一、搬運機器人的設計原理

搬運機器人為可移動(dong)門(men)架式結(jie)構，手臂承載機構可沿著導(dao)軌(gui)進行移動(dong)，導(dao)軌(gui)安裝與(yu)立柱上，位于被看管(guan)設備上方。

1、手臂(bei)承載機(ji)構沿導軌移動，由安裝于(yu)承載機(ji)構上的雙作用(yong)氣(qi)缸驅動裝置，保(bao)證操作機(ji)手臂(bei)實現600mm的往復運動。

2、手臂在(zai)肩(jian)(jian)關節中的轉動(dong)，由安裝(zhuang)于承(cheng)載機(ji)構上的雙作(zuo)用氣缸驅動(dong)裝(zhuang)置，運動(dong)傳遞機(ji)構和安裝(zhuang)于肩(jian)(jian)部(bu)的滾(gun)珠絲杠實現。

3、手臂(bei)在肘關節中的轉動，由安裝于小臂(bei)上的雙作用氣缸驅動裝置，運動傳遞機(ji)構(gou)實現。

二、搬運機器人的總體設計的思路

設計機器(qi)人大(da)體(ti)上可分為兩個階段：

1、系統分析階段

①根據系統的目(mu)標，明(ming)確所(suo)采用機器(qi)人的目(mu)的和任務(wu)。

②分析(xi)機器(qi)人所在系統的工作環境。

③根據機器人(ren)的(de)(de)(de)(de)工作要求(qiu)，確定機器人(ren)的(de)(de)(de)(de)基本功能和方(fang)案。如機器人(ren)的(de)(de)(de)(de)自(zi)由度、信息的(de)(de)(de)(de)存儲(chu)量、計算(suan)機功能、動(dong)作精度的(de)(de)(de)(de)要求(qiu)、所能抓取(qu)的(de)(de)(de)(de)重量、容(rong)許的(de)(de)(de)(de)運(yun)動(dong)范圍、以及對溫(wen)度、震動(dong)等環境的(de)(de)(de)(de)適應性。

2、技術設計階段

①根據(ju)系統(tong)的要(yao)求確(que)定機器人(ren)的自(zi)由度和允(yun)許的空間工作范圍，選擇(ze)機器人(ren)的坐標形式。

②擬訂機器人的(de)運動(dong)路線和空間作(zuo)業(ye)圖(tu)。

③確定驅(qu)動系統(tong)的類型。

④選擇各部件的(de)具體結構，進行(xing)機器(qi)人總裝圖的(de)設(she)計(ji)。

⑤繪制(zhi)機器人的零件圖，并確(que)定尺寸(cun)。

三、搬運機器人的結構組成

搬(ban)運機器人由執行(xing)機構(gou)(gou)(gou)、驅動機構(gou)(gou)(gou)和控制機構(gou)(gou)(gou)三(san)部分組成。

1、執行機構

（1）手部

手部既(ji)直接(jie)與工件接(jie)觸(chu)的部分，一般是(shi)回轉型或平動型（多(duo)為(wei)(wei)回轉型，因其結構簡單）。手部多(duo)為(wei)(wei)兩指(zhi)(zhi)（也有多(duo)指(zhi)(zhi)）；根據需要分為(wei)(wei)外抓(zhua)式和(he)內抓(zhua)式兩種(zhong)；也可以用(yong)負壓式或真空式的空氣吸盤(pan)（主(zhu)要用(yong)于可吸附的，光滑表(biao)面的零(ling)件或薄板零(ling)件）和(he)電磁吸盤(pan)。

傳(chuan)力(li)機構形式(shi)(shi)較多(duo)，常(chang)用的(de)(de)有(you)：滑(hua)槽杠桿(gan)式(shi)(shi)、連桿(gan)杠桿(gan)式(shi)(shi)、斜(xie)楔(xie)杠桿(gan)式(shi)(shi)、齒輪齒條式(shi)(shi)、絲杠螺母式(shi)(shi)、彈(dan)簧(huang)式(shi)(shi)和重力(li)式(shi)(shi)。本次設計(ji)的(de)(de)手部(bu)選擇夾持類回轉型(xing)結構手部(bu)。手部(bu)執(zhi)行依靠桿(gan)的(de)(de)伸縮運動(dong)(dong)來實(shi)現(xian)其張合(he)運動(dong)(dong)，桿(gan)的(de)(de)動(dong)(dong)力(li)源(yuan)來自(zi)后續驅(qu)動(dong)(dong)源(yuan)的(de)(de)液(ye)壓(ya)(ya)缸，該液(ye)壓(ya)(ya)缸采用的(de)(de)是伸縮式(shi)(shi)液(ye)壓(ya)(ya)缸，該液(ye)壓(ya)(ya)缸能夠節(jie)省橫(heng)向的(de)(de)工作空間(jian)。

