包裝搬運機器人的設(shè)計畢業(yè)設(shè)計

東北林業(yè)大學(xué)

畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書包裝搬運機器人的設(shè)計學(xué)生姓名： 專業(yè)班級： 包裝工程 一指導(dǎo)教師： 一學(xué)院： 工程技術(shù)學(xué)院2012年11月15日題目名稱：包裝搬運機器人的設(shè)計任務(wù)內(nèi)容（包括內(nèi)容、計劃、時間安排、完成工作量與水平具體要求）設(shè)計內(nèi)容:對包裝搬運機器人的現(xiàn)狀進行調(diào)研分析，歸納并總結(jié)出現(xiàn)有包裝搬運機器人存在的問題。針對一種包裝件進行包裝搬運機器人的設(shè)計。使用ro/E、AutoCAD.PhotoshopCS5等設(shè)計軟件，繪制所設(shè)計的包裝搬運機器人的結(jié)構(gòu)和模型。計劃進度：2012年11月15日一2012年12月15日，查閱文獻，準(zhǔn)備開題。2012年12月16日—2013年3月31日，畢業(yè)實習(xí)，為畢業(yè)論文搜集資料。2013年4月1日—2013年4月25日，進行市場調(diào)查，了解當(dāng)今機器人需求，掌握包裝搬運機器人的用途特點和發(fā)展前景。2013年4月26日—2013年5月10日，進行包裝搬運機器人機構(gòu)設(shè)計和包裝搬運機器人本體方案設(shè)計。2013年5月11日—2013年5月20日，設(shè)計最終設(shè)計方案，用AutoCAD設(shè)計平面結(jié)構(gòu)圖并用Pro/E設(shè)計其三維結(jié)構(gòu)，最后肝hotoshopCS5修圖美化。2013年5月21日—2013年6月10日，完成畢業(yè)設(shè)計，最終定稿。2013年6月11日一2013年6月20日，進行答辯。其中：參考文獻篇數(shù)：20篇以上說明書字?jǐn)?shù)：10000字以上圖紙張數(shù)：圖紙19張專業(yè)負(fù)責(zé)人意見簽名：年月日包裝搬運機器人的設(shè)計摘要我國對食品和醫(yī)藥的需求量快速增長帶動相關(guān)包裝產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。包裝產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展需要開發(fā)更加先進的包裝技術(shù)。相關(guān)包裝企業(yè)為提高包裝設(shè)備的自動化程度和速度，進而開發(fā)出貫穿整個生產(chǎn)線的新型智能包裝設(shè)備。包裝搬運機器人作為自動化生產(chǎn)線上的重要成員，逐漸被包裝企業(yè)所認(rèn)同并采用。目前，包裝搬運機器人主要承擔(dān)著重復(fù)性并且勞動強度極大的搬運工作。本設(shè)計通過了解包裝搬運機器人在包裝產(chǎn)業(yè)上的應(yīng)用現(xiàn)狀，提出了具體的設(shè)計要求，并根據(jù)包裝搬運機器人各部分的設(shè)計原則，進行了系統(tǒng)總體方案設(shè)計以及手部夾持器、臂部、機身的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過運刪utoCAD對包裝搬運機器人進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，運用ro/E對包裝搬運機器人進行三維實體造型，最后使用hotoshopCS5進行修圖美化。關(guān)鍵詞：包裝；搬運機器人；設(shè)計DesignofPackagingTransferRobotAbstractNowadaystherapidgrowthofdemandforfoodandmedicineinourcountrywillpromotethedevelopmentofthepackagingindustry.Therapiddevelopmentofthepackagingindustryneedstodevelopmoreadvancedpackagingtechnology.Inordertoimprovetheautomationdegreeandspeedofpackagingequipment,relatedpackagingenterprisesdevelopnewintelligentpackagingequipmentthroughouttheproductionline.Packagingtransferrobot,animportantmemberoftheautomatedproductionline,isrecognizedandadoptedbypackagingenterprisesgradually.Atpresent,packagingtransferrobotismainlyresponsiblefortransferingrepetitiveandlabor-intensivework.Throughunderstandingtheapplicationstatusofpackagingtransferrobot,thisdesignputsforwardthespecificdesignrequirements.Accordingtodesignprinciplesofvariousparts,italsocarriesonthedesignoftheoverallsystemandthemechanicalstructureofhandholder,arm,body,designingtheStructurebyAutoCAD,designingthree-dimensionalsolidmodelingbyPro/E,andretouchingbyPhotoshopCS5.Keywords:packaging；transferrobotdesign目錄摘要AbstractTOC\o"1-5"\h\z1前言 