一、搬運機器人的設計原理

搬運機器人為可(ke)移(yi)(yi)動門架式結構，手臂承(cheng)載機構可(ke)沿著(zhu)導軌(gui)進行移(yi)(yi)動，導軌(gui)安裝與(yu)立柱上，位于(yu)被看管設備上方。

1、手(shou)(shou)臂(bei)承(cheng)載(zai)機(ji)(ji)構(gou)沿導(dao)軌移動(dong)，由安裝(zhuang)(zhuang)于承(cheng)載(zai)機(ji)(ji)構(gou)上的雙作(zuo)用氣缸(gang)驅動(dong)裝(zhuang)(zhuang)置，保證操作(zuo)機(ji)(ji)手(shou)(shou)臂(bei)實現600mm的往復運動(dong)。

2、手臂在(zai)肩關節中的轉動，由安(an)裝(zhuang)于(yu)承載機構(gou)上的雙作用氣缸驅動裝(zhuang)置，運動傳(chuan)遞(di)機構(gou)和安(an)裝(zhuang)于(yu)肩部的滾珠絲杠實現。

3、手臂在肘關節中的轉動，由安裝于小臂上的雙作用(yong)氣缸驅動裝置，運動傳遞機構實現。

二、搬運機器人的總體設計的思路

設計機器人大體上可(ke)分為兩個階段：

1、系統分析階段

①根據(ju)系統的(de)目(mu)標，明確所采用機(ji)器人的(de)目(mu)的(de)和任務。

②分析機器人所在系統的工(gong)作(zuo)環境。

③根據(ju)機(ji)器人的(de)(de)(de)工作(zuo)要求，確定機(ji)器人的(de)(de)(de)基(ji)本(ben)功(gong)能和方案。如(ru)機(ji)器人的(de)(de)(de)自(zi)由度、信(xin)息的(de)(de)(de)存儲量、計(ji)算機(ji)功(gong)能、動(dong)(dong)作(zuo)精度的(de)(de)(de)要求、所能抓取(qu)的(de)(de)(de)重(zhong)量、容(rong)許的(de)(de)(de)運動(dong)(dong)范圍(wei)、以(yi)及(ji)對溫(wen)度、震動(dong)(dong)等環(huan)境的(de)(de)(de)適(shi)應性。

2、技術設計階段

①根據(ju)系統(tong)的要求確定機(ji)器人的自由度和允許的空間工作范圍，選擇(ze)機(ji)器人的坐標形式(shi)。

②擬訂機器人的運動路線和空間作業圖。

③確定驅動系統的類型。

④選擇各部件的(de)具(ju)體結構，進(jin)行(xing)機器(qi)人總裝圖的(de)設(she)計。

⑤繪制機(ji)器人的(de)零(ling)件(jian)圖，并確(que)定尺寸(cun)。

三、搬運機器人的結構組成

搬運機(ji)(ji)器人(ren)由執(zhi)行機(ji)(ji)構(gou)、驅動(dong)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

手部(bu)(bu)既(ji)直接(jie)與工(gong)件接(jie)觸的部(bu)(bu)分(fen)，一般是回轉型或平動(dong)型（多(duo)(duo)為回轉型，因其結構簡單）。手部(bu)(bu)多(duo)(duo)為兩(liang)指(zhi)（也有多(duo)(duo)指(zhi)）；根據需要(yao)分(fen)為外(wai)抓式(shi)(shi)和(he)內抓式(shi)(shi)兩(liang)種；也可以(yi)用負(fu)壓式(shi)(shi)或真空(kong)式(shi)(shi)的空(kong)氣(qi)吸盤(pan)（主(zhu)要(yao)用于可吸附的，光滑表面的零件或薄(bo)板(ban)零件）和(he)電磁(ci)吸盤(pan)。

傳力(li)機構形式(shi)較多，常用的有：滑槽杠桿式(shi)、連桿杠桿式(shi)、斜(xie)楔杠桿式(shi)、齒輪齒條式(shi)、絲杠螺母式(shi)、彈簧(huang)式(shi)和重力(li)式(shi)。本(ben)次設計的手(shou)(shou)部(bu)選擇夾持類回轉(zhuan)型結(jie)構手(shou)(shou)部(bu)。手(shou)(shou)部(bu)執行(xing)依靠桿的伸(shen)縮運動來(lai)實現其(qi)張合運動，桿的動力(li)源來(lai)自(zi)后續驅動源的液(ye)壓缸(gang)(gang)(gang)，該液(ye)壓缸(gang)(gang)(gang)采用的是伸(shen)縮式(shi)液(ye)壓缸(gang)(gang)(gang)，該液(ye)壓缸(gang)(gang)(gang)能夠節省橫(heng)向的工作空間。

