong)的(de)；而手(shou)腕的(de)回(hui)(hui)(hui)轉(zhuan)運動(dong)則由(you)回(hui)(hui)(hui)轉(zhuan)液(ye)壓(ya)(ya)缸(gang)(gang)(gang)實現。將夾緊活塞缸(gang)(gang)(gang)的(de)外殼與(yu)擺動(dong)油(you)(you)缸(gang)(gang)(gang)的(de)動(dong)片連接在一起；當回(hui)(hui)(hui)轉(zhuan)液(ye)壓(ya)(ya)缸(gang)(gang)(gang)中(zhong)不(bu)同的(de)油(you)(you)腔中(zhong)進油(you)(you)時即可實現手(shou)腕不(bu)同方(fang)向的(de)回(hui)(hui)(hui)轉(zhuan)。

（3）臂部

手(shou)臂部件(jian)是機械(xie)手(shou)的重要握持部件(jian)。它的作(zuo)(zuo)用是支撐腕部和手(shou)部（包(bao)括工作(zuo)(zuo)或夾(jia)具），并帶動他們做(zuo)空(kong)間(jian)運(yun)動。

臂(bei)部(bu)(bu)運(yun)動(dong)的(de)(de)(de)目(mu)的(de)(de)(de)：把手部(bu)(bu)送(song)到空間運(yun)動(dong)范(fan)圍內任(ren)意一點。如(ru)果改(gai)變手部(bu)(bu)的(de)(de)(de)姿態（方位），則用腕部(bu)(bu)的(de)(de)(de)自由(you)度加以實(shi)現。因此(ci)，一般來(lai)說臂(bei)部(bu)(bu)具有三個自由(you)度才能滿足基本要求，即(ji)手臂(bei)的(de)(de)(de)伸(shen)縮、左右旋轉(zhuan)、升降（或俯仰）運(yun)動(dong)。

手(shou)臂(bei)(bei)(bei)(bei)的(de)(de)(de)(de)(de)各(ge)種運動(dong)(dong)(dong)通常用驅(qu)動(dong)(dong)(dong)機(ji)構（如液壓缸或者氣缸）和各(ge)種傳動(dong)(dong)(dong)機(ji)構來實(shi)現，從臂(bei)(bei)(bei)(bei)部(bu)(bu)(bu)的(de)(de)(de)(de)(de)受力情況分析，它(ta)在(zai)工(gong)作中(zhong)既受腕部(bu)(bu)(bu)、手(shou)部(bu)(bu)(bu)和工(gong)件的(de)(de)(de)(de)(de)靜、動(dong)(dong)(dong)載荷，而且自(zi)身運動(dong)(dong)(dong)較為(wei)多(duo)，受力復雜。因此，它(ta)的(de)(de)(de)(de)(de)結(jie)構、工(gong)作范圍(wei)(wei)、靈活性以及抓(zhua)重(zhong)大(da)小(xiao)和定位(wei)精度(du)直(zhi)接影響機(ji)械手(shou)的(de)(de)(de)(de)(de)工(gong)作性能(neng)。本次設計實(shi)現臂(bei)(bei)(bei)(bei)部(bu)(bu)(bu)的(de)(de)(de)(de)(de)上(shang)下移(yi)動(dong)(dong)(dong)、前后伸(shen)縮(suo)(suo)、以及臂(bei)(bei)(bei)(bei)部(bu)(bu)(bu)的(de)(de)(de)(de)(de)回轉運動(dong)(dong)(dong)。手(shou)臂(bei)(bei)(bei)(bei)的(de)(de)(de)(de)(de)運動(dong)(dong)(dong)參數(shu)：伸(shen)縮(suo)(suo)行程：1200mm；伸(shen)縮(suo)(suo)速(su)度(du)：83mm/s；升降行程：300mm；升降速(su)度(du)：67mm/s；回轉范圍(wei)(wei)：180~0。機(ji)器人手(shou)臂(bei)(bei)(bei)(bei)的(de)(de)(de)(de)(de)伸(shen)縮(suo)(suo)使其手(shou)臂(bei)(bei)(bei)(bei)的(de)(de)(de)(de)(de)工(gong)作長(chang)度(du)發(fa)生變化，在(zai)圓柱(zhu)坐標式結(jie)構中(zhong)，手(shou)臂(bei)(bei)(bei)(bei)的(de)(de)(de)(de)(de)最(zui)大(da)工(gong)作長(chang)度(du)決定其末端所能(neng)達到的(de)(de)(de)(de)(de)圓柱(zhu)表面直(zhi)徑。伸(shen)縮(suo)(suo)式臂(bei)(bei)(bei)(bei)部(bu)(bu)(bu)機(ji)構的(de)(de)(de)(de)(de)驅(qu)動(dong)(dong)(dong)可(ke)采用液壓缸直(zhi)接驅(qu)動(dong)(dong)(dong)。

