一、搬運機器人的設計原理

搬運機器人為(wei)可移(yi)動(dong)門架(jia)式(shi)結(jie)構，手臂承載機構可沿著導(dao)(dao)軌(gui)進行移(yi)動(dong)，導(dao)(dao)軌(gui)安裝與立柱(zhu)上，位于(yu)被看(kan)管設備上方。

1、手(shou)臂承載機構沿(yan)導軌移(yi)動(dong)，由安裝(zhuang)于承載機構上的(de)雙作用氣(qi)缸驅動(dong)裝(zhuang)置，保證操作機手(shou)臂實(shi)現(xian)600mm的(de)往復運動(dong)。

2、手臂在(zai)肩(jian)關節中的(de)轉動，由安裝于承(cheng)載機(ji)構(gou)上的(de)雙(shuang)作用氣缸(gang)驅動裝置，運動傳(chuan)遞機(ji)構(gou)和安裝于肩(jian)部的(de)滾珠絲(si)杠實現。

3、手臂在肘(zhou)關節中的轉動，由(you)安裝(zhuang)于小(xiao)臂上(shang)的雙作用氣缸驅動裝(zhuang)置，運(yun)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分(fen)為(wei)兩個階段：

1、系統分析階段

①根據系統的目標，明確所(suo)采用機器人(ren)的目的和任務。

②分析機(ji)器人所在系(xi)統的工作環(huan)境。

③根據機(ji)器人的(de)(de)工作要求，確定機(ji)器人的(de)(de)基本(ben)功(gong)(gong)能和方(fang)案。如機(ji)器人的(de)(de)自由度、信息的(de)(de)存儲量、計算機(ji)功(gong)(gong)能、動作精度的(de)(de)要求、所(suo)能抓取(qu)的(de)(de)重量、容(rong)許的(de)(de)運(yun)動范圍、以(yi)及對溫(wen)度、震(zhen)動等(deng)環境(jing)的(de)(de)適應性(xing)。

2、技術設計階段

①根據系統的要求確(que)定機器人的自由度和允許(xu)的空間工(gong)作范(fan)圍(wei)，選擇(ze)機器人的坐標形(xing)式。

②擬訂機器(qi)人的運動路線(xian)和空(kong)間作業圖。

③確定驅(qu)動系(xi)統(tong)的類(lei)型。

④選擇各部(bu)件的(de)具(ju)體結構，進行機(ji)器人(ren)總裝圖的(de)設計。

⑤繪制機(ji)器(qi)人的(de)零件圖，并確定尺寸(cun)。

三、搬運機器人的結構組成

搬運機器(qi)人(ren)由(you)執行機構(gou)(gou)、驅動機構(gou)(gou)和控制機構(gou)(gou)三部分組(zu)成。

1、執行機構

（1）手部

手(shou)部(bu)既直接與工件接觸的(de)部(bu)分(fen)，一(yi)般是回轉型(xing)或(huo)平動型(xing)（多為(wei)回轉型(xing)，因(yin)其結構簡單）。手(shou)部(bu)多為(wei)兩(liang)指（也(ye)(ye)有多指）；根據需要(yao)分(fen)為(wei)外(wai)抓式(shi)和內抓式(shi)兩(liang)種；也(ye)(ye)可(ke)以用負壓(ya)式(shi)或(huo)真空(kong)式(shi)的(de)空(kong)氣吸盤（主要(yao)用于可(ke)吸附(fu)的(de)，光滑表面的(de)零(ling)(ling)件或(huo)薄板零(ling)(ling)件）和電(dian)磁(ci)吸盤。