（2）腕部

腕(wan)(wan)部(bu)(bu)(bu)是連接(jie)手(shou)部(bu)(bu)(bu)和臂部(bu)(bu)(bu)的(de)(de)(de)部(bu)(bu)(bu)件，并(bing)可(ke)用來調節被抓物體的(de)(de)(de)方位，以擴大(da)機械(xie)(xie)手(shou)的(de)(de)(de)動作(zuo)范圍，并(bing)使機械(xie)(xie)手(shou)變(bian)的(de)(de)(de)更靈巧，適(shi)應性更強。手(shou)腕(wan)(wan)有獨(du)立的(de)(de)(de)自由度。有回轉運動、上下(xia)擺(bai)動、左右擺(bai)動。一(yi)般腕(wan)(wan)部(bu)(bu)(bu)設有回轉運動再增加一(yi)個上下(xia)擺(bai)動即可(ke)滿足(zu)工作(zuo)要求，有些(xie)動作(zuo)較為簡單的(de)(de)(de)專用機械(xie)(xie)手(shou)，為了簡化結構，可(ke)以不(bu)設腕(wan)(wan)部(bu)(bu)(bu)，而(er)直接(jie)用臂部(bu)(bu)(bu)運動驅動手(shou)部(bu)(bu)(bu)搬運工件。

目前，應用最(zui)為(wei)廣泛的(de)手腕(wan)回(hui)(hui)(hui)轉運(yun)動(dong)(dong)機構(gou)為(wei)回(hui)(hui)(hui)轉液壓（氣）缸，它的(de)結構(gou)緊湊(cou)，靈巧但回(hui)(hui)(hui)轉角(jiao)度小(xiao)（一般小(xiao)于(yu)?270），并且要求嚴格密(mi)封，否則(ze)就(jiu)難(nan)保證穩定的(de)輸出(chu)扭矩。因(yin)此在要求較大(da)回(hui)(hui)(hui)轉角(jiao)的(de)情況下，采用齒條傳動(dong)(dong)或鏈輪以(yi)及輪系結構(gou)。本次設計的(de)搬運(yun)機器人的(de)腕(wan)部是實現手部?180的(de)旋轉運(yun)動(dong)(dong)。

腕部(bu)的(de)(de)驅動方(fang)式(shi)采(cai)用直接(jie)驅動的(de)(de)方(fang)式(shi)，由(you)(you)于腕部(bu)裝(zhuang)在手(shou)臂的(de)(de)末(mo)端，所以必須(xu)設計的(de)(de)十(shi)分(fen)緊湊可以把驅動源裝(zhuang)在手(shou)腕上。機器人手(shou)部(bu)的(de)(de)張合是由(you)(you)雙作用單柱(zhu)塞液壓(ya)(ya)缸(gang)驅動的(de)(de)；而手(shou)腕的(de)(de)回轉(zhuan)(zhuan)運動則由(you)(you)回轉(zhuan)(zhuan)液壓(ya)(ya)缸(gang)實現(xian)。將夾緊活塞缸(gang)的(de)(de)外殼與擺動油(you)缸(gang)的(de)(de)動片連(lian)接(jie)在一起；當回轉(zhuan)(zhuan)液壓(ya)(ya)缸(gang)中不同(tong)的(de)(de)油(you)腔中進油(you)時(shi)即可實現(xian)手(shou)腕不同(tong)方(fang)向(xiang)的(de)(de)回轉(zhuan)(zhuan)。

（3）臂部

手(shou)臂(bei)部(bu)件是機械手(shou)的(de)重要握(wo)持部(bu)件。它(ta)的(de)作(zuo)用是支撐腕部(bu)和手(shou)部(bu)（包括工作(zuo)或夾具(ju)），并(bing)帶動他(ta)們(men)做空(kong)間運動。

臂部(bu)運(yun)動(dong)(dong)的(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)：把手部(bu)送到空間運(yun)動(dong)(dong)范圍內任意一(yi)(yi)點。如果改變手部(bu)的(de)(de)(de)姿態(tai)（方位），則(ze)用腕部(bu)的(de)(de)(de)自由度加(jia)以實現。因此，一(yi)(yi)般來說(shuo)臂部(bu)具有三(san)個自由度才能滿足基本要求，即手臂的(de)(de)(de)伸縮、左右旋轉、升降（或俯仰）運(yun)動(dong)(dong)。