1\o"CurrentDocument"包裝產(chǎn)業(yè)發(fā)展概況 1\o"CurrentDocument"機器人概況 2\o"CurrentDocument"概述 2\o"CurrentDocument"機器人的歷史、現(xiàn)狀和應(yīng)用 3\o"CurrentDocument"機器人發(fā)展趨勢 4\o"CurrentDocument"本文主要研究內(nèi)容 5\o"CurrentDocument"本章小結(jié) 5\o"CurrentDocument"2包裝搬運機器人的總體方案 6\o"CurrentDocument"總體設(shè)計的思路 6\o"CurrentDocument"系統(tǒng)分析階段 6\o"CurrentDocument"技術(shù)設(shè)計階段 6\o"CurrentDocument"自由度和坐標(biāo)系的選擇 7\o"CurrentDocument"直角坐標(biāo)包裝搬運機器人結(jié)構(gòu) 7\o"CurrentDocument"圓柱坐標(biāo)包裝搬運機器人結(jié)構(gòu) 7\o"CurrentDocument"球坐標(biāo)包裝搬運機器人結(jié)構(gòu) 7\o"CurrentDocument"關(guān)節(jié)型包裝搬運機器人結(jié)構(gòu) 7\o"CurrentDocument"包裝搬運機器人的動作過程 8\o"CurrentDocument"包裝搬運機器人的組成 8\o"CurrentDocument"執(zhí)行機構(gòu) 8\o"CurrentDocument"驅(qū)動機構(gòu) 10\o"CurrentDocument"控制系統(tǒng)分類 11\o"CurrentDocument"傳動系統(tǒng) 11\o"CurrentDocument"包裝搬運機器人的技術(shù)參數(shù) 11\o"CurrentDocument"本章小結(jié) 11\o"CurrentDocument"3手部夾持器的結(jié)構(gòu)設(shè)計 13\o"CurrentDocument"手部夾持器 13\o"CurrentDocument"手部設(shè)計基本要求 13\o"CurrentDocument"選擇手抓的類型及夾緊裝置 14\o"CurrentDocument"手爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計 15\o"CurrentDocument"手爪的力學(xué)分析 15\o"CurrentDocument"手部的三維結(jié)構(gòu)圖 16\o"CurrentDocument"本章小結(jié) 16\o"CurrentDocument"4臂部的結(jié)構(gòu)設(shè)計 18\o"CurrentDocument"臂部設(shè)計的基本要求 18\o"CurrentDocument"臂部應(yīng)承載能力大、剛度好、自重輕 18\o"CurrentDocument"臂部慣性小、運動快 18\o"CurrentDocument"手臂動作應(yīng)該靈活 19\o"CurrentDocument"位置精度要求高 19其他 19

總結(jié) 19\o"CurrentDocument"手臂的典型機構(gòu)以及結(jié)構(gòu)的選擇 19\o"CurrentDocument"手臂的典型運動機構(gòu) 19\o"CurrentDocument"手臂運動機構(gòu)的選擇 19\o"CurrentDocument"手臂直線運動的驅(qū)動力的簡單分析 20\o"CurrentDocument"手臂摩擦力的計算和分析 20\o"CurrentDocument"手臂慣性力的計算 21\o"CurrentDocument"密封裝置 21活塞桿 21\o"CurrentDocument"活塞桿強度 21活塞桿剛度 22\o"CurrentDocument"臂部伸縮液壓缸的三維結(jié)構(gòu)圖 22\o"CurrentDocument"本章小結(jié) 22\o"CurrentDocument"5機身的結(jié)構(gòu)設(shè)計及運動的簡單分析 23\o"CurrentDocument"機身的整體設(shè)計 23\o"CurrentDocument"機身回轉(zhuǎn)機構(gòu) 24\o"CurrentDocument"回轉(zhuǎn)液壓缸的三維結(jié)構(gòu)圖 24\o"CurrentDocument"機身升降機構(gòu) 25\o"CurrentDocument"手臂偏重力矩的分析 25\o"CurrentDocument"升降液壓缸的三維結(jié)構(gòu)圖 26包裝搬運機器人運動的簡單分析 262627運動學(xué)分析2627包裝搬運機器人的動作范圍??獻???JNn??