搬运机器人


搬运机器人的设计
沈鲁通 设计目标:
设计一个能智能搬运物料的机器人,提高食品饮料搬运过程自动化水平,减 少第一线工作人员劳动强度, 用先进的方法和技术设备武装食品饮料产业,提高 食品饮料产业的技术、生产和管理素质,实现用机器换人的目的。

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1 机器人的组成
机器人通常由执行机构、驱动一传动装置和控制系统三部分组成(如图1-1所 示)。这些部分之间的相互作用可用1-2所示的方框图表示
图1-1 机器人的组成
手部 执行机构 腕部 臂部 机 器 人 腰部 基座部(固定或移动) 驱动-传动系统 电、液或气驱动装置 单关节伺服控制器 控制系统 关节协调及其它信息交换 计算机

图1-2 机器人各组成部分之间的关系

位形检测 驱动 传动 装置

控制系统(一)

控制系统(二)

执行 机构

工作对象

智能系统

1.2.1 执行机构 执行机构(也称操作机)是机器人赖以完成工作任务的实体, 通常由杆件和关 节组成。从功能的角度,执行机构可分为:手部、腕部、臂部、腰部和基座等,

如图1-3所示。
图1-3 执行机构

(1)手部 手部又称末端执行器, 是工业机器人直接进行工作的部分,可以是各种夹持 器。有时人们也常把渚如电焊枪、油漆喷头等划作机器人的手部。 (2)腕部 腕部与手部相连,通常有3个自由度,多为轮系结构,主要功用是带动手部 完成预定姿态,是操作机中结构最为复杂的部分。

(3)臂部 臂部用以连接腰部和腕部, 通常由两个臂杆(小臂和大臂)组成,用以带动腕 部作平面运动。 (4)腰部 腰部是连接臂和基座的部件,通常是回转部件,腰部的回转运动再加上臂部 的平面运动,就能使腕部作空间运动。腰部是执行机构的关键部件,它的制造误 差、运动精度和平稳性,对机器人的定位精度有决定性的影响。 (5)基座 基座是整个机器人的支持部分,有固定式和移动式两种。该部件必须具有足

够的刚度和稳定性 1.2.2 驱动和传动装置 工业机器人的驱动一传动装置包括驱动器和传动机构两个部分,它们通常 与执行机构连成一体。传动机构常用的有谐波减速器、滚珠丝杠、链、带以及各 种齿轮轮系。驱动器通常有电机(直流伺服电机、步进电机、交流伺服电机)、液 动或气动装置,目前使用最多的是交流伺服电机。 1.2.3 控制系统 控统一般由控制计算机和伺服控制器组成。前者发出指令协调各关节驱动 器之间的运动,同时还要完成编程、示教/再现以及和其他环境状况(传感器信 息)、工艺要求、外部相关设备(如电焊机)之间的信息传递和协调工作。后者控 制各关节驱动器,使各杆按一定的速度、加速度和位置要求进行运动。

搬运机器人各方向传动方式设计
2.1 搬运机器人要解决的问题
通过机器人搬运工程石板(长 a=800mm,宽 b=400mm,高 c=30mm,重 G=20kg) (假定)完成(水平运动 X=5.0m,垂直运动 Y=0.6m,旋转运动 R=90?)的动 作,如示意图 2-1 所示。
图 2-1 机器人各运动方向

2.2

机器人各方向传动方式的设计
能够实现直线传动的传动形式有;

2.2.1 水平和竖直方向直线运动传动方式设计

(1) 液压传动 特点:液压传动传递运动的动力大,运动平稳,换向冲击小,便于实现频 繁换向;在同等功率下,液压装置的体积小、重量轻、结构紧凑。但液压传动中 的泄漏和液体的可压缩性, 使这种传动无法保证严格的传动比; 由于液体粘性大, 在流动过程中有较大的能量损失(泄漏损失、摩擦损失等),因此,传动效率相 对低,不适合做远距离传动和控制。 (2) 气压传动 特点:以空气为工作介质,来源方便,工作压力较低,用后可直接排入大 气而无污染,处理方便,洁净环境;与液压传动相比,气压传动反应快、动作迅 速、维护简单、工作介质清洁、管路不易堵塞,不存在工作介质变质、补充和更 换等问题;而且成本低,能实现过载保护。但因空气的可压缩性较大,使系统的 动作和工作速度稳定性受负载变化的影响大,运动平稳性较差,不易实现准确的