傳力(li)機構(gou)(gou)形式(shi)較多，常用的(de)(de)(de)有：滑槽杠(gang)桿式(shi)、連桿杠(gang)桿式(shi)、斜楔杠(gang)桿式(shi)、齒輪齒條式(shi)、絲杠(gang)螺母式(shi)、彈簧(huang)式(shi)和重力(li)式(shi)。本次設計的(de)(de)(de)手(shou)部(bu)選擇夾持類回轉型結(jie)構(gou)(gou)手(shou)部(bu)。手(shou)部(bu)執(zhi)行(xing)依靠桿的(de)(de)(de)伸縮(suo)運(yun)動(dong)來實現其張合運(yun)動(dong)，桿的(de)(de)(de)動(dong)力(li)源來自后續驅動(dong)源的(de)(de)(de)液(ye)(ye)壓(ya)(ya)(ya)缸(gang)(gang)，該液(ye)(ye)壓(ya)(ya)(ya)缸(gang)(gang)采(cai)用的(de)(de)(de)是伸縮(suo)式(shi)液(ye)(ye)壓(ya)(ya)(ya)缸(gang)(gang)，該液(ye)(ye)壓(ya)(ya)(ya)缸(gang)(gang)能(neng)夠節省橫向的(de)(de)(de)工作空間。

（2）腕部

腕部(bu)(bu)是連接手(shou)(shou)(shou)部(bu)(bu)和臂部(bu)(bu)的(de)(de)部(bu)(bu)件(jian)，并可(ke)用(yong)來調節被(bei)抓物體(ti)的(de)(de)方(fang)位，以(yi)擴大機(ji)械(xie)(xie)手(shou)(shou)(shou)的(de)(de)動(dong)(dong)(dong)作范圍，并使(shi)機(ji)械(xie)(xie)手(shou)(shou)(shou)變的(de)(de)更(geng)靈巧，適(shi)應性更(geng)強。手(shou)(shou)(shou)腕有(you)獨立的(de)(de)自由(you)度。有(you)回轉(zhuan)運(yun)(yun)動(dong)(dong)(dong)、上下(xia)擺(bai)動(dong)(dong)(dong)、左右擺(bai)動(dong)(dong)(dong)。一般腕部(bu)(bu)設(she)有(you)回轉(zhuan)運(yun)(yun)動(dong)(dong)(dong)再增加一個上下(xia)擺(bai)動(dong)(dong)(dong)即(ji)可(ke)滿足工(gong)作要求，有(you)些動(dong)(dong)(dong)作較(jiao)為簡單的(de)(de)專用(yong)機(ji)械(xie)(xie)手(shou)(shou)(shou)，為了(le)簡化結構，可(ke)以(yi)不設(she)腕部(bu)(bu)，而直接用(yong)臂部(bu)(bu)運(yun)(yun)動(dong)(dong)(dong)驅(qu)動(dong)(dong)(dong)手(shou)(shou)(shou)部(bu)(bu)搬運(yun)(yun)工(gong)件(jian)。

目(mu)前，應用最為(wei)廣(guang)泛的(de)(de)手(shou)腕(wan)回轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)運(yun)動機(ji)構(gou)(gou)為(wei)回轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)液壓（氣(qi)）缸，它的(de)(de)結(jie)構(gou)(gou)緊湊，靈巧但回轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)角(jiao)度小(xiao)（一(yi)般小(xiao)于(yu)?270），并且(qie)要(yao)求嚴(yan)格密封，否(fou)則(ze)就難保證(zheng)穩定的(de)(de)輸出扭矩。因此(ci)在要(yao)求較大回轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)角(jiao)的(de)(de)情(qing)況下(xia)，采用齒條傳動或鏈(lian)輪(lun)以及輪(lun)系(xi)結(jie)構(gou)(gou)。本次設計的(de)(de)搬運(yun)機(ji)器人的(de)(de)腕(wan)部(bu)是(shi)實(shi)現(xian)手(shou)部(bu)?180的(de)(de)旋轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)運(yun)動。