淞考俁淵結(jié)參附致1前百包裝產(chǎn)業(yè)發(fā)展概況數(shù)字顯示，中國包裝產(chǎn)業(yè)這幾年發(fā)展迅速，中國包裝產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)量已從20世紀(jì)70年代初的63億元發(fā)展到2006年的7000億元人民幣，僅次于美國和日本。2011年我國包裝產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)量約1.4萬億元，成為第三世界包裝大國，僅次于美國⑴。包裝產(chǎn)業(yè)相關(guān)度高、吸納就業(yè)能力強、關(guān)系面廣、技術(shù)緊湊。這幾年間，一批包裝產(chǎn)業(yè)的集團企業(yè)、產(chǎn)業(yè)團體迅速發(fā)展。經(jīng)過國際組織和國家批準(zhǔn)，世界包裝組織亞洲包裝中心成立。中國第一次利用國際組織的資源在浙江杭州建設(shè)的集金融、信息、文化、制造、商貿(mào)、科技、教育、物流、建設(shè)和服務(wù)為一體的全球包裝產(chǎn)業(yè)中心，為全球包裝界開展雙邊、多邊和區(qū)域經(jīng)濟貿(mào)易合作交流提供世界級平臺，也是集合各方力量和睿智的重要品牌。但是，包裝產(chǎn)業(yè)中，國有企業(yè)、大型公司、較少，民營企業(yè)散而多，產(chǎn)業(yè)整個規(guī)模較小，同時，在眾多國外品牌的侵入后，中國產(chǎn)業(yè)受到威脅，比如德國肖特集團用其精湛的技術(shù)經(jīng)濟實力挺進中國區(qū)市場。十二五期間，通過企業(yè)收購、聯(lián)合、兼并等多種方式，以致我國的包裝產(chǎn)業(yè)進行整合，組成幾個聯(lián)合公司、大型企業(yè)，從而促進產(chǎn)業(yè)向前健康發(fā)展和技術(shù)革新。伴隨著中國經(jīng)濟迅速地崛起，人口老齡化引起和人民生活質(zhì)量提高的醫(yī)療開銷增多，新藥品研發(fā)強度增大，城鎮(zhèn)居民醫(yī)保的擴大和醫(yī)療保障體系改革的速度加快，包裝將會持續(xù)保持快速增長的趨勢。同時，包裝品種和中國包材水平都低于國際標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)調(diào)查，發(fā)達國家中，包裝占產(chǎn)品價值的40%,中國卻不到11%。中國包裝產(chǎn)業(yè)的快速崛起時期便是接下來的幾年?！栋b產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃綱要（征求意見稿）》顯示，產(chǎn)業(yè)的重要組成部分之一是包裝，它是接觸藥品的基本要素，對用藥安全和藥品質(zhì)量影響很大。因而在產(chǎn)業(yè)〃十二五〃的計劃中，包裝藥品是具有同等的地位的，而不是配套產(chǎn)業(yè)，在國家工業(yè)規(guī)劃中應(yīng)給予明確。包裝材料的研究應(yīng)該和藥品的研究同步，對包裝產(chǎn)業(yè)的政策扶持力度要大，體現(xiàn)包裝材料的包裝規(guī)章、技術(shù)領(lǐng)域、發(fā)展要求、重點研發(fā)的產(chǎn)品領(lǐng)域等［1］。包裝產(chǎn)業(yè)是一個獨立的生產(chǎn)體統(tǒng)，第一次被指出成為國家發(fā)展計劃中，“十二五”計劃中的提升改革包裝業(yè)中提出：“包裝產(chǎn)業(yè)要加快發(fā)展新型包裝新材料、高端包裝制品及包裝裝備?！痹谥袊b業(yè)協(xié)會的統(tǒng)計中，每年全世界包裝銷售額為7000?8000億美元，它占GDP的1.7%?2.5%。一般情況下，發(fā)達國家中的包裝產(chǎn)業(yè)在其國內(nèi)屬于第8位的樣子，而發(fā)展中國家的產(chǎn)品和產(chǎn)業(yè)的年增長率達11%以上，甚至更多。到了2015年，世界包裝市場規(guī)模將從2008年的4291億美元增至6300億美元，發(fā)展速度將遠超全球的經(jīng)濟增長速度［1］。包裝產(chǎn)業(yè)的總產(chǎn)值從2004年2600億元增長到2011年約13000億元，年復(fù)合增長率為22%,足以說明中國產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速。全球包裝產(chǎn)業(yè)看中了亞洲，尤其是中國的包裝東北林業(yè)大學(xué)本科設(shè)計市場，逐漸向亞洲轉(zhuǎn)移。在以后四到六年中，國包裝總產(chǎn)值將迅速崛起，它的年增長率將達到23%，有望超越美國的包裝總產(chǎn)值，至于第二世界包裝大國的地位是毋庸置疑的[1]。機器人概況概述在日常工作中包裝搬運機器人就是一個機器人，機器人的崛起是因為它的獨特功能漸漸被我們所認(rèn)識：（1）它按照一些程序步驟，生產(chǎn)工藝的規(guī)章、位置和時間來完成包裝件的搬運；（2）它能部分的為工人工作；（3）它能進行必要的機具進行裝卸和裝載，工人的勞動條件被很好地改善了，勞動生產(chǎn)率也提高了不少，因此有力促進了產(chǎn)業(yè)機械化和自動化的進度。所以，很多國家花大量的人力財力來研究開發(fā)。特別是在惡劣環(huán)境（例如噪音、高壓，高溫和帶有放射性污染的場地，機器人的應(yīng)用率跟高。中國這幾年的機器人發(fā)展也得到機械人產(chǎn)業(yè)的推廣重視。機器人的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單，專用性較強。