（2）腕部

腕部(bu)(bu)(bu)是連接手(shou)(shou)(shou)部(bu)(bu)(bu)和臂部(bu)(bu)(bu)的(de)部(bu)(bu)(bu)件，并可(ke)用來調節被抓(zhua)物體的(de)方(fang)位，以擴大機(ji)械手(shou)(shou)(shou)的(de)動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)作(zuo)范圍(wei)，并使機(ji)械手(shou)(shou)(shou)變(bian)的(de)更靈巧，適應性更強。手(shou)(shou)(shou)腕有(you)獨立的(de)自由(you)度(du)。有(you)回(hui)轉運(yun)動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)、上(shang)下擺(bai)(bai)(bai)動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)、左右擺(bai)(bai)(bai)動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)。一般(ban)腕部(bu)(bu)(bu)設有(you)回(hui)轉運(yun)動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)再(zai)增加一個上(shang)下擺(bai)(bai)(bai)動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)即可(ke)滿(man)足工作(zuo)要求(qiu)，有(you)些動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)作(zuo)較為(wei)簡(jian)單的(de)專用機(ji)械手(shou)(shou)(shou)，為(wei)了簡(jian)化結構，可(ke)以不設腕部(bu)(bu)(bu)，而直接用臂部(bu)(bu)(bu)運(yun)動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)驅動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)手(shou)(shou)(shou)部(bu)(bu)(bu)搬運(yun)工件。

目前，應用最為廣泛的手(shou)腕(wan)(wan)回(hui)轉(zhuan)運(yun)動機構(gou)為回(hui)轉(zhuan)液壓（氣）缸(gang)，它的結(jie)構(gou)緊湊(cou)，靈巧(qiao)但(dan)回(hui)轉(zhuan)角(jiao)度小（一(yi)般小于?270），并且要求(qiu)嚴(yan)格密封，否(fou)則就(jiu)難保證(zheng)穩(wen)定的輸出扭(niu)矩(ju)。因此(ci)在要求(qiu)較大回(hui)轉(zhuan)角(jiao)的情況下，采用齒(chi)條傳動或鏈(lian)輪以(yi)及輪系結(jie)構(gou)。本(ben)次設計的搬運(yun)機器人(ren)的腕(wan)(wan)部是實現(xian)手(shou)部?180的旋(xuan)轉(zhuan)運(yun)動。

腕部的(de)(de)驅動(dong)(dong)方(fang)式(shi)采用直接驅動(dong)(dong)的(de)(de)方(fang)式(shi)，由(you)(you)于腕部裝(zhuang)在手(shou)臂的(de)(de)末端(duan)，所以必須設計的(de)(de)十分緊(jin)湊可(ke)以把驅動(dong)(dong)源裝(zhuang)在手(shou)腕上。機器人手(shou)部的(de)(de)張合是由(you)(you)雙作用單柱(zhu)塞液(ye)(ye)壓缸(gang)驅動(dong)(dong)的(de)(de)；而手(shou)腕的(de)(de)回(hui)轉運動(dong)(dong)則由(you)(you)回(hui)轉液(ye)(ye)壓缸(gang)實現(xian)。將夾(jia)緊(jin)活塞缸(gang)的(de)(de)外殼與擺動(dong)(dong)油缸(gang)的(de)(de)動(dong)(dong)片連接在一起；當(dang)回(hui)轉液(ye)(ye)壓缸(gang)中(zhong)不同的(de)(de)油腔中(zhong)進油時即可(ke)實現(xian)手(shou)腕不同方(fang)向(xiang)的(de)(de)回(hui)轉。

（3）臂部

手(shou)(shou)臂部件(jian)是機械手(shou)(shou)的重要握持部件(jian)。它的作用是支撐腕部和手(shou)(shou)部（包括工(gong)作或夾具(ju)），并帶(dai)動他們(men)做空(kong)間運動。

臂(bei)部(bu)運(yun)動的目的：把(ba)手部(bu)送到空間(jian)運(yun)動范(fan)圍(wei)內任意一(yi)(yi)點(dian)。如果改變(bian)手部(bu)的姿態（方位），則(ze)用腕部(bu)的自由度加(jia)以實現(xian)。因此，一(yi)(yi)般來說臂(bei)部(bu)具有三個(ge)自由度才能滿足基本要求(qiu)，即手臂(bei)的伸縮(suo)、左右(you)旋轉、升降（或俯仰）運(yun)動。