手(shou)(shou)臂(bei)的(de)(de)(de)各種運動(dong)通常用驅動(dong)機構(gou)（如液(ye)壓(ya)缸或者氣缸）和各種傳動(dong)機構(gou)來實現，從臂(bei)部的(de)(de)(de)受力(li)情(qing)況分析，它在工(gong)(gong)作(zuo)中既受腕部、手(shou)(shou)部和工(gong)(gong)件(jian)的(de)(de)(de)靜、動(dong)載荷，而且自身(shen)運動(dong)較(jiao)為多，受力(li)復雜。因(yin)此，它的(de)(de)(de)結(jie)構(gou)、工(gong)(gong)作(zuo)范(fan)圍、靈活性(xing)以(yi)及抓重大(da)小和定位精度直接(jie)影(ying)響機械(xie)手(shou)(shou)的(de)(de)(de)工(gong)(gong)作(zuo)性(xing)能(neng)。本次設計實現臂(bei)部的(de)(de)(de)上下移動(dong)、前(qian)后伸(shen)縮(suo)、以(yi)及臂(bei)部的(de)(de)(de)回(hui)轉(zhuan)運動(dong)。手(shou)(shou)臂(bei)的(de)(de)(de)運動(dong)參數：伸(shen)縮(suo)行程：1200mm；伸(shen)縮(suo)速度：83mm/s；升(sheng)降行程：300mm；升(sheng)降速度：67mm/s；回(hui)轉(zhuan)范(fan)圍：180~0。機器人手(shou)(shou)臂(bei)的(de)(de)(de)伸(shen)縮(suo)使其手(shou)(shou)臂(bei)的(de)(de)(de)工(gong)(gong)作(zuo)長度發生變(bian)化，在圓柱坐標式(shi)(shi)結(jie)構(gou)中，手(shou)(shou)臂(bei)的(de)(de)(de)最大(da)工(gong)(gong)作(zuo)長度決(jue)定其末端所能(neng)達到(dao)的(de)(de)(de)圓柱表面直徑(jing)。伸(shen)縮(suo)式(shi)(shi)臂(bei)部機構(gou)的(de)(de)(de)驅動(dong)可采(cai)用液(ye)壓(ya)缸直接(jie)驅動(dong)。

（4）機座

機(ji)(ji)(ji)座是機(ji)(ji)(ji)身(shen)機(ji)(ji)(ji)器(qi)(qi)人的(de)(de)基礎部分，起(qi)支撐作(zuo)用(yong)。對(dui)固定式(shi)機(ji)(ji)(ji)器(qi)(qi)人，直接(jie)聯(lian)接(jie)在(zai)地面上，對(dui)可移(yi)動(dong)(dong)式(shi)機(ji)(ji)(ji)器(qi)(qi)人，則安(an)裝(zhuang)在(zai)移(yi)動(dong)(dong)結構(gou)(gou)上。機(ji)(ji)(ji)身(shen)由臂(bei)部運動(dong)(dong)（升(sheng)降、平移(yi)、回(hui)轉和俯仰）機(ji)(ji)(ji)構(gou)(gou)及其(qi)相關的(de)(de)導向(xiang)裝(zhuang)置、支撐件等組(zu)成。并且，臂(bei)部的(de)(de)升(sheng)降、回(hui)轉或俯仰等運動(dong)(dong)的(de)(de)驅動(dong)(dong)裝(zhuang)置或傳動(dong)(dong)件都安(an)裝(zhuang)在(zai)機(ji)(ji)(ji)身(shen)上。臂(bei)部的(de)(de)運動(dong)(dong)越多，機(ji)(ji)(ji)身(shen)的(de)(de)結構(gou)(gou)和受(shou)力越復雜。本次畢業設(she)計(ji)的(de)(de)搬運機(ji)(ji)(ji)器(qi)(qi)人的(de)(de)機(ji)(ji)(ji)身(shen)選用(yong)升(sheng)降回(hui)轉型機(ji)(ji)(ji)身(shen)結構(gou)(gou)；臂(bei)部和機(ji)(ji)(ji)身(shen)的(de)(de)配置型式(shi)采用(yong)立柱(zhu)式(shi)單臂(bei)配置，其(qi)驅動(dong)(dong)源來(lai)自回(hui)轉液壓缸(gang)。