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨立的根據(jù)編好的程序達到重復(fù)工作，應(yīng)用面積較廣的“程序控制式通用機器人”，也可以成為通用機器人。通用機器人的工作程序能方便更改，并且它適應(yīng)性不錯，所以在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中，它得到廣泛應(yīng)用。機器人，簡單的來說是用機器代替人手進行工作，把包裝件從一個地方搬到指定的工作地點，或者按照工作標(biāo)準(zhǔn)把包裝件進行其他處理。一般情況下，機器人分為三種：第一種，是需要人工操作的，稱為操作機（Manipulator）。它從原子、軍事領(lǐng)域發(fā)展過來的。首先使用操作機來完成一些的工作，后來就發(fā)展到使用無線電訊號指揮機器人來進行探測。工業(yè)中鍛造操作機也是這一種。第二種，它是一種獨立的、不附屬于某一主體、無需人工操作的裝置，你課根據(jù)工作的需要編制特定程序，來完成特定操作。這種機器人具有一般機器外的物理功能外，還有機械、記憶智能的功能。第三種，叫專業(yè)機器人，通常附屬于在自動生產(chǎn)線上，來完成生產(chǎn)線上包裝件的搬運，也就是本論文要研究的對象。該種機器人在國外通常叫做“MechanicalHand”，它由主機驅(qū)動，并且為主機服務(wù)。除一些特殊例子外，它的工作程序是不變的，所以叫專用的⑵。機器人可分為好多種類型，根據(jù)的一點是它的結(jié)構(gòu)形式。應(yīng)用最廣泛的一種是關(guān)節(jié)型機器人，它的特點是占用空間體積小，構(gòu)造緊湊，使用的工作空間較大。如果跟好的話，它能繞過底座周圍的一些障礙物進行工作，因此它成為機器人中使用最廣泛的一種設(shè)備，全球集中有名機器人的主體結(jié)構(gòu)都采用這種形式。為了使機器人像人一樣搬運包裝件，最基本的要素是要有一套像指、腕、臂、關(guān)節(jié)等部分組成的抓取及移動機構(gòu)一一執(zhí)行機構(gòu)；如同肌肉那種使整個機構(gòu)運動的驅(qū)動一傳動系統(tǒng)；如同頭腦那種指揮手動作的工作中心一一控制系統(tǒng)。機器人的性能是由這些系統(tǒng)的性能所決定。通常情況下，執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動一傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)這三部分就組成本設(shè)計所定義的機器人，如圖1-1所示。1刖百機器人電、液或氣驅(qū)動裝置驅(qū)動-傳動系統(tǒng)圖1-1機器人的一般組成機器人電、液或氣驅(qū)動裝置驅(qū)動-傳動系統(tǒng)圖1-1機器人的一般組成現(xiàn)代的智能機器人還具有一些特別的智能系統(tǒng)，主要是語言識別裝置、感覺裝置及視覺裝置等等。給予機器人“眼睛”是現(xiàn)在研究的主要內(nèi)容，該研究的目的是使機器人能夠躲避障礙物是識別障礙物。還有改進機器人的觸覺裝置。這些組成的功能部分并不是各自分開的，也不是機械式地疊加在一起，而是有機地構(gòu)成一個智能機器人。機器人的各部分需要存在一定相互制約、相互聯(lián)系及相互影響，這樣才能完成人們預(yù)期的操作功能。它們之間的相互關(guān)系如圖1-2所示。?工作對象智能系統(tǒng)?工作對象智能系統(tǒng)圖1-2機器人各部分之間的關(guān)系由執(zhí)行機構(gòu)和驅(qū)動一傳動系統(tǒng)組成了機器人的機械系統(tǒng)。機器人賴以完成工作任務(wù)的實體是執(zhí)行機構(gòu)，它通常由關(guān)節(jié)和連桿組成，同時由驅(qū)動一傳動系統(tǒng)提供驅(qū)動力，按控制系統(tǒng)的程序完成工作流程。機器人的歷史、現(xiàn)狀和應(yīng)用第一臺機器人是由美國開始研發(fā)制造的，1958年，第一臺機器人在美國聯(lián)合控制公司誕生。它的結(jié)構(gòu)特點是一回轉(zhuǎn)長臂被安置在機體上，前端安置電磁鐵的包裝件抓放機構(gòu)，控制系統(tǒng)是演示教學(xué)型的。亞洲的日本是工業(yè)機器人革新最快、技術(shù)最先進的國家之一。1969年，日本從美國購入兩種典型機器人后，就重點進行機器人的研究開發(fā)。現(xiàn)在的大部分機器人技術(shù)還一般，僅僅屬于第一代，需要人為進行操控進行作業(yè)；沒有識別功能，控制方式還是開環(huán)式；提高精度和降低成本是以后改進的研發(fā)改進方東北林業(yè)大學(xué)本科設(shè)計向。目前，全球正在加緊研發(fā)第二代機器人，它內(nèi)部裝有微型電子計算機控制系統(tǒng)，具有觸覺功能和視覺功能，甚至還具有思考和聽錄的功能。各種傳感器安置在機器人上，把感覺到的信息反饋控制中心，使機器人具有感覺功能。至于第三代機器人，它能獨立地完成工作過程中的操作，電子計算機和遠程設(shè)備與它相連接，漸漸成為柔性制造單元FMC(FlexibleManufacturingCell)和柔性制造系統(tǒng)FMS(FlexibleManufacturingSystem)中的重要一步[3]在社會的進步和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展的產(chǎn)業(yè)中，一些企業(yè)對機器人系統(tǒng)本身提出越來越多的要求。