關(guān)節(jié)型搬運(yùn)機(jī)器人設(shè)計(jì)

1、關(guān)節(jié)型搬運(yùn)機(jī)器人設(shè)計(jì) 摘要 隨著現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展， 工業(yè)機(jī)器人的使用迅速增長。 本文通過對國內(nèi) 外工業(yè)機(jī)器人的分析， 并結(jié)合搬運(yùn)所需要的條件， 設(shè)計(jì)出了工廠自動(dòng)化生產(chǎn)和生產(chǎn)線 使用的搬運(yùn)機(jī)器人。 本文著重對搬運(yùn)機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)方案、 機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)從理論上進(jìn)行了詳細(xì)的 分析和設(shè)計(jì)。 在搬運(yùn)機(jī)器人總體設(shè)計(jì)中， 采用了應(yīng)用最為廣泛的平面關(guān)節(jié)型； 在機(jī)構(gòu) 設(shè)計(jì)中，主要設(shè)計(jì)了搬運(yùn)機(jī)器人末端執(zhí)行器、手腕、手臂和腰的機(jī)械結(jié)構(gòu)；在末端執(zhí) 行器設(shè)計(jì)上采用了一種具有接近覺、 接觸覺及滑動(dòng)覺的初級智能機(jī)械手； 在控制系統(tǒng) 的設(shè)計(jì)中，采用可編程控制器（ PLC）進(jìn)行控制，并對控制系統(tǒng)的硬件原理做了分析， 對

2、 PLC 的程序也進(jìn)行了編譯； 在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中， 采用了氣動(dòng)和電機(jī)兩種驅(qū)動(dòng)方式， 主要?jiǎng)幼鞑捎秒姍C(jī)驅(qū)動(dòng)。 關(guān)鍵詞：搬運(yùn)機(jī)器人，三感覺機(jī)械手，可編程序控制器 Design of the joint transporting robot Abstract Under the development of the modern industrial robot tse chnology , the use of industrial robot increases rapidly. Through analyzing the domestic and foreign industrial robo

3、ts, combing the conditions of the transportation, the transporting robot for the factory automation produce and the production line is designed in this article. The emphasis on this article is to analyze and design the transporting robot in theory. The analytical objects include the total scheme, th

4、e mechanism design, and the control system design. In the total scheme design, the most wildly applied plane joint type is chosen. In the mechanism, the transportingr obot esn d-effector, the wrist, the arm and the waist are mainly designed. A kind of the approaching sense, the contact sense and the

5、 skidding sense primary intelligence manipulator is adopted in the end-effector; In the control system, the programmable controller （PLC） is used, the principle of hardware is analyzed and the programs in PLC are compiled. In the actuating system, two driving types are used which include the pneumat

6、ic operation and the motor. The main movement is driven by the motor. Key words: Transporting robot, three feelings manipulators, programmable controller （PLC） 1引 言 本課題研制的搬運(yùn)機(jī)器人，是一種綜合了人和機(jī)器特長的擬人機(jī)械電子裝置，既有人對環(huán)境 狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有長時(shí)間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，是先進(jìn) 制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動(dòng)化設(shè)備。 它能夠感應(yīng)工件并能按規(guī)定抓取， 升高， 轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度， 向前移動(dòng)

7、，把料準(zhǔn)確放入指定的工位。為了便于設(shè)計(jì)，工件設(shè)為 60*60*60 的立方體，重為 3kg。 本文對一類搬運(yùn)機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)、 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等從理論上進(jìn)行了較為全面的研究。 在機(jī)械手設(shè)計(jì)上采用了一種具有接近覺、接觸覺及滑動(dòng)覺的初級智能機(jī)械手。 2總體方案與機(jī)械本體設(shè)計(jì) 由工業(yè)機(jī)器人的構(gòu)成及其運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)， 進(jìn)行機(jī)械本體、 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、 控制系統(tǒng)的方案比較與選擇， 基于總體方案的設(shè)計(jì)，選定基本技術(shù)參數(shù)。 2.1 手部（末端執(zhí)行器）的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算 分析手部的功能與分類，根據(jù)其設(shè)計(jì)要求，在本次設(shè)計(jì)中可使用的末端執(zhí)行器有以下幾種： （ 1 ）吸附式 （ 2 ）電磁吸盤式 （ 3）多關(guān)節(jié)多指手爪