手(shou)臂(bei)(bei)(bei)的(de)(de)(de)各種運(yun)動(dong)通(tong)常用驅(qu)(qu)動(dong)機(ji)構(gou)（如(ru)液(ye)壓缸(gang)或者氣缸(gang)）和(he)各種傳動(dong)機(ji)構(gou)來實(shi)現(xian)，從臂(bei)(bei)(bei)部的(de)(de)(de)受(shou)力情況分析(xi)，它在(zai)(zai)工作(zuo)中既受(shou)腕(wan)部、手(shou)部和(he)工件的(de)(de)(de)靜、動(dong)載荷，而且(qie)自身運(yun)動(dong)較為多，受(shou)力復雜。因此，它的(de)(de)(de)結構(gou)、工作(zuo)范圍(wei)、靈活(huo)性(xing)以及(ji)抓重大小和(he)定(ding)位精度直接影響機(ji)械手(shou)的(de)(de)(de)工作(zuo)性(xing)能(neng)。本次設計(ji)實(shi)現(xian)臂(bei)(bei)(bei)部的(de)(de)(de)上(shang)下(xia)移動(dong)、前后伸(shen)(shen)縮(suo)(suo)、以及(ji)臂(bei)(bei)(bei)部的(de)(de)(de)回(hui)(hui)轉(zhuan)運(yun)動(dong)。手(shou)臂(bei)(bei)(bei)的(de)(de)(de)運(yun)動(dong)參數：伸(shen)(shen)縮(suo)(suo)行程：1200mm；伸(shen)(shen)縮(suo)(suo)速度：83mm/s；升(sheng)降行程：300mm；升(sheng)降速度：67mm/s；回(hui)(hui)轉(zhuan)范圍(wei)：180~0。機(ji)器人手(shou)臂(bei)(bei)(bei)的(de)(de)(de)伸(shen)(shen)縮(suo)(suo)使其手(shou)臂(bei)(bei)(bei)的(de)(de)(de)工作(zuo)長度發生變化，在(zai)(zai)圓(yuan)柱坐標式(shi)結構(gou)中，手(shou)臂(bei)(bei)(bei)的(de)(de)(de)最大工作(zuo)長度決(jue)定(ding)其末端所(suo)能(neng)達到(dao)的(de)(de)(de)圓(yuan)柱表面(mian)直徑。伸(shen)(shen)縮(suo)(suo)式(shi)臂(bei)(bei)(bei)部機(ji)構(gou)的(de)(de)(de)驅(qu)(qu)動(dong)可(ke)采(cai)用液(ye)壓缸(gang)直接驅(qu)(qu)動(dong)。

（4）機座

機座是機身(shen)機器人(ren)的(de)基礎部(bu)(bu)(bu)分，起支撐(cheng)作用(yong)(yong)。對(dui)固定式(shi)(shi)機器人(ren)，直(zhi)接聯(lian)接在地(di)面上(shang)，對(dui)可移(yi)動(dong)(dong)式(shi)(shi)機器人(ren)，則安裝(zhuang)(zhuang)在移(yi)動(dong)(dong)結構(gou)上(shang)。機身(shen)由臂部(bu)(bu)(bu)運(yun)動(dong)(dong)（升降(jiang)、平移(yi)、回(hui)轉和(he)俯仰）機構(gou)及其相(xiang)關(guan)的(de)導向裝(zhuang)(zhuang)置、支撐(cheng)件等(deng)組成。并且，臂部(bu)(bu)(bu)的(de)升降(jiang)、回(hui)轉或(huo)俯仰等(deng)運(yun)動(dong)(dong)的(de)驅動(dong)(dong)裝(zhuang)(zhuang)置或(huo)傳動(dong)(dong)件都安裝(zhuang)(zhuang)在機身(shen)上(shang)。臂部(bu)(bu)(bu)的(de)運(yun)動(dong)(dong)越多，機身(shen)的(de)結構(gou)和(he)受力越復(fu)雜。本次畢(bi)業設計的(de)搬(ban)運(yun)機器人(ren)的(de)機身(shen)選用(yong)(yong)升降(jiang)回(hui)轉型機身(shen)結構(gou)；臂部(bu)(bu)(bu)和(he)機身(shen)的(de)配置型式(shi)(shi)采用(yong)(yong)立柱式(shi)(shi)單(dan)臂配置，其驅動(dong)(dong)源來自(zi)回(hui)轉液(ye)壓缸。