速度控制和很高的定位精度; 而且气动装置的体积与液压传动相比较大,产生的 推力小。其主要原因是气压系统工作压力低(0.5~0.8MPa),不易获得较大的输 出力或转矩。 (3) 齿轮齿条啮合传动 特点:齿轮齿条传动将旋转运动转变为直线运动,它传递的功率大,速度 范围广,效率高,工作可靠,寿命长,机构紧凑,能保证恒定的传动比。但是, 这样的运动也可以反向驱动, 也就是齿条作直线运动来带动齿轮旋转,适合大距 离的传递, 如机床导轨底下带动托板箱移动的就是齿轮齿条传动,齿轮齿条机构 需要外加锁紧装置, 因为之论之痛机构不能自锁,并且齿轮齿条不适用于两轴中 心距过大的传动及振动冲击较大的场合。 (4) 丝杠螺母传动 特点:用于距离较短的高精度定位;电机和滚珠丝杠只用联轴器连接,没 有间隙。 2.2.2 R 方向旋转运动的设计

(1) 摆动气(液)缸 特点:摆动气缸是利用压缩空气驱动输出轴在一定 角度范围内作往 复回转运动的气动执行元件。用于物体的转位、翻转、分类、夹紧、阀门 的开闭以及机器人的手臂动作等。 ( 2 ) 齿轮传动 特点:功率和速度范围大,通用性强,工作可靠,效率高,对中心距误差 的敏感性小,易于制造和精确加工,可进行变为切削和修行。 (3) 蜗杆传动 特点:蜗杆传动能实现传动比大,传动平稳,但效率较低,适用于中小功 率或间歇运转的场合;当它与齿轮传动同时应用时,若蜗杆传动布置在高速级, 使其传递较小的转矩,以减小蜗轮尺寸,节约有色金属,且传动效率较高。若蜗 杆传动布置在低速级, 则齿轮传递转矩较小, 而是整个传动装置的尺寸减小。 (4) 带传动 特点:带传动靠摩擦力工作,承载能力较小,传递相同转矩时,结构尺寸 较其它传动形式大,但传动平稳,能缓冲吸振,应布置在高速级,使所传递的转

距小。 (5) 链传动 特点:链传动由于多边形效应,瞬时传动比不断变化,产生冲击、振动, 而使转速不均匀,故不宜用于高速级,应布置在低速级。 通过以上,综合考虑,因为摆动的力矩不是很大,而且摆动只是一个固定角 度 90?,所以 R 方向旋转传动选择 90?摆动气缸。

3 手部的设计与计算
3.1 手部的设计 工业机器人的手又称为末端执行器, 它是机器人直接用于抓取和握紧 (吸附) 专用工具(如喷枪、扳手、焊具、喷头等)进行操作的部件。它具有模仿人手动 作的功能,并安装于机器人手臂的前端。由于被握工件的形状、尺寸、重量、材 质及表面状态等不同, 因此工业机器人末端操作器是多种多样的,大致可分为夹 钳式取料手、吸附式取料手、专用操作器及转换器和仿生多指灵巧手等。 本文设计对象为物料搬运机器人,并不需要复杂的多指人工指,只需要设计 能从不同角度抓取工件的钳形指。 手指是直接与工件接触的部件。手指松开和夹紧工件,是通过手指的张开与 闭合来实现的。该设计采用两个手指,其外形如图 2 所示。

图 2 机械手手指形状

3.2 驱动方式 机械手常用的驱动方式有液压驱动、气压驱动和电机驱动三种类型。这三种 方法各有所长,各种驱动方式的特点见表 1。 机械手驱动系统各有其优缺点,通常对机器人的驱动系统的要求有: (1)驱动系统的质量尽可能要轻,单位质量的输出功率要高,效率也要高; (2)反应速度要快,即要求力矩质量比和力矩转动惯量比要大,能够进行频 繁地起、制动,正、反转切换;
(3)驱动尽可能灵活,位移偏差和速度偏差要小;

(4)安全可靠;对环境无污染,噪声要小;