腕(wan)(wan)部的(de)(de)驅動(dong)(dong)方式采用直接(jie)(jie)驅動(dong)(dong)的(de)(de)方式，由于腕(wan)(wan)部裝在(zai)手臂(bei)的(de)(de)末端，所(suo)以(yi)必(bi)須設計(ji)的(de)(de)十分緊湊可以(yi)把驅動(dong)(dong)源(yuan)裝在(zai)手腕(wan)(wan)上。機器人(ren)手部的(de)(de)張(zhang)合是由雙作(zuo)用單柱塞(sai)液壓缸驅動(dong)(dong)的(de)(de)；而手腕(wan)(wan)的(de)(de)回(hui)轉(zhuan)運(yun)動(dong)(dong)則由回(hui)轉(zhuan)液壓缸實現。將夾緊活塞(sai)缸的(de)(de)外(wai)殼與擺(bai)動(dong)(dong)油(you)缸的(de)(de)動(dong)(dong)片(pian)連接(jie)(jie)在(zai)一起；當回(hui)轉(zhuan)液壓缸中不(bu)同的(de)(de)油(you)腔中進油(you)時即可實現手腕(wan)(wan)不(bu)同方向的(de)(de)回(hui)轉(zhuan)。

（3）臂部

手(shou)(shou)臂部(bu)件(jian)是機(ji)械手(shou)(shou)的重要握持(chi)部(bu)件(jian)。它的作(zuo)用是支(zhi)撐腕部(bu)和手(shou)(shou)部(bu)（包括工作(zuo)或(huo)夾(jia)具），并帶動他們做(zuo)空間運動。

臂(bei)(bei)部(bu)(bu)運(yun)動的(de)目的(de)：把手部(bu)(bu)送到空間運(yun)動范圍內(nei)任意一點。如果改變手部(bu)(bu)的(de)姿態（方位），則用腕部(bu)(bu)的(de)自由度加以實現。因此，一般來說(shuo)臂(bei)(bei)部(bu)(bu)具有三個(ge)自由度才能滿(man)足基本要(yao)求，即手臂(bei)(bei)的(de)伸縮(suo)、左右旋(xuan)轉、升降（或俯仰）運(yun)動。

手(shou)(shou)臂(bei)(bei)的(de)(de)(de)(de)各(ge)種運動(dong)(dong)(dong)(dong)通常用驅動(dong)(dong)(dong)(dong)機(ji)構(gou)(gou)（如液(ye)壓缸(gang)或者氣缸(gang)）和(he)各(ge)種傳動(dong)(dong)(dong)(dong)機(ji)構(gou)(gou)來實現(xian)，從臂(bei)(bei)部(bu)(bu)(bu)的(de)(de)(de)(de)受力(li)情況分析，它(ta)在工(gong)作(zuo)中既受腕部(bu)(bu)(bu)、手(shou)(shou)部(bu)(bu)(bu)和(he)工(gong)件的(de)(de)(de)(de)靜、動(dong)(dong)(dong)(dong)載荷，而且自身運動(dong)(dong)(dong)(dong)較為多，受力(li)復雜。因此(ci)，它(ta)的(de)(de)(de)(de)結(jie)構(gou)(gou)、工(gong)作(zuo)范(fan)圍、靈活(huo)性以(yi)及(ji)抓重(zhong)大小(xiao)和(he)定(ding)位(wei)精度(du)(du)直(zhi)接(jie)(jie)影響機(ji)械手(shou)(shou)的(de)(de)(de)(de)工(gong)作(zuo)性能。本(ben)次設(she)計實現(xian)臂(bei)(bei)部(bu)(bu)(bu)的(de)(de)(de)(de)上(shang)下(xia)移動(dong)(dong)(dong)(dong)、前(qian)后伸(shen)縮(suo)(suo)、以(yi)及(ji)臂(bei)(bei)部(bu)(bu)(bu)的(de)(de)(de)(de)回轉運動(dong)(dong)(dong)(dong)。手(shou)(shou)臂(bei)(bei)的(de)(de)(de)(de)運動(dong)(dong)(dong)(dong)參數：伸(shen)縮(suo)(suo)行程：1200mm；伸(shen)縮(suo)(suo)速度(du)(du)：83mm/s；升降(jiang)行程：300mm；升降(jiang)速度(du)(du)：67mm/s；回轉范(fan)圍：180~0。機(ji)器人手(shou)(shou)臂(bei)(bei)的(de)(de)(de)(de)伸(shen)縮(suo)(suo)使其手(shou)(shou)臂(bei)(bei)的(de)(de)(de)(de)工(gong)作(zuo)長度(du)(du)發生(sheng)變化，在圓柱坐標(biao)式(shi)結(jie)構(gou)(gou)中，手(shou)(shou)臂(bei)(bei)的(de)(de)(de)(de)最大工(gong)作(zuo)長度(du)(du)決定(ding)其末端(duan)所能達到的(de)(de)(de)(de)圓柱表面直(zhi)徑。伸(shen)縮(suo)(suo)式(shi)臂(bei)(bei)部(bu)(bu)(bu)機(ji)構(gou)(gou)的(de)(de)(de)(de)驅動(dong)(dong)(dong)(dong)可采用液(ye)壓缸(gang)直(zhi)接(jie)(jie)驅動(dong)(dong)(dong)(dong)。

