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(zhǎng)。本文通過(guò)對(duì)國(guó)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(duì)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(jué)、接觸覺(jué)及滑動(dòng)覺(jué)的初級(jí)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(duì)控制系統(tǒng)的硬件原理做了分析，對(duì)PLC 的程序也進(jìn)行了編譯；在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2、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(jué)機(jī)械手，可編程序控制器 16Design of the joint transporting robot AbstractUnder the development of the modern industrial robots technology , the use of industrial robot increases rapidly. Through analyzing the domestic and foreign industrial robots, combing the conditions

3、 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, the mechanism design, and the

4、 control system design. In the total scheme design, the most wildly applied plane joint type is chosen. In the mechanism, the transporting robots end-effector, the wrist, the arm and the waist are mainly designed. A kind of the approaching sense, the contact sense and the skidding sense primary inte

5、lligence 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 pneumatic operation and the motor.

6、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(zhǎng)的擬人機(jī)械電子裝置，既有人對(duì)環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有長(zhǎng)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)，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

7、為3kg。本文對(duì)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(jué)、接觸覺(jué)及滑動(dòng)覺(jué)的初級(jí)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（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

8、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： 圖 2-2 受力示意圖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：圖 2-3方案一傳動(dòng)示意圖方案二傳動(dòng)示意圖如圖 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：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

9、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）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)

10、需要進(jìn)行改進(jìn)：一、小臂的示意圖如下： 圖2-7 小臂的示意圖二、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(jiǎn)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(zhǎng)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

11、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(jiǎn)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(guò)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(guò)對(duì)減速器和電動(dòng)機(jī)選擇及相關(guān)計(jì)算，搬運(yùn)機(jī)器人機(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(guò)對(duì)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

12、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(guò)仰俯運(yùn)動(dòng)來(lái)調(diào)整鉗抓的角度，輸送帶和物料臺(tái)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(hào)輸入名 稱代號(hào)輸入名 稱代號(hào)輸出啟動(dòng)SB1X0手動(dòng)操作SB6X10電磁閥上升YV1Y0上升限位SQ1X1連續(xù)操作SB7X11電磁閥左移YV2Y1左移限位SQ2X2單步上升SB7X12電磁閥下降YV3Y2下降限位SQ3X3單步下降SB8X13輸送帶A轉(zhuǎn)動(dòng)YV4Y3工件檢測(cè)SQ4X4單步左移SB9X14抓取YV5Y4抓限位SB2X5單步右移SB10

13、X15電磁閥右移YV6Y5右移限位SB3X6夾緊SB11X16原點(diǎn)指示ELY6停止SB4X7放松SB12X17輸送帶B轉(zhuǎn)動(dòng)YV7Y7 回原點(diǎn)SB5X20輸送帶轉(zhuǎn)動(dòng)SB13X21（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，

14、（既X10常閉閉合、X11常閉打開）則程序執(zhí)行時(shí)跳過(guò)手動(dòng)程序，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)。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(lái)檢測(cè)手腕、手臂、腰部的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，還有確定手爪對(duì)工件的抓取 。在機(jī)械手設(shè)計(jì)上采用了一種具有接近覺(jué)、接觸覺(jué)及滑動(dòng)覺(jué)的初級(jí)智能機(jī)械手。工作原理如下：接近覺(jué)傳感器、接觸覺(jué)傳感器、滑動(dòng)覺(jué)傳感器位于手指上接近覺(jué)傳感器是由紅外發(fā)射器、紅外探測(cè)器及其信號(hào)處理電路構(gòu)成。接觸覺(jué)傳感器、滑動(dòng)覺(jué)傳感器是一個(gè)傳

15、感器。是由聚偏氟乙烯膜，銅箔電極和絕緣橡膠表皮保護(hù)層構(gòu)成。圖3-7 初級(jí)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(duì)一類搬運(yùn)機(jī)器人的總體方案上進(jìn)行了研究，并對(duì)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(guò)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(duì)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(guò)PLC的高速記數(shù)單元與PLC進(jìn)行連接，PLC再通過(guò)高速記數(shù)單元將控制信號(hào)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(hào)發(fā)送給PLC，PLC