（4）機座

機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)座(zuo)是(shi)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)身機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)器人的(de)(de)基礎部(bu)分，起支撐作用(yong)(yong)。對固定式(shi)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)器人，直接(jie)(jie)聯(lian)接(jie)(jie)在地面上，對可移動式(shi)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)器人，則(ze)安裝(zhuang)(zhuang)在移動結構上。機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)身由(you)臂(bei)部(bu)運動（升(sheng)(sheng)降(jiang)、平移、回(hui)(hui)轉(zhuan)和俯仰(yang)）機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)構及其相關的(de)(de)導向裝(zhuang)(zhuang)置(zhi)(zhi)、支撐件等組成。并且，臂(bei)部(bu)的(de)(de)升(sheng)(sheng)降(jiang)、回(hui)(hui)轉(zhuan)或俯仰(yang)等運動的(de)(de)驅動裝(zhuang)(zhuang)置(zhi)(zhi)或傳動件都安裝(zhuang)(zhuang)在機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)身上。臂(bei)部(bu)的(de)(de)運動越多，機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)身的(de)(de)結構和受力越復雜。本次畢業設(she)計的(de)(de)搬運機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)器人的(de)(de)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)身選用(yong)(yong)升(sheng)(sheng)降(jiang)回(hui)(hui)轉(zhuan)型(xing)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)身結構；臂(bei)部(bu)和機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)身的(de)(de)配置(zhi)(zhi)型(xing)式(shi)采(cai)用(yong)(yong)立柱(zhu)式(shi)單臂(bei)配置(zhi)(zhi)，其驅動源來(lai)自回(hui)(hui)轉(zhuan)液壓缸(gang)。

2、驅動機構

驅動機構是搬運機器人的重要組成部分(fen)。根據(ju)動(dong)(dong)力源的不同，工業機(ji)(ji)械手的驅動(dong)(dong)機(ji)(ji)構(gou)大致可分(fen)為液壓、氣動(dong)(dong)、電動(dong)(dong)和(he)機(ji)(ji)械驅動(dong)(dong)等四類。

（1）液壓傳動(dong)。具有較大功率體(ti)積比，常用(yong)(yong)于大負載的場(chang)合；壓力、流量均容易控制，可無級(ji)調(diao)速；反應靈(ling)敏，可實現連續軌跡控制，維修方便；但液體(ti)對溫度變化敏感，油液泄漏易著火(huo)；中小型專用(yong)(yong)機(ji)械(xie)手或(huo)機(ji)器人(ren)都有應用(yong)(yong)，重型機(ji)械(xie)手多為液壓驅動(dong)；液壓元件成本較高，油路(lu)也(ye)比較復雜。

（2）氣(qi)壓傳動(dong)。氣(qi)動(dong)系統簡單，成本(ben)低，適(shi)合(he)(he)于節拍快、負載(zai)小且(qie)精度要(yao)求不高(gao)的場合(he)(he)，常用于點(dian)位(wei)控(kong)制、抓(zhua)取、彈性握持和真空吸附，可高(gao)速，但沖擊(ji)較嚴重，精確定位(wei)困難；維修簡單，能在高(gao)溫、粉塵(chen)等(deng)惡劣環(huan)境中使用，泄漏無影響；中小型專(zhuan)用機(ji)械手或機(ji)器人都有應用。

（3）電(dian)動(dong)。有異(yi)步電(dian)機、直(zhi)流電(dian)機、步進或伺(si)服(fu)電(dian)機等(deng)電(dian)動(dong)驅動(dong)方式。電(dian)動(dong)機使用簡單，且隨(sui)著材(cai)料性能(neng)的(de)提(ti)高，電(dian)動(dong)機性能(neng)也逐(zhu)漸提(ti)高，目前(qian)主要適合于中等(deng)負(fu)載，特(te)別是適合動(dong)作(zuo)復雜、運動(dong)軌跡嚴(yan)格的(de)工業機器人(ren)和各(ge)種微型(xing)機器人(ren)。

（4）制動器：制動器是將(jiang)機(ji)(ji)械(xie)運動部分的(de)(de)能(neng)量(liang)變為熱(re)能(neng)釋放(fang)，從而使運動的(de)(de)機(ji)(ji)械(xie)速度降低或者停止(zhi)的(de)(de)裝(zhuang)置，它大致(zhi)可分為機(ji)(ji)械(xie)制動器和電氣制動起兩類。在機(ji)(ji)器人機(ji)(ji)構中，學要使用制動器的(de)(de)情況(kuang)如(ru)下：

①特殊情(qing)況下(xia)的瞬(shun)間停止和需要(yao)采(cai)取安全措(cuo)施

②停電時，防止運動部分下滑(hua)而破壞其他(ta)裝置。

機械制動器：

機械制(zhi)動器有螺旋(xuan)式自動加載制(zhi)動器、盤式制(zhi)動器、閘(zha)瓦式制(zhi)動器和電(dian)磁制(zhi)動器等幾種。其中最典型(xing)的(de)是電(dian)磁制(zhi)動器。