（4）機座

機(ji)(ji)(ji)(ji)座(zuo)是機(ji)(ji)(ji)(ji)身(shen)機(ji)(ji)(ji)(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)的基礎部(bu)分，起支撐(cheng)作用。對(dui)固定式機(ji)(ji)(ji)(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)，直接(jie)聯接(jie)在(zai)(zai)(zai)地面上(shang)(shang)，對(dui)可(ke)移動(dong)式機(ji)(ji)(ji)(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)，則(ze)安裝(zhuang)在(zai)(zai)(zai)移動(dong)結(jie)(jie)構上(shang)(shang)。機(ji)(ji)(ji)(ji)身(shen)由(you)臂(bei)(bei)部(bu)運動(dong)（升(sheng)(sheng)降(jiang)、平移、回轉和俯仰）機(ji)(ji)(ji)(ji)構及其相關的導向裝(zhuang)置(zhi)、支撐(cheng)件等組成。并且，臂(bei)(bei)部(bu)的升(sheng)(sheng)降(jiang)、回轉或俯仰等運動(dong)的驅動(dong)裝(zhuang)置(zhi)或傳動(dong)件都安裝(zhuang)在(zai)(zai)(zai)機(ji)(ji)(ji)(ji)身(shen)上(shang)(shang)。臂(bei)(bei)部(bu)的運動(dong)越多，機(ji)(ji)(ji)(ji)身(shen)的結(jie)(jie)構和受力越復雜。本(ben)次(ci)畢業設計的搬運機(ji)(ji)(ji)(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)的機(ji)(ji)(ji)(ji)身(shen)選用升(sheng)(sheng)降(jiang)回轉型機(ji)(ji)(ji)(ji)身(shen)結(jie)(jie)構；臂(bei)(bei)部(bu)和機(ji)(ji)(ji)(ji)身(shen)的配置(zhi)型式采(cai)用立柱式單(dan)臂(bei)(bei)配置(zhi)，其驅動(dong)源來自回轉液(ye)壓缸。

2、驅動機構

驅動機構是搬運機器人的(de)重要組成部分。根據動(dong)力源的(de)不同，工業機(ji)械(xie)手(shou)的(de)驅動(dong)機(ji)構大致(zhi)可分為(wei)液壓、氣動(dong)、電動(dong)和機(ji)械(xie)驅動(dong)等四類。