(5)操作和维护方便; (6)经济上合理,尤其要尽量减少占地面积。 基于上述驱动系统的特点和机器人驱动系统的设计要求, 本文选用步进电机 驱动的方式对机器人进行驱动。
表1 内 容 液压驱动 输出功率 很大,压力范围为 50~140Pa 利用液体的不可压缩性, 控制 性能 控制精度较高,输出功率 大,可无级调速,反应灵 气动驱动 大,压力范围为 48~ 60Pa 气体压缩性大,精度 低, 阻尼效果差, 低速 不易控制, 难以实现高 控制。 响应速度 很高 结构适当,执行机构可标 准化、模拟化,易实现直 接驱动。功率/质量比大, 体积小,结构紧凑,密封 问题较大。 防爆性能较好,用液压油 安全性 作传动介质,在一定条件 下有火灾危险。 对环境 的影响 液压系统易漏油,对环境 有污染。 较高 结构适当, 执行机构可 标准化、 模拟化, 易实 现直接驱动。功率/质 量比大, 体积小, 结构 控制精度高,功率较大, 能精确定位,反应灵敏, 可实现高速、 高精度的连 续轨迹控制,伺服特性 好,控制系统复杂。 很高 伺服电动机易于标准化, 结构性能好,噪声低,电 动机一般需配置减速装 置,除 DD 电动机外,难 无密封问题。 防爆性能好,高于 1000kPa 时 应 注 意设 备的抗压性。 排气时有噪声 设备自身无爆炸和火灾 危险, 直流有刷电动机换 向时有火花, 对环境的防 爆性能较差。 无 电机驱动 较大 三种驱动方式的特点对照 驱 动 方 式

敏,可实现连续轨迹控制。 速、 高精度的连续轨迹

结构 性能 及 体积

紧凑,密封问题较小。 以直接驱动,结构紧凑,

适用于中小负载驱动、 适用于中小负载、 要求具 在工业机 械手中应 用范围 适用于重载、低速驱动, 电液伺服系统适用于喷涂 机器人、点焊机器人和托 运机器人。 精度要求较低的有限 如冲压机器人本体的 气动平衡及装配机器 人气动夹具。 有较高的位置控制精度 高的机器人,如 AC 伺服 喷涂机器人、点焊机器 人、弧焊机器人、装配机 器人等。 成本 维修及 液压元件成本较高 方便,但油液对环境温度 成本低 方便 成本高 较复杂 点位程序控制机器人, 和轨迹控制精度、 速度较

使用

有一定要求

3.3 手部夹紧力的计算 拟定物料搬运机器人手部最大抓取重量为 8kg,其夹角为 31 度。根据工作 位置和工作环境的需要,最终采用如图 3 所示结构。

图 3 手部结构简图

a ? 62.4mm, b ? 66mm

手部机架采用铸钢铸造,其摩擦系数 ? ? 0.2 ,重力加速度取 g ? 9.8N / kg 。 夹紧时由力学关系可以得到公式: 2 N ? ? ? mg ,从而得到夹紧力

FN ?

mg 8kg ? 9.8kg / s 2 ? ? 196 N 2? 2 ? 0.2

由公式 P ?

2b ? tan ? ? FN ,知所需的驱动力 a 2 ? 66mm P? ? tan 31 ?196 N ? 248.77 N 62.4mm

夹紧机构采用丝杠传动原理传送夹紧力,拟定丝杠的大径 D ? 24mm ,螺距 设为 P ? 2.5 ,牙型角为 60 的梯形普通螺纹。 3.4 弹簧的计算[6] 弹簧外形如图 4 所示。 通过计算来确定弹簧的旋绕比、最大工作负荷、工作极限负荷、最小工作负 荷、弹簧要求刚度、总圈数、有效圈数、单圈刚度等一系列有弹簧有关的数据来 确定弹簧是否合格。

图 4 手部弹簧

选用材料碳素弹簧钢丝 弹簧材料的许用应力 [? p ] 及 [? BP ] 必须按照负荷性质来确定。 弹簧按负荷性质分为三类: Ⅰ类:受变负荷作用,次数在 105 此以上的弹簧; Ⅱ类:受变负荷作用,次数在 103 ~105 次或冲击负荷的弹簧; Ⅲ类:受变负荷作用,次数在 103 次以下的弹簧。 D C ? ;或查表 11-1-6 旋绕比 C d D 12 D ? 12 , d ? 2 , C ? ? ? 6 ,由表 11-1-6 查得 K ? 1.25 d 2 最大工作负荷 Pn ,单位 N, [? b ] ? 400MPa
Pn ?

?d3
8KD

[? b ] ?

3.14 ? 23 ? 400 ? 84 N 8 ?1.25 ?12

工作极限负荷 Pj ?

?d3
8KD

? ? j , ? j ? 1.67[? b ] ? 668MPa

? Pj ?

?d3
8KD

?? j ?

3.14 ? 23 ? 668 ? 144 N 8 ?1.25 ?12

1 1 最小工作负荷 P 1 ? ( ~ ) Pj 3 4 1 1 ?P 1 ? ( ~ ) Pj ? 72 N 3 2


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