2、驅動機構

驅動機構是搬運機器人的(de)重要組成部分(fen)。根據動力源(yuan)的(de)不同，工(gong)業(ye)機械(xie)手的(de)驅動機構(gou)大致可分(fen)為(wei)液壓(ya)、氣動、電(dian)動和(he)機械(xie)驅動等四(si)類。

（1）液壓(ya)傳動。具有較(jiao)大功率體積比，常用(yong)(yong)于大負載的場合；壓(ya)力(li)、流量均(jun)容(rong)易(yi)控制(zhi)，可無級調速；反應(ying)靈(ling)敏(min)，可實現連(lian)續軌跡控制(zhi)，維修方(fang)便；但液體對溫度變化敏(min)感，油(you)液泄漏易(yi)著火；中小型專用(yong)(yong)機械(xie)手或機器人都有應(ying)用(yong)(yong)，重型機械(xie)手多為液壓(ya)驅動；液壓(ya)元件成本較(jiao)高，油(you)路也比較(jiao)復雜。

（2）氣(qi)壓傳動。氣(qi)動系(xi)統簡單，成本低，適合(he)于節拍快、負載小(xiao)且精度要(yao)求不(bu)高(gao)的場(chang)合(he)，常用于點位控制(zhi)、抓取、彈性握(wo)持(chi)和(he)真空吸附，可高(gao)速，但沖擊較(jiao)嚴重，精確定位困難；維修簡單，能(neng)在高(gao)溫、粉塵等惡劣環境中使用，泄漏無(wu)影響；中小(xiao)型專用機械手或(huo)機器人都有應用。

（3）電(dian)(dian)動(dong)(dong)。有異(yi)步電(dian)(dian)機(ji)、直流電(dian)(dian)機(ji)、步進或伺服(fu)電(dian)(dian)機(ji)等電(dian)(dian)動(dong)(dong)驅動(dong)(dong)方(fang)式。電(dian)(dian)動(dong)(dong)機(ji)使用(yong)簡單(dan)，且隨著材料性能的提高(gao)，電(dian)(dian)動(dong)(dong)機(ji)性能也逐漸提高(gao)，目前主要適合(he)于中等負載(zai)，特別(bie)是適合(he)動(dong)(dong)作復雜、運動(dong)(dong)軌跡嚴格的工(gong)業(ye)機(ji)器人(ren)和各種微型(xing)機(ji)器人(ren)。

（4）制動器：制動(dong)器是將機(ji)械(xie)運動(dong)部(bu)分的能量變(bian)為熱(re)能釋放，從而使(shi)運動(dong)的機(ji)械(xie)速(su)度降(jiang)低或者停止(zhi)的裝置，它大致可分為機(ji)械(xie)制動(dong)器和電氣制動(dong)起兩類。在機(ji)器人機(ji)構中，學要(yao)使(shi)用制動(dong)器的情(qing)況如下：

①特殊情況下(xia)的(de)瞬(shun)間停止(zhi)和需要采取安全措施

②停(ting)電時，防(fang)止運(yun)動部分下(xia)滑而破壞(huai)其他裝置。

機械制動器：

機械制動(dong)器有螺(luo)旋(xuan)式自動(dong)加載制動(dong)器、盤式制動(dong)器、閘瓦式制動(dong)器和電磁制動(dong)器等幾種。其中最(zui)典(dian)型(xing)的是電磁制動(dong)器。

在機(ji)(ji)器(qi)(qi)人的(de)(de)驅動(dong)(dong)(dong)系(xi)統中(zhong)常使用(yong)(yong)伺服(fu)電(dian)(dian)動(dong)(dong)(dong)機(ji)(ji)，伺服(fu)電(dian)(dian)機(ji)(ji)本身的(de)(de)特性決定了電(dian)(dian)磁制(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)器(qi)(qi)是不可(ke)缺少的(de)(de)部件(jian)。從原理上講，這種(zhong)制(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)器(qi)(qi)就是用(yong)(yong)彈(dan)(dan)簧(huang)力制(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)的(de)(de)盤式(shi)制(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)器(qi)(qi)，只有(you)勵(li)磁電(dian)(dian)流通過線圈(quan)時(shi)制(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)器(qi)(qi)打開(kai)，這時(shi)制(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)器(qi)(qi)不起制(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)作用(yong)(yong)，而當電(dian)(dian)源斷開(kai)線圈(quan)中(zhong)無(wu)勵(li)磁電(dian)(dian)流時(shi)，在彈(dan)(dan)簧(huang)力的(de)(de)作用(yong)(yong)下處于制(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)狀(zhuang)態的(de)(de)常閉方(fang)式(shi)。因此這種(zhong)制(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)器(qi)(qi)被稱為(wei)無(wu)勵(li)磁動(dong)(dong)(dong)作型(xing)電(dian)(dian)磁制(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)器(qi)(qi)。又因為(wei)這種(zhong)制(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)器(qi)(qi)常用(yong)(yong)于安全(quan)制(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)場(chang)合，所以也(ye)稱為(wei)安全(quan)制(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)器(qi)(qi)。