（1）液(ye)壓傳動(dong)。具(ju)有較大功率體積比(bi)，常用(yong)于大負載的場合(he)；壓力、流量均容易(yi)(yi)控制，可無級(ji)調速(su)；反應靈敏，可實現(xian)連(lian)續軌跡控制，維修方便；但(dan)液(ye)體對溫度變化敏感，油(you)液(ye)泄漏易(yi)(yi)著火(huo)；中小型專用(yong)機械(xie)手或機器人(ren)都有應用(yong)，重(zhong)型機械(xie)手多為(wei)液(ye)壓驅(qu)動(dong)；液(ye)壓元件成本較高(gao)，油(you)路也比(bi)較復雜。

（2）氣(qi)壓傳動。氣(qi)動系統簡(jian)單，成本低，適合(he)于(yu)節拍快、負載小(xiao)且精度要求不高的(de)場合(he)，常用(yong)于(yu)點位(wei)控制、抓(zhua)取、彈性握持和(he)真空吸附(fu)，可高速(su)，但(dan)沖擊(ji)較(jiao)嚴(yan)重，精確定(ding)位(wei)困(kun)難(nan)；維修簡(jian)單，能在高溫、粉塵等惡劣環境中(zhong)使用(yong)，泄漏無影響(xiang)；中(zhong)小(xiao)型專用(yong)機械手或機器人(ren)都有應用(yong)。

（3）電(dian)(dian)動(dong)(dong)。有異步電(dian)(dian)機(ji)、直(zhi)流電(dian)(dian)機(ji)、步進或伺服電(dian)(dian)機(ji)等(deng)電(dian)(dian)動(dong)(dong)驅動(dong)(dong)方式。電(dian)(dian)動(dong)(dong)機(ji)使(shi)用(yong)簡單，且隨著材料性(xing)能(neng)的提高(gao)(gao)，電(dian)(dian)動(dong)(dong)機(ji)性(xing)能(neng)也逐(zhu)漸(jian)提高(gao)(gao)，目前(qian)主(zhu)要適(shi)合于(yu)中等(deng)負載(zai)，特別是(shi)適(shi)合動(dong)(dong)作(zuo)復雜、運動(dong)(dong)軌跡(ji)嚴格的工業機(ji)器(qi)(qi)人和各種微型機(ji)器(qi)(qi)人。

（4）制動器：制(zhi)(zhi)動器是將機械(xie)運動部(bu)分的(de)能量變為(wei)(wei)熱能釋放，從而使運動的(de)機械(xie)速度降低或者停止的(de)裝置(zhi)，它大致可分為(wei)(wei)機械(xie)制(zhi)(zhi)動器和電氣(qi)制(zhi)(zhi)動起兩類(lei)。在機器人機構中，學(xue)要使用制(zhi)(zhi)動器的(de)情(qing)況(kuang)如(ru)下(xia)：

①特(te)殊(shu)情況下(xia)的(de)瞬間停止和需(xu)要采取安全措(cuo)施

②停電時，防止運(yun)動(dong)部分下滑而(er)破壞(huai)其他(ta)裝置(zhi)。

機械制動器：

機械制動器(qi)有螺旋式自動加載(zai)制動器(qi)、盤式制動器(qi)、閘瓦式制動器(qi)和電磁(ci)制動器(qi)等幾(ji)種(zhong)。其中(zhong)最典型的是電磁(ci)制動器(qi)。

在(zai)機(ji)器(qi)人的(de)驅動(dong)(dong)(dong)系統中(zhong)常使(shi)用(yong)伺服電(dian)動(dong)(dong)(dong)機(ji)，伺服電(dian)機(ji)本身的(de)特(te)性(xing)決(jue)定(ding)了電(dian)磁制(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)器(qi)是(shi)(shi)不(bu)可缺(que)少的(de)部件(jian)。從原理上講，這種制(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)器(qi)就(jiu)是(shi)(shi)用(yong)彈簧(huang)力(li)(li)制(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)的(de)盤式制(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)器(qi)，只有勵(li)磁電(dian)流通過(guo)線(xian)圈(quan)時制(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)器(qi)打(da)開，這時制(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)器(qi)不(bu)起制(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)作用(yong)，而當電(dian)源斷開線(xian)圈(quan)中(zhong)無勵(li)磁電(dian)流時，在(zai)彈簧(huang)力(li)(li)的(de)作用(yong)下處(chu)于制(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)狀態(tai)的(de)常閉方式。因此這種制(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)器(qi)被稱為(wei)無勵(li)磁動(dong)(dong)(dong)作型電(dian)磁制(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)器(qi)。又(you)因為(wei)這種制(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)器(qi)常用(yong)于安(an)全(quan)制(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)場合，所以也(ye)稱為(wei)安(an)全(quan)制(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)器(qi)。