2、驅動機構

驅動機構是搬運機器人的重要組成部分。根據動(dong)(dong)力源的不同，工(gong)業機械(xie)手的驅(qu)動(dong)(dong)機構大致可分為液壓、氣動(dong)(dong)、電動(dong)(dong)和機械(xie)驅(qu)動(dong)(dong)等四類。

（1）液(ye)(ye)壓(ya)傳動。具有較大功率體積比，常用(yong)(yong)于大負載的(de)場合(he)；壓(ya)力、流(liu)量均容易控制，可(ke)無級調速；反應(ying)靈(ling)敏，可(ke)實(shi)現連續軌跡控制，維修方(fang)便；但液(ye)(ye)體對溫度變(bian)化敏感，油(you)液(ye)(ye)泄漏易著火；中小型(xing)專用(yong)(yong)機械手或機器人都(dou)有應(ying)用(yong)(yong)，重型(xing)機械手多為液(ye)(ye)壓(ya)驅(qu)動；液(ye)(ye)壓(ya)元件成本較高，油(you)路(lu)也比較復雜。

（2）氣壓傳動。氣動系統(tong)簡(jian)單，成(cheng)本低，適合(he)于節拍(pai)快、負載小且精(jing)度(du)要求不高的場合(he)，常用于點(dian)位(wei)控制、抓(zhua)取(qu)、彈性握持和真空吸附，可高速，但沖擊(ji)較嚴重，精(jing)確(que)定位(wei)困難；維修(xiu)簡(jian)單，能(neng)在(zai)高溫、粉塵等惡劣環境中(zhong)(zhong)使用，泄漏無影響；中(zhong)(zhong)小型專用機(ji)械(xie)手或機(ji)器人都有應(ying)用。

（3）電(dian)動(dong)(dong)(dong)。有異(yi)步電(dian)機(ji)(ji)、直(zhi)流電(dian)機(ji)(ji)、步進或伺服電(dian)機(ji)(ji)等(deng)(deng)電(dian)動(dong)(dong)(dong)驅動(dong)(dong)(dong)方式。電(dian)動(dong)(dong)(dong)機(ji)(ji)使用簡(jian)單，且隨著材料性能的提高，電(dian)動(dong)(dong)(dong)機(ji)(ji)性能也逐漸提高，目前主要適(shi)合于中等(deng)(deng)負載，特別是適(shi)合動(dong)(dong)(dong)作復雜(za)、運動(dong)(dong)(dong)軌跡(ji)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)動(dong)器(qi)(qi)是將機(ji)械(xie)運動(dong)部(bu)分的能(neng)(neng)量變為熱能(neng)(neng)釋放，從而(er)使運動(dong)的機(ji)械(xie)速度降低或者停止的裝置，它大致可分為機(ji)械(xie)制(zhi)動(dong)器(qi)(qi)和電(dian)氣制(zhi)動(dong)起(qi)兩類。在機(ji)器(qi)(qi)人(ren)機(ji)構中(zhong)，學要(yao)使用制(zhi)動(dong)器(qi)(qi)的情況如下：

①特(te)殊情況下的瞬間停止和(he)需要采取安全(quan)措(cuo)施

②停電時，防止運動部(bu)分下滑而(er)破壞其他裝置。

機械制動器：

機械制動(dong)器(qi)(qi)(qi)有螺旋式自動(dong)加(jia)載制動(dong)器(qi)(qi)(qi)、盤式制動(dong)器(qi)(qi)(qi)、閘瓦式制動(dong)器(qi)(qi)(qi)和電(dian)磁制動(dong)器(qi)(qi)(qi)等幾種。其中最典型的是電(dian)磁制動(dong)器(qi)(qi)(qi)。

在機(ji)器(qi)人的(de)驅動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)系統中常使(shi)用(yong)(yong)伺服電(dian)(dian)(dian)動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)機(ji)，伺服電(dian)(dian)(dian)機(ji)本身(shen)的(de)特(te)性決定(ding)了電(dian)(dian)(dian)磁(ci)(ci)制(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)器(qi)是不可缺(que)少(shao)的(de)部件(jian)。從原理上講(jiang)，這種(zhong)制(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)器(qi)就是用(yong)(yong)彈(dan)簧力制(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)的(de)盤(pan)式制(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)器(qi)，只(zhi)有勵(li)磁(ci)(ci)電(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)通過線圈時制(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)器(qi)打開，這時制(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)器(qi)不起制(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)作(zuo)用(yong)(yong)，而當電(dian)(dian)(dian)源斷開線圈中無勵(li)磁(ci)(ci)電(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)時，在彈(dan)簧力的(de)作(zuo)用(yong)(yong)下處于(yu)制(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)狀態的(de)常閉方式。因此(ci)這種(zhong)制(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)器(qi)被稱(cheng)為無勵(li)磁(ci)(ci)動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)作(zuo)型電(dian)(dian)(dian)磁(ci)(ci)制(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)器(qi)。又因為這種(zhong)制(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)器(qi)常用(yong)(yong)于(yu)安全(quan)(quan)制(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)場合(he)，所以(yi)也稱(cheng)為安全(quan)(quan)制(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)器(qi)。