由于機器人需要適應(yīng)不同的應(yīng)用場地和多品種、大小批量的生產(chǎn)流程，故制造業(yè)要求機器人系統(tǒng)要有更好的柔性和更先進的編程環(huán)境。生產(chǎn)中的計算機集成制造系統(tǒng)要求機器人系統(tǒng)要能與工作場地中的其它自動化系統(tǒng)很好地融合在一起，這樣能更流暢地完成操作。機器人的科研工作人員們?yōu)榱颂岣邫C器人系統(tǒng)及智能功能水平，就日益開發(fā)機器人系統(tǒng)的開放結(jié)構(gòu)和能融合各種傳感器的功能結(jié)構(gòu)。在人類社會中，都能看到機器人的身影。機器人的應(yīng)用已經(jīng)從海洋開發(fā)和宇宙探測等高端的技術(shù)科學(xué)領(lǐng)域向服務(wù)產(chǎn)業(yè)、建造產(chǎn)業(yè)等日常生活領(lǐng)域延生了，同時形形色色的機器人正在被研究出來，以飛快的速度延生到人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€方面。人類生產(chǎn)水平正在逐漸發(fā)展，生活質(zhì)量正在提高和工作的效率正在逐漸提高，因此機器人出現(xiàn)了。然而機器人的特點是幫助人們完成重復(fù)的，精確度高、單調(diào)的的工作，幫助人們在惡劣的工作場地中完成人類不能完成或不想完成的操作，所以，機器人的誕生大大提高了人類的生產(chǎn)效率。因此，機器人的不斷革新是社會進步的產(chǎn)物。如今，許多經(jīng)濟發(fā)達的國家，如日本，正在積極地開發(fā)和研究各種機器人，而且?guī)讉€國家已經(jīng)達到了先進的時代，制備出了各種新型并且實用的機器人。比如：狗狗機器人AIBO、日本的跳舞機器人。英國人研制出了履帶式“手推車”和“超級手推車”排爆機器人。美國iRobot公司開推出了吸塵器機器人Roomba，它能繞開障礙，自動設(shè)計前行路線。另外還有2010年的上海世博會展示過的福娃機器人。雖然中國開始研制機器人僅比日本晚了大概五六年，但是各種原因存在研發(fā)過程中，它的發(fā)展比較遲緩。如今我國通過引入、仿造、改進、革新，智能機器人正逐步迅速地發(fā)展，同時，與各國進行機器人的研究交流探討。機器人發(fā)展趨勢現(xiàn)代科技技術(shù)的改革進步，使機器人在生產(chǎn)線上的生產(chǎn)效率提高了。特別當(dāng)機器人的生產(chǎn)與柔性制造單元和柔性化制造系統(tǒng)相融合的時候，因而改變了當(dāng)前制造的人工操作環(huán)境，整個企業(yè)的生產(chǎn)總值也提高了。就當(dāng)前狀況來說，一般來說現(xiàn)代機器人有以下幾個發(fā)展現(xiàn)狀：(1)增高動作精度和提快動作速度，減小重量及占用空間，機器人結(jié)構(gòu)零件應(yīng)該得到標(biāo)準(zhǔn)化和通用化。機器人的各種執(zhí)行模塊、驅(qū)動模塊、檢控模塊組合成功能不同的機器人；1刖百(2)為了適合不同類型的工作地點，應(yīng)該設(shè)計各種功能特別的結(jié)構(gòu)，如設(shè)計多自由度多個關(guān)節(jié)的臂部；設(shè)計微動機械用以保證動作精度；設(shè)計一些多種會走路的機器人；(3)開發(fā)各種電子元件和模塊。例如感官和距離探測的電子元件等。使用電子元件攝取操作對象四周的方位信息、環(huán)境信息、動作信息以達到識別檢測的目的。還要用權(quán)威系統(tǒng)進行解決各種問題和動作的設(shè)計。微機進行控制已經(jīng)逐步成為趨勢。本文主要研究內(nèi)容本文研究了國內(nèi)包裝產(chǎn)業(yè)和機器人的發(fā)展概況，并且學(xué)習(xí)機器人的工作原理和熟悉了包裝搬運機器人的操作機理。基于這個理論基礎(chǔ)上，設(shè)計包裝搬運機器人的主要系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對包裝搬運機器人的運動進行了簡單的力學(xué)分析，設(shè)計了包裝搬運機器人各個執(zhí)行機構(gòu)的構(gòu)造和的三維實體結(jié)構(gòu)及外觀造型。本章小結(jié)本章主要內(nèi)容是包裝產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和機器人的現(xiàn)狀、應(yīng)用領(lǐng)域、發(fā)展趨勢等方面，例舉了生產(chǎn)和生活中的一些特別的機器人，同時為設(shè)計一種包裝搬運機器人的方案做好鋪墊和資料準(zhǔn)備。東北林業(yè)大學(xué)本科設(shè)計2包裝搬運機器人的總體方案本章對包裝搬運機器人的機械結(jié)構(gòu)部分進行了簡單分析和設(shè)計。總體設(shè)計的思路設(shè)計包裝搬運機器人總體上可分為兩個階段，分別為系統(tǒng)分析階段和技術(shù)設(shè)計階段。系統(tǒng)分析階段(1)根據(jù)系統(tǒng)的目標(biāo)，明確所采用包裝搬運機器人的目的和任務(wù)；(2)分析了解包裝搬運機器人所在系統(tǒng)的操作環(huán)境；(3)根據(jù)包裝搬運機器人的工作標(biāo)準(zhǔn)，確定包裝搬運機器人的設(shè)計方案和主要功能。