電氣制動器

電動(dong)機(ji)(ji)(ji)是(shi)將電能(neng)轉(zhuan)(zhuan)換(huan)為機(ji)(ji)(ji)械(xie)能(neng)的裝置，反(fan)之，他也具(ju)有將旋轉(zhuan)(zhuan)機(ji)(ji)(ji)械(xie)能(neng)轉(zhuan)(zhuan)換(huan)為電能(neng)的發電功能(neng)。換(huan)言之，伺服電機(ji)(ji)(ji)是(shi)一種能(neng)量轉(zhuan)(zhuan)換(huan)裝置，可將電能(neng)轉(zhuan)(zhuan)換(huan)為機(ji)(ji)(ji)械(xie)能(neng)，同(tong)(tong)時也能(neng)通過(guo)其反(fan)過(guo)程來達到制(zhi)(zhi)動(dong)的目的。但對于直(zhi)流(liu)電機(ji)(ji)(ji)、同(tong)(tong)步電機(ji)(ji)(ji)和(he)感(gan)應電機(ji)(ji)(ji)等各種不同(tong)(tong)類型的電機(ji)(ji)(ji)，必須分別采(cai)用適當的制(zhi)(zhi)動(dong)電路。

3、控制機構

構(gou)建機(ji)器(qi)人(ren)(ren)平(ping)臺(tai)的核心是(shi)建立機(ji)器(qi)人(ren)(ren)的控制(zhi)系(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)。首先需(xu)要選擇和硬(ying)件(jian)(jian)平(ping)臺(tai)，控制(zhi)系(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)硬(ying)件(jian)(jian)平(ping)臺(tai)對于(yu)系(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)的開(kai)放性、實現方式和開(kai)發工作(zuo)量(liang)有很(hen)大(da)的影響。一(yi)(yi)般常用的控制(zhi)系(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)硬(ying)件(jian)(jian)平(ping)臺(tai)應滿足：硬(ying)件(jian)(jian)系(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)基(ji)于(yu)標(biao)準總(zong)線(xian)機(ji)構(gou)，具(ju)有可(ke)伸縮(suo)性；硬(ying)件(jian)(jian)結構(gou)具(ju)有必要的實時計(ji)算能力；硬(ying)件(jian)(jian)系(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)模塊化，便于(yu)添(tian)加或更改(gai)各種接口、傳感器(qi)和特(te)殊(shu)計(ji)算機(ji)等；低(di)成本(ben)。到目前(qian)為止，一(yi)(yi)般機(ji)器(qi)人(ren)(ren)控制(zhi)系(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)的硬(ying)件(jian)(jian)平(ping)臺(tai)可(ke)以大(da)致分為兩類：基(ji)于(yu)VME總(zong)線(xian)（Versamodel Eurocard由(you)Motorola公司(si)1981年推出的第一(yi)(yi)代32位工業開(kai)放標(biao)準總(zong)線(xian)）的系(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)和基(ji)于(yu)PC總(zong)線(xian)的系(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)。近年來，隨著PC機(ji)性能的快速(su)發展(zhan)，可(ke)靠性大(da)為提高，價(jia)格卻大(da)幅(fu)度降低(di)，以PC機(ji)為核心的控制(zhi)系(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)已廣泛被(bei)機(ji)器(qi)人(ren)(ren)控制(zhi)領(ling)域(yu)所接受。