電氣制動器

電(dian)動(dong)機(ji)(ji)(ji)是將電(dian)能(neng)轉(zhuan)(zhuan)換(huan)為機(ji)(ji)(ji)械能(neng)的(de)(de)(de)裝(zhuang)置(zhi)，反(fan)之(zhi)，他也(ye)具有將旋(xuan)轉(zhuan)(zhuan)機(ji)(ji)(ji)械能(neng)轉(zhuan)(zhuan)換(huan)為電(dian)能(neng)的(de)(de)(de)發電(dian)功能(neng)。換(huan)言之(zhi)，伺服(fu)電(dian)機(ji)(ji)(ji)是一種能(neng)量轉(zhuan)(zhuan)換(huan)裝(zhuang)置(zhi)，可將電(dian)能(neng)轉(zhuan)(zhuan)換(huan)為機(ji)(ji)(ji)械能(neng)，同時也(ye)能(neng)通過(guo)其反(fan)過(guo)程來達到制(zhi)(zhi)動(dong)的(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)。但對于直(zhi)流電(dian)機(ji)(ji)(ji)、同步電(dian)機(ji)(ji)(ji)和(he)感應電(dian)機(ji)(ji)(ji)等各種不同類型(xing)的(de)(de)(de)電(dian)機(ji)(ji)(ji)，必須分別采用適當的(de)(de)(de)制(zhi)(zhi)動(dong)電(dian)路。

3、控制機構

構建機(ji)器(qi)(qi)(qi)人平臺(tai)(tai)的(de)(de)(de)(de)核(he)心是建立機(ji)器(qi)(qi)(qi)人的(de)(de)(de)(de)控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)系(xi)(xi)統(tong)。首先需要選擇和硬件平臺(tai)(tai)，控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)系(xi)(xi)統(tong)硬件平臺(tai)(tai)對(dui)于(yu)系(xi)(xi)統(tong)的(de)(de)(de)(de)開放性(xing)、實(shi)現方(fang)式和開發(fa)工作量有很大的(de)(de)(de)(de)影響。一般常用的(de)(de)(de)(de)控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)系(xi)(xi)統(tong)硬件平臺(tai)(tai)應滿足：硬件系(xi)(xi)統(tong)基于(yu)標(biao)準總(zong)(zong)線機(ji)構，具有可伸縮性(xing)；硬件結構具有必要的(de)(de)(de)(de)實(shi)時計(ji)算能(neng)力；硬件系(xi)(xi)統(tong)模塊(kuai)化，便于(yu)添加或更改(gai)各(ge)種接口、傳感器(qi)(qi)(qi)和特殊計(ji)算機(ji)等；低成(cheng)本。到(dao)目前為止，一般機(ji)器(qi)(qi)(qi)人控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)系(xi)(xi)統(tong)的(de)(de)(de)(de)硬件平臺(tai)(tai)可以大致分為兩(liang)類(lei)：基于(yu)VME總(zong)(zong)線（Versamodel Eurocard由Motorola公司(si)1981年(nian)(nian)推出(chu)的(de)(de)(de)(de)第一代(dai)32位工業(ye)開放標(biao)準總(zong)(zong)線）的(de)(de)(de)(de)系(xi)(xi)統(tong)和基于(yu)PC總(zong)(zong)線的(de)(de)(de)(de)系(xi)(xi)統(tong)。近(jin)年(nian)(nian)來，隨著PC機(ji)性(xing)能(neng)的(de)(de)(de)(de)快速發(fa)展，可靠性(xing)大為提高，價格卻(que)大幅度(du)降低，以PC機(ji)為核(he)心的(de)(de)(de)(de)控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)系(xi)(xi)統(tong)已廣泛(fan)被(bei)機(ji)器(qi)(qi)(qi)人控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)領域所接受。