比如自由度的個數(shù)、信息容量、抓取對象的重量、空間運動范圍、電子計算機控制內(nèi)容、動作精度的標(biāo)準(zhǔn)以及對振動和溫度等環(huán)境的適應(yīng)性。技術(shù)設(shè)計階段(1)依照系統(tǒng)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)確定包裝搬運機器人的允許的空間工作范圍和自由度，從而選擇其坐標(biāo)形式；(2)初步確定包裝搬運機器人的動作步驟；(3)確定驅(qū)動系統(tǒng)的類型；(4)設(shè)計各個部位的具體結(jié)構(gòu)類型，進行包裝搬運機器人總體規(guī)劃；(5)繪制包裝搬運機器人的零件圖。結(jié)合設(shè)計的基本要求和總體原則確定包裝搬運機器人的總體方案。見圖2-1。手部夾持器機身(垂直手臂)臂部(水平手臂)機身(回轉(zhuǎn)機構(gòu))底座手部夾持器機身(垂直手臂)臂部(水平手臂)機身(回轉(zhuǎn)機構(gòu))底座圖2-1包裝搬運機器人的總體方案圖2包裝搬運機器人的總體方案自由度和坐標(biāo)系的選擇包裝搬運機器人的自由度的定義：包裝搬運機器人部件在三維空間中相當(dāng)于確定的坐標(biāo)系所體現(xiàn)的獨立運動數(shù)。針對于一個機構(gòu)，它有幾個運動坐標(biāo)就稱它有幾個自由度。各個運動的部件自由度的總和數(shù)為包裝搬運機器人的自由度數(shù)。包裝搬運機器人的手部如果像人手靈活完成摸個特定操作還是比較難的。要知道人的手掌、腕、大小臂由19個關(guān)節(jié)組成，算起來共有27個自由度。而生產(chǎn)實踐中不需要機器人的手有這么多的自由度一般為三到六個。本畢業(yè)設(shè)計中的包裝搬運機器人為4個自由度即：手部張合；臂部水平伸縮；臂部繞軸回轉(zhuǎn)；臂部豎直升降。包裝搬運機器人的結(jié)構(gòu)形式按照坐標(biāo)大體可分為球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)四種。直角坐標(biāo)包裝搬運機器人結(jié)構(gòu)直角坐標(biāo)包裝搬運機器人的空間運動是用三條相互垂直的直線運動來表示的。如圖2-2（a）所示。因為直線運動方便于達到全閉環(huán)的位置控制的設(shè)計要求，故直角坐標(biāo)包裝搬運機器人的位置精度能達到〃m級。這種機器人的特點：其運動空間范圍余一般包裝搬運機器人的范圍尺寸相比較，還是比較小的。所以為了執(zhí)行特定的運動空間范圍，直角坐標(biāo)包裝搬運機器人的結(jié)構(gòu)尺寸還是要比其他種類的包裝搬運機器人的結(jié)構(gòu)尺寸大得多［4］。直角坐標(biāo)包裝搬運機器人的工作空間實際上是一個空間長方體。該包裝搬運機器人的結(jié)構(gòu)可以分為天車式、懸臂式及龍門式。圓柱坐標(biāo)包裝搬運機器人結(jié)構(gòu)圓柱坐標(biāo)包裝搬運機器人的空間運動是由兩個直線運動和一個回轉(zhuǎn)運動來展現(xiàn)的，如圖2-2（b）。這種包裝搬運機器人有簡單的結(jié)構(gòu)，精度一般，常常用于搬運操作。該機器人的工作空間范圍是一個圓柱狀的空間范圍⑷。球坐標(biāo)包裝搬運機器人結(jié)構(gòu)球坐標(biāo)包裝搬運機器人的空間運動是由一個直線運動和兩個回轉(zhuǎn)運動來展現(xiàn)，如圖2-2（c）。該包裝搬運機器人制造維修成本低，構(gòu)造相對簡單，然而精度一般⑷。關(guān)節(jié)型包裝搬運機器人結(jié)構(gòu)關(guān)節(jié)型包裝搬運機器人的空間運動是由三個回轉(zhuǎn)運動展現(xiàn)的，如圖2-2（d）。該包裝搬運機器人占地使用面積很小，有緊湊的結(jié)構(gòu)，動作起來很靈活。相對包裝搬運機器人主尺寸的大小，它的操作范圍還是比較大。因此該包裝搬運機器人在工業(yè)中應(yīng)用在包裝產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用非常普及⑷。關(guān)節(jié)型包裝搬運機器人的結(jié)構(gòu)可分為垂直關(guān)節(jié)型和水平關(guān)節(jié)型兩個類型。依據(jù)該包裝搬運機器人在包裝生產(chǎn)線上的功能作用和設(shè)計要求，本次設(shè)計采用圓柱坐標(biāo)包裝搬運機器人的方案。東北林業(yè)大學(xué)本科設(shè)計包裝搬運機器人的動作過程包裝搬運機器人為了完成包裝件搬運的任務(wù)，需要執(zhí)行以下幾個動作：（1）豎直下降（臂部在豎直方向下行1000mm，使終端執(zhí)行機構(gòu)能夠到達與包裝件水平的位置）；（2）夾緊包裝件（終端執(zhí)行機構(gòu)夾住包裝件使包裝件能在搬運時不掉落）；（3）豎直上升（在確定包裝件被夾住后，臂部在豎直方向上行1000mm，將終端執(zhí)行機構(gòu)將包裝件提出原地）；（4）逆向轉(zhuǎn)動（臂部繞機身中心軸逆時針?biāo)睫D(zhuǎn)動90°，使得臂部能正對包裝件的搬運終點）；（5）水平伸出（臂部向水平方向伸出500mm，使終端執(zhí)行機構(gòu)能夠到達搬運終點正上方）；（6）豎直下降（臂部在豎直方向下行100mm，將包裝件平穩(wěn)放入到搬運終點）；（7）松開包裝件（手部夾持機構(gòu)迅速松開包裝件）；（8）豎直上升（在確定包裝件被放好后，臂部在豎直方向上行100mm）；（9）水平收縮（臂部向水平方向收縮500mm，使終端執(zhí)行機構(gòu)回到初始位置）；（10）順向轉(zhuǎn)動（臂部繞機身中心軸順時針?biāo)睫D(zhuǎn)動90°，使臂部回到初始位置）；以上便是包裝搬運機械手完成搬運所需要的動作。包裝搬運機器人的組成總的來說，包裝搬運機器人的組成部分為執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)和控制機構(gòu)。執(zhí)行機構(gòu)手部手部是直接與包裝件接觸的部分，一般分為平動型和回轉(zhuǎn)性（多數(shù)為回轉(zhuǎn)型，主要因為它的結(jié)構(gòu)簡單）。通常用兩指的手部（也有多指的類型）；依據(jù)實際要求和操作需