8、 （4）夾鉗持式手爪 本設(shè)計(jì)選用的是夾鉗式手部的齒輪齒條平行連桿式平移型夾持器。 結(jié)構(gòu)如圖 2-1 所示： 圖 2-1 齒輪齒條平行連桿式平移型夾持器 夾鉗式手部應(yīng)具有適當(dāng)?shù)牡膴A緊力和驅(qū)動(dòng)力，手部方案計(jì)算包括：夾緊力、夾緊缸驅(qū)動(dòng)力的 計(jì)算。 受力示意如圖： 2.2 手腕的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算 分析手腕的功能與分類，手腕設(shè)計(jì)應(yīng)該具有兩個(gè)自由度，即能實(shí)現(xiàn)手腕的回轉(zhuǎn)和俯仰運(yùn)動(dòng)， 由手腕設(shè)計(jì)要求，在本次設(shè)計(jì)中可采用的設(shè)計(jì)方案有以下幾種結(jié)構(gòu)： 方案一傳動(dòng)示意圖 2-3 如下： 方案二傳動(dòng)示意圖如圖 圖 2-3 方案一傳動(dòng)示意圖 2-4 所示： 圖 2-4 擺動(dòng)液壓缸驅(qū)動(dòng)手腕 方案三傳動(dòng)示意圖如圖 2-5 所示

9、： 在方案三中充分考慮到手腕回轉(zhuǎn)所需力矩小所以使用的電動(dòng)機(jī)和諧波減速機(jī)構(gòu)都質(zhì)量 和體積都很小，可以之間將其直接放在手腕前端，這樣就減少了小臂前端的質(zhì)量和體積，所 以在本次設(shè)計(jì)中使用第三方案 。 圖 2-5 方案三傳動(dòng)示意 手腕回轉(zhuǎn)、 俯仰時(shí)， 需要克服腕部的摩擦阻力力矩、 工件重心偏置力矩和腕部啟動(dòng)時(shí)的慣性 阻力力矩。手腕設(shè)計(jì)方案的計(jì)算包括： （一）手腕回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 （二）手腕俯仰力矩的計(jì)算 2.3 手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算 分析手臂的功能與分類，根據(jù)其設(shè)計(jì)要求，本次設(shè)計(jì)可供選擇的結(jié)構(gòu)主要有以下幾種： （一）液壓驅(qū)動(dòng)圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu) （二）電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)援助坐標(biāo)型機(jī)器人手臂 （三）

10、PUMA 機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu) （四）SPINE 機(jī)器人多節(jié)柔性手臂 （五）帶諧波減速器的機(jī)器人手臂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu) 圖 2-6 PUMA560 機(jī)器人小臂傳動(dòng)圖 本設(shè)計(jì)是采用 PUMA 機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)結(jié)合設(shè)計(jì)需要進(jìn)行改進(jìn)： 一、小臂的示意圖如下： 圖 2-7 小臂的示意圖 、大臂示意圖如下： 圖 2-8 大臂示意圖 其大臂和小臂均用高強(qiáng)度的鋁合金材料制成的薄壁框形結(jié)構(gòu)， 大臂的肘關(guān)節(jié)處的傳動(dòng)與別處 不同，為了實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)和動(dòng)作的精確，以及結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量小，所以采用諧波減速器。設(shè)計(jì) 計(jì)算截面尺寸和手臂長度，使其在滿足強(qiáng)度、剛度和尺寸要求的前提下，得到最優(yōu)尺寸和最小質(zhì) 量，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。大臂肘關(guān)節(jié)處的傳

11、動(dòng)示意圖為： 圖 2-9 大臂肘關(guān)節(jié)處傳動(dòng)示意圖 2.4 機(jī)座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算 分析機(jī)座的功能與分類，根據(jù)其設(shè)計(jì)要求，在本次設(shè)計(jì)中可供選擇的腰座有以下幾種： 方案一：采用環(huán)形軸承作支撐結(jié)構(gòu)的機(jī)器人腰座 圖 2-10 采用環(huán)形軸承作支撐結(jié)構(gòu)的機(jī)器人腰座 方案二：采用普通軸承作支撐結(jié)構(gòu)的機(jī)器人腰座 圖 2-11 采用普通軸承作支撐結(jié)構(gòu)的機(jī)器人腰座 本方案是采用普通軸承做支承元件的腰座支承結(jié)構(gòu)， 這種結(jié)構(gòu)制造簡單， 成本低、 安裝 調(diào)整方便等優(yōu)點(diǎn)，雖然存在腰座尺寸過大的缺點(diǎn)，但是卻可以增加穩(wěn)定性。本次設(shè)計(jì)即采用 這種腰部。 方案三： PUMA 機(jī)器人腰座 經(jīng)過對減速器和電動(dòng)機(jī)選擇及相關(guān)計(jì)算，搬運(yùn)機(jī)器