在機(ji)器(qi)(qi)(qi)(qi)人的(de)驅動(dong)(dong)(dong)系統中(zhong)常(chang)使用伺(si)服(fu)電(dian)(dian)動(dong)(dong)(dong)機(ji)，伺(si)服(fu)電(dian)(dian)機(ji)本身的(de)特(te)性決定了(le)電(dian)(dian)磁制(zhi)(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)器(qi)(qi)(qi)(qi)是不可(ke)缺少的(de)部(bu)件(jian)。從原理上講，這(zhe)種(zhong)制(zhi)(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)器(qi)(qi)(qi)(qi)就(jiu)是用彈簧力制(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)，只有勵磁電(dian)(dian)流(liu)(liu)通過線圈時(shi)(shi)制(zhi)(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)器(qi)(qi)(qi)(qi)打(da)開(kai)，這(zhe)時(shi)(shi)制(zhi)(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)器(qi)(qi)(qi)(qi)不起(qi)制(zhi)(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)作用，而當電(dian)(dian)源斷開(kai)線圈中(zhong)無勵磁電(dian)(dian)流(liu)(liu)時(shi)(shi)，在彈簧力的(de)作用下(xia)處于制(zhi)(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)狀態的(de)常(chang)閉方(fang)式(shi)。因(yin)此這(zhe)種(zhong)制(zhi)(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)器(qi)(qi)(qi)(qi)被(bei)稱(cheng)為無勵磁動(dong)(dong)(dong)作型電(dian)(dian)磁制(zhi)(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)器(qi)(qi)(qi)(qi)。又因(yin)為這(zhe)種(zhong)制(zhi)(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)器(qi)(qi)(qi)(qi)常(chang)用于安全(quan)制(zhi)(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)場合，所以也稱(cheng)為安全(quan)制(zhi)(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)器(qi)(qi)(qi)(qi)。

電氣制動器

電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)動機(ji)是(shi)將(jiang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)能(neng)(neng)(neng)(neng)轉換為(wei)機(ji)械能(neng)(neng)(neng)(neng)的(de)裝置，反之(zhi)，他(ta)也具有(you)將(jiang)旋轉機(ji)械能(neng)(neng)(neng)(neng)轉換為(wei)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)能(neng)(neng)(neng)(neng)的(de)發電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)功能(neng)(neng)(neng)(neng)。換言之(zhi)，伺服電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)是(shi)一種(zhong)能(neng)(neng)(neng)(neng)量轉換裝置，可將(jiang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)能(neng)(neng)(neng)(neng)轉換為(wei)機(ji)械能(neng)(neng)(neng)(neng)，同時(shi)也能(neng)(neng)(neng)(neng)通過其反過程來達到制動的(de)目的(de)。但對于直流(liu)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)、同步(bu)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)和感應(ying)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)等(deng)各種(zhong)不同類型的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)，必須(xu)分別(bie)采用適當的(de)制動電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)。

3、控制機構

構(gou)建機器(qi)人(ren)平(ping)臺(tai)的(de)(de)核心是建立機器(qi)人(ren)的(de)(de)控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)系(xi)統(tong)。首先需要(yao)選擇和(he)硬件(jian)(jian)平(ping)臺(tai)，控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)系(xi)統(tong)硬件(jian)(jian)平(ping)臺(tai)對于(yu)(yu)系(xi)統(tong)的(de)(de)開放(fang)性、實(shi)現方式和(he)開發(fa)工(gong)作量有很大(da)的(de)(de)影響。一般常用(yong)的(de)(de)控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)系(xi)統(tong)硬件(jian)(jian)平(ping)臺(tai)應滿足：硬件(jian)(jian)系(xi)統(tong)基于(yu)(yu)標準總(zong)(zong)線(xian)機構(gou)，具有可(ke)伸(shen)縮性；硬件(jian)(jian)結構(gou)具有必要(yao)的(de)(de)實(shi)時(shi)計(ji)算(suan)能(neng)力；硬件(jian)(jian)系(xi)統(tong)模塊化，便于(yu)(yu)添加或更改各種接(jie)口(kou)、傳(chuan)感器(qi)和(he)特殊計(ji)算(suan)機等；低成本。到(dao)目(mu)前為止，一般機器(qi)人(ren)控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)系(xi)統(tong)的(de)(de)硬件(jian)(jian)平(ping)臺(tai)可(ke)以大(da)致分為兩類：基于(yu)(yu)VME總(zong)(zong)線(xian)（Versamodel Eurocard由Motorola公司1981年推出的(de)(de)第(di)一代32位工(gong)業開放(fang)標準總(zong)(zong)線(xian)）的(de)(de)系(xi)統(tong)和(he)基于(yu)(yu)PC總(zong)(zong)線(xian)的(de)(de)系(xi)統(tong)。近年來(lai)，隨著PC機性能(neng)的(de)(de)快速發(fa)展，可(ke)靠(kao)性大(da)為提(ti)高，價(jia)格卻大(da)幅度降低，以PC機為核心的(de)(de)控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)系(xi)統(tong)已廣泛被機器(qi)人(ren)控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)領域所接(jie)受。