2包裝搬運機器人的總體方案要，分為內(nèi)抓式和外抓式兩個類型；使用過程中也可以用電磁吸盤和真空式和負(fù)壓式的空氣吸盤（通常使用的對象為可吸附的，光滑表面的包裝件或包裝薄板材料）。傳力機構(gòu)形式各式各樣，類型通常有：重力式、滑槽杠桿式、彈簧式、連桿杠桿式、絲杠螺母式、斜楔杠桿式及齒輪齒條式。根據(jù)生產(chǎn)要求，本次設(shè)計的包裝搬運機器人的手部選擇夾持類的回轉(zhuǎn)型結(jié)構(gòu)。該次設(shè)計的包裝搬運機器人手部執(zhí)行部件如圖2-3和圖2-4。圖2-3包裝搬運機器人手部執(zhí)行部件示意圖圖2-4手部執(zhí)行部件的機構(gòu)運動簡圖東北林業(yè)大學(xué)本科設(shè)計如圖2-3的機構(gòu)簡圖，手部執(zhí)行依靠驅(qū)動桿的直線往復(fù)運動來推動兩桿手指各繞支點作回轉(zhuǎn)運動，從而手指松開或閉合。驅(qū)動桿的動力源來自后續(xù)驅(qū)動源的液壓缸。臂部手臂部件是握持部件，對于包裝搬運機器人是非常重要的。它的功能最主要的功能是支持手部重量，并帶動它（們）在空間完成設(shè)定的動作。臂部主要的目的就是把手部傳遞到空間運動范圍內(nèi)任何一點。增加腕部的自由度也可以增加手臂的空間姿態(tài)?？偟膩碚f，具有三個自由度的臂部才能滿足包裝搬運機器人的工作要求，即手臂的豎直升降運動、水平伸縮運動、繞軸旋轉(zhuǎn)運動。各種驅(qū)動機構(gòu)（如氣缸或者液壓缸）和傳動機構(gòu)來實現(xiàn)臂部在操作中的各種動作。臂部的受力情況還是比較復(fù)雜的，它在包裝生產(chǎn)線中既受手部和包裝件的動、靜的載荷，又自身操作動作較為繁多。故它的所抓包裝件的大小重量和定位精度程度、運動場地、操作靈活度將直接影響包裝搬運機器人的工作性能和工作效率。在本畢業(yè)設(shè)計中實現(xiàn)臂部的繞軸回轉(zhuǎn)運動、豎直上下運動、水平伸縮運動。臂部的運動參數(shù)設(shè)定如下：豎直升降行程：1000mm；豎直升降速度：8000/$；水平伸縮行程：50000；水平伸縮速度：80mm/s；繞軸回轉(zhuǎn)角度：90°o包裝搬運機器人水平手臂的伸縮動作使其手臂的工作半徑發(fā)生變化。圓柱坐標(biāo)式的包裝搬運機器人的結(jié)構(gòu)中，臂部的最大工作范圍決定其手部所能觸及的圓柱表面半徑。根據(jù)設(shè)計要求和包裝件搬運標(biāo)準(zhǔn)，該伸縮式臂部機構(gòu)的驅(qū)動需要用液壓缸來驅(qū)動工作。機座機座是包裝搬運機器人的基礎(chǔ)部分，起支撐作用。對固定式包裝搬運機器人，直接聯(lián)接在地面上，對可移動式包裝搬運機器人，則安裝在移動結(jié)構(gòu)上。機身由臂部運動（升降、平移、回轉(zhuǎn)）機構(gòu)及其相關(guān)的導(dǎo)向裝置、支撐件等組成。并且，臂部的升降、回轉(zhuǎn)等運動驅(qū)動裝置或傳動件都安裝在機身上。臂部的運動越多，機身的結(jié)構(gòu)和受力越復(fù)雜。本次畢業(yè)設(shè)計的包裝搬運機器人的機身選用升降回轉(zhuǎn)型機身結(jié)構(gòu)；臂部和機身的配置型式采用立柱式單臂配置，其驅(qū)動源來自回轉(zhuǎn)液壓缸。驅(qū)動機構(gòu)包裝搬運機器人的重要組成部分之一是驅(qū)動機構(gòu)。依據(jù)包裝搬運機器人的動力源的不同，其驅(qū)動機構(gòu)一般可分為液壓驅(qū)動、電動機驅(qū)動、機械驅(qū)動及氣動驅(qū)動四類。對氣動驅(qū)動來說，它的壓力較小，導(dǎo)致輸出的動力較小。當(dāng)需要輸出較大的動力時，會導(dǎo)致它結(jié)構(gòu)尺寸過大，低速狀態(tài)下不易控制，阻尼性能也較差。然而它有其它的優(yōu)點，如制造維修成本低、構(gòu)造簡單，能源獲取容易。電動機驅(qū)動有兩種；異步電動機和步進電動機。電動機使用便捷，材料性能正在漸漸提高，因而電動機性能也逐漸增強。液壓驅(qū)動壓力較高，因而可以取得較大的輸出動力，動作反饋靈敏，也可以實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制。然而，油路比較復(fù)雜，液壓的零件設(shè)備比較昂貴。本次設(shè)計的包裝搬運機器人的驅(qū)動機構(gòu)采用液壓驅(qū)動的方案。-10-2包裝搬運機器人的總體方案控制系統(tǒng)分類點動控制和連續(xù)控制這兩種方式一般都用在包裝搬運機器人上。一般常用用插銷板實現(xiàn)點位控制，當(dāng)然也有使用計算機控制和可編程序控制器控制，采用穿孔卡、凸輪、磁盤磁帶等記錄要進行操作的預(yù)設(shè)程序。它們主要控制的是坐標(biāo)位置，其次控制其加速度屬性，目的保持精度。