12、人機(jī)械本體效果圖如下： 圖 2-12 搬運(yùn)機(jī)器人機(jī)械本體效果圖 3控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.1 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 通過對 PLC 的分析，本機(jī)采用三菱公司生產(chǎn)的 FX2N-40MR PLC 。 機(jī)器人搬運(yùn)操作方式分為手動(dòng)和自動(dòng)操作方式。自動(dòng)操作方式又分為步進(jìn)、單周期和連續(xù)操 作方式。 （1）機(jī)器人搬運(yùn)示意 圖 3-1 機(jī)器人搬運(yùn)示意圖 原位（零點(diǎn)）位置：機(jī)器人的小臂停在下限位置出，鉗抓放松，即物體抓取出，不需要通過 仰俯運(yùn)動(dòng)來調(diào)整鉗抓的角度，輸送帶和物料臺同一高度。 （2）機(jī)器人搬運(yùn)系統(tǒng)輸入和輸出點(diǎn)分配表 表 3-1 I/O 分配表 名稱 代號 輸入 名稱 代號 輸入 名稱 代號 輸出 啟動(dòng) S

13、B1 X0 手動(dòng)操作 SB6 X10 電磁閥上升 YV1 Y0 上升限位 SQ1 X1 連續(xù)操作 SB7 X11 電磁閥左移 YV2 Y1 左移限位 SQ2 X2 單步上升 SB7 X12 電磁閥下降 YV3 Y2 下降限位 SQ3 X3 單步下降 SB8 X13 輸送帶 A 轉(zhuǎn) 動(dòng) YV4 Y3 工件檢測 SQ4 X4 單步左移 SB9 X14 抓取 YV5 Y4 抓限位 SB2 X5 單步右移 SB10 X15 電磁閥右移 YV6 Y5 右移限位 SB3 X6 夾緊 SB11 X16 原點(diǎn)指示 EL Y6 停止 SB4 X7 放松 SB12 X17 輸送帶 B 轉(zhuǎn)動(dòng) YV7 Y7 回原點(diǎn)

14、SB5 X20 輸送帶轉(zhuǎn)動(dòng) SB13 X21 3） PLC 輸入，輸出連接電路圖 圖 3-2 PLC 輸入，輸出連接電路圖 4）操作系統(tǒng) 操作系統(tǒng)包括回原點(diǎn)程序，手動(dòng)單步操作程序和自動(dòng)連續(xù)操作程序。 圖 3-3 機(jī)械手操作程序圖 其原理是： X20 接通，系統(tǒng)自動(dòng)回原點(diǎn)， Y6 驅(qū)動(dòng)指示燈亮。 X10 接通，其常閉觸頭打開，程序不跳轉(zhuǎn) （CJ 為一跳轉(zhuǎn)指令，如果 CJ 驅(qū)動(dòng)，則跳到指針 P 所指 P0 處），執(zhí)行手動(dòng)程序。之后，由于 X11 常閉觸點(diǎn)，當(dāng)執(zhí)行 CJ 指令時(shí)，跳轉(zhuǎn)到 P1 所指的結(jié)束位置。如果置于自動(dòng)位置， （既 X10 常閉閉 合、 X11 常閉打開）則程序執(zhí)行時(shí)跳過手動(dòng)程序，

15、直接執(zhí)行自動(dòng)程序。 （5）回原位程序 圖 3-4 回原位狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖 （6）手動(dòng)單步操作程序 圖中上升 /下降，左移 /右移都有聯(lián)鎖和限位保護(hù)。 10 圖 3-5 手動(dòng)單步操作程序圖 7）自動(dòng)操作程序 圖 3-6 自動(dòng)操作狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖 3.2 傳感器的選擇 在本設(shè)計(jì)中，傳感器主要用來檢測手腕、手臂、腰部的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，還有確定手爪對工件的抓 11 取 。在機(jī)械手設(shè)計(jì)上采用了一種具有接近覺、接觸覺及滑動(dòng)覺的初級智能機(jī)械手。工作原理如 下： 接近覺傳感器、接觸覺傳感器、滑動(dòng)覺傳感器位于手指上 接近覺傳感器是由紅外發(fā)射器、紅外探測器及其信號處理電路構(gòu)成。 接觸覺傳感器、滑動(dòng)覺傳感器是一個(gè)傳感器。是由聚偏氟乙