電氣制動器

電動機(ji)是將(jiang)電能(neng)(neng)轉換為(wei)機(ji)械能(neng)(neng)的(de)(de)(de)(de)裝置，反之(zhi)(zhi)，他也具有將(jiang)旋轉機(ji)械能(neng)(neng)轉換為(wei)電能(neng)(neng)的(de)(de)(de)(de)發電功能(neng)(neng)。換言之(zhi)(zhi)，伺(si)服電機(ji)是一種能(neng)(neng)量轉換裝置，可將(jiang)電能(neng)(neng)轉換為(wei)機(ji)械能(neng)(neng)，同(tong)時(shi)也能(neng)(neng)通過(guo)其反過(guo)程來(lai)達到(dao)制動的(de)(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)(de)。但對于直流(liu)電機(ji)、同(tong)步電機(ji)和(he)感應電機(ji)等各種不(bu)同(tong)類(lei)型(xing)的(de)(de)(de)(de)電機(ji)，必須分別采(cai)用(yong)適當的(de)(de)(de)(de)制動電路(lu)。

3、控制機構

構建機(ji)器人平(ping)(ping)臺(tai)的(de)(de)(de)核心是(shi)建立機(ji)器人的(de)(de)(de)控(kong)制系(xi)(xi)(xi)(xi)統(tong)。首(shou)先需(xu)要選擇和(he)(he)硬(ying)件(jian)(jian)平(ping)(ping)臺(tai)，控(kong)制系(xi)(xi)(xi)(xi)統(tong)硬(ying)件(jian)(jian)平(ping)(ping)臺(tai)對于系(xi)(xi)(xi)(xi)統(tong)的(de)(de)(de)開(kai)放(fang)性、實(shi)現方式和(he)(he)開(kai)發工作量有(you)(you)很(hen)大的(de)(de)(de)影響。一般常用的(de)(de)(de)控(kong)制系(xi)(xi)(xi)(xi)統(tong)硬(ying)件(jian)(jian)平(ping)(ping)臺(tai)應(ying)滿足：硬(ying)件(jian)(jian)系(xi)(xi)(xi)(xi)統(tong)基(ji)于標準總(zong)線(xian)機(ji)構，具(ju)有(you)(you)可伸縮(suo)性；硬(ying)件(jian)(jian)結(jie)構具(ju)有(you)(you)必要的(de)(de)(de)實(shi)時計(ji)算(suan)能力；硬(ying)件(jian)(jian)系(xi)(xi)(xi)(xi)統(tong)模塊化，便(bian)于添加或更(geng)改各種接(jie)口、傳感器和(he)(he)特殊計(ji)算(suan)機(ji)等；低(di)成本。到目(mu)前為(wei)(wei)止，一般機(ji)器人控(kong)制系(xi)(xi)(xi)(xi)統(tong)的(de)(de)(de)硬(ying)件(jian)(jian)平(ping)(ping)臺(tai)可以大致分為(wei)(wei)兩類：基(ji)于VME總(zong)線(xian)（Versamodel Eurocard由Motorola公司1981年推出的(de)(de)(de)第一代32位工業開(kai)放(fang)標準總(zong)線(xian)）的(de)(de)(de)系(xi)(xi)(xi)(xi)統(tong)和(he)(he)基(ji)于PC總(zong)線(xian)的(de)(de)(de)系(xi)(xi)(xi)(xi)統(tong)。近年來，隨著PC機(ji)性能的(de)(de)(de)快速(su)發展(zhan)，可靠性大為(wei)(wei)提(ti)高，價格卻大幅(fu)度降低(di)，以PC機(ji)為(wei)(wei)核心的(de)(de)(de)控(kong)制系(xi)(xi)(xi)(xi)統(tong)已廣泛被機(ji)器人控(kong)制領域所(suo)接(jie)受。