16、烯膜，銅箔電極和絕緣橡膠表皮 保護(hù)層構(gòu)成。 圖 3-7 初級智能機(jī)械手結(jié)構(gòu)圖 4結(jié)論與建議 4.1 結(jié)論 本文對一類搬運(yùn)機(jī)器人的總體方案上進(jìn)行了研究，并對其機(jī)械本體結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系 統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。 (1)通過相關(guān)方案的選擇、計(jì)算及校核，從理論上驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的可行性和正確性。 (2)編寫了 PLC 程序，并進(jìn)行了機(jī)器人搬運(yùn)工件模擬實(shí)驗(yàn)，在模擬實(shí)驗(yàn)中機(jī)器人能夠很好的 完成設(shè)計(jì)好的動(dòng)作，證實(shí)了機(jī)器人控制系統(tǒng)的正確性。 4.2 建議 在設(shè)計(jì)方面還存在不少不足，可以提出以下幾個(gè)方面建議對設(shè)計(jì)進(jìn)行完善： (1)本設(shè)計(jì)理論上采用光電編碼器的輸出直接通過PLC的高速記數(shù)單元與 PLC 進(jìn)行連接，PLC

17、再通過高速記數(shù)單元將控制信號發(fā)送給電動(dòng)機(jī)， 但在實(shí)際的 PLC 設(shè)計(jì)中采用的是機(jī)械限位所產(chǎn)生 的信號發(fā)送給 PLC，PLC 再將控制信號發(fā)送給電動(dòng)機(jī)，從而限制了機(jī)器人的工作范圍。在控制系 統(tǒng)設(shè)計(jì)中，考慮到工作狀況和控制的簡便未對機(jī)器人手腕的仰俯運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制設(shè)計(jì)， 從而限制了機(jī)器人的自由度和工作空間。 (2) 在氣缸和部分零部件加工工藝設(shè)計(jì)上存在不足，未考慮充分氣缸的密封性和部分零部件的 可加工性。 (3) 未充分考慮機(jī)器人制造的成本，經(jīng)濟(jì)性。 (4) 可在 PLC 軟件編程上改進(jìn)，采用不同的中間繼電器控制來實(shí)現(xiàn)不同的輸入信號通過一個(gè) 輸入口輸入信號。 (5) 本文未對沿軌道的前后運(yùn)動(dòng)

18、的行走機(jī)構(gòu)及其控制系統(tǒng)做設(shè)計(jì)。 12 其 .6 。 520 .1 ：理角角 求處圓倒 要質(zhì)注注 術(shù)調(diào)未未 技 .1 .2 .3 。 為級等差公的寸尺差公注未.4 13 成 座機(jī)、腰、 臂大 計(jì)設(shè)業(yè)畢 院學(xué)產(chǎn)水連大 注備 準(zhǔn)標(biāo) 金合鋁 料材量 承軸球溝深 承軸球力推 母螺 41鍵 輪齒斜從 母螺 5鍵 輪齒斜主 座基 器 速減波諧 機(jī)動(dòng)電 座腰 承軸球溝深 蓋端 軸 動(dòng)傳節(jié)關(guān)腰 母螺 承軸球溝深 蓋上臂大 機(jī)動(dòng)電 器軸聯(lián)性柔 器速減波諧 器軸聯(lián)性彈 軸 輪齒錐圓小 輪 齒錐圓大 軸動(dòng)傳 5鍵 承軸球溝深 8鍵 承軸球溝深 軸動(dòng)傳臂小 承軸球溝深 輪齒斜從 8鍵 母螺 輪齒斜主 5鍵 母螺 臂大

19、稱名號 序 。 度精置位的座基和 座腰、臂大證保. 。漆銹防涂件鑄. 。 05202 理處質(zhì)調(diào)輪齒. 。隙間向軸有留時(shí)承軸裝安. 。 為徑半角圓注未. 度精配裝證保，座 基為準(zhǔn)基配裝，臂 大、座腰、座基為 次依序順配裝. 。 1 角倒注未. ：求要術(shù)技 14 張 1 第 張1 共 動(dòng)自其及造 制計(jì)設(shè) 械機(jī) 例比 計(jì)設(shè)業(yè)畢 院學(xué)產(chǎn)水連大 號圖 量數(shù) 部手人器機(jī) 群 超 曹 計(jì) 設(shè) 閱 審 績 成 期 日 量數(shù) 號序 桿連 05202 理處 質(zhì)調(diào)面表處輪 齒輪齒形 扇、處 輪齒桿條齒 。好性封密， 度糙粗面表的處合配座機(jī)與桿條齒 。封密的缸氣證保 、輪齒形扇、缸氣證保 ，缸氣裝先為序順配裝 ：求要術(shù)技 。度精配裝的抓鉗 。抓鉗裝后，輪齒形扇裝再 15 4 49 9 49 注備 張1共 1:1 動(dòng)自其 及造 制計(jì) 設(shè)械機(jī) 3-QC 例比 1 計(jì)設(shè)業(yè)畢 院學(xué)產(chǎn)水連大 rC04 1 54 1 1 1 膠橡 1 051TH 1 3 1 54 1 1 051TH 1 rC04 1 54 1 2 051TH 1 1 54