傳動系統(tǒng)包裝搬運機器人所進行的最終工作是反映在其手部的運動上，這種運動是通過傳動鏈來實現(xiàn)的。手部末端點的重復(fù)定位精度是包裝搬運機器人設(shè)計中一個重要的指標(biāo)，它主要依靠伺服系統(tǒng)的精度和機械傳動鏈的精度這兩個方面的要素。傳動系統(tǒng)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)就是傳動鏈越簡短越好，動作操作精度自然而然就高，但是中間環(huán)節(jié)的傳動在實際操作中是必不可少的。諧波減速齒輪的特點：它能實現(xiàn)較大的減速比、整體重量輕、構(gòu)造緊湊，這些特點對包裝搬運機器人的設(shè)計是重要的參考依據(jù)。另外包裝搬運機器人的動力學(xué)性能將嚴(yán)重受到減速裝置重量的增加的影響。但是，由于諧波減速器運動精度低、回差大，因而極大大地影響了手部的重復(fù)定位精度的要求。至于蝸輪蝸桿和齒輪傳動，在保證加工精度的條件下，通過嚙合間隙調(diào)整到足夠小的允許范圍，可以滿足手部重復(fù)定位精度的要求。因此，在包裝搬運機械手傳動設(shè)計中均采用齒輪傳動實現(xiàn)速度的變化，即根據(jù)實際操作要求而去選擇適當(dāng)?shù)膫鲃颖萚5]包裝搬運機器人的技術(shù)參數(shù)用途：在包裝自動生產(chǎn)線上實現(xiàn)包裝件搬運設(shè)計技術(shù)參數(shù)：(1)包裝件：重量：20Kg；尺寸：300mm義300mm義300mm；(2)自由度數(shù)：4個自由度(手部張合；臂部繞軸回轉(zhuǎn)；臂部水平伸縮；臂部豎直升降)；(3)坐標(biāo)型式：圓柱坐標(biāo)系；(4)最大工作半徑：1500mm；(5)手臂最大中心高：1800mm；(6)手臂運動參數(shù)：伸縮行程：500mm；伸縮速度：80mm/s；升降行程：1000mm；升降速度：80mm/s；回轉(zhuǎn)范圍：0?90°；本章小結(jié)本章設(shè)計了一套包裝搬運機器人總體設(shè)計方案，而且，根據(jù)包裝生產(chǎn)線的生產(chǎn)要求-11-東北林業(yè)大學(xué)本科設(shè)計確定圓柱坐標(biāo)系作為本次設(shè)計的坐標(biāo)系。同時，就包裝搬運機器人的組成（執(zhí)行機構(gòu)和驅(qū)動機構(gòu)）以及現(xiàn)實作業(yè)，給出了具體的手部、機座和臂部的構(gòu)造尺寸；本次設(shè)計的包裝搬運機器人驅(qū)動機構(gòu)為液壓驅(qū)動。同時確定了設(shè)計的技術(shù)參數(shù)。-12-3手部夾持器的結(jié)構(gòu)設(shè)計3手部夾持器的結(jié)構(gòu)設(shè)計手部夾持器手部是包裝搬運機器人的其最重要的機構(gòu)。根據(jù)形狀和工作的功能特性，分為兩種手部：一種是工業(yè)機器人的手部，第二種是類人機器人的手部。就當(dāng)前的研發(fā)狀況來說，第一種在產(chǎn)業(yè)中的使用較多，第二種正在積極進行革新開發(fā)中。包裝搬運機器人的手部（也稱抓取機構(gòu)）是用來抓取包裝件的機構(gòu)，由于被抓取的包裝件的重量、材料、形狀、尺寸及表面粗糙狀態(tài)的不同，因而現(xiàn)在手部結(jié)構(gòu)的種類繁多，一般手部結(jié)構(gòu)是根據(jù)生產(chǎn)線上的包裝件而設(shè)計的。根據(jù)抓取原理，一般的手部夾持器分為下面兩類⑹（1）夾持式：又可以分為外夾式內(nèi)撐式，另外還有彈簧式和勾托式。（2）吸附式：包括氣吸式與磁吸式等。在設(shè)計包裝搬運機器人手部時，下面的問題值得重點考慮：包裝搬運機器人手部是根據(jù)操作要求來進行設(shè)計的。如果一種包裝搬運機器人需要應(yīng)用在新的應(yīng)用場所，那么需要一個新型的手部執(zhí)行器被研發(fā)出來。所以說，依據(jù)上生產(chǎn)線上操作標(biāo)準(zhǔn)以及科學(xué)家的思考而創(chuàng)造的最新包裝搬運機器人手部，將會延伸到各個領(lǐng)域。包裝搬運機器人手部的重量、被抓取包裝件的重量、操作力和其容許的載荷將影響其工作效率和精度。故要求包裝搬運機器人手部體積小、構(gòu)造緊湊、重量小。包裝搬運機器人手部的專用性語通用性是相互矛盾的。通用手部在結(jié)構(gòu)上很復(fù)雜，一般的制造技術(shù)很難創(chuàng)造出。比如，仿人的萬能包裝搬運機器人能進行各種搬運動作，可是至今尚未普及。如今，在生產(chǎn)線上工作的還都是那些只能完成幾個動作的的包裝搬運機器人手部。包裝產(chǎn)業(yè)正在迅速崛起，各類包裝集團和企業(yè)正在開發(fā)各種專用的、高效率的包裝搬運機器人手部，也在研究手部執(zhí)行器的模塊更換。以實現(xiàn)包裝搬運機器人多種操作要求。那是因為那種萬能的手部不但制造昂貴，而且構(gòu)造很不簡單。萬能性和通用性和是兩個不同的思想：萬能性的的定義是一機多能，但是對于通用性來說，它的定義是指有限的手部執(zhí)行器可以應(yīng)用在不同的領(lǐng)域。這樣一來，手部執(zhí)行器要有標(biāo)準(zhǔn)的模塊，便于手部的模塊更換。便于安裝和維修是手部執(zhí)行器的要求之一，跟好的話，實現(xiàn)計算機的控制。電氣式執(zhí)行機構(gòu)可以方便地由計算機進行操作。故包裝搬運機器人執(zhí)行機構(gòu)的常常用電氣式，其次是液壓式和氣壓式。手部設(shè)計基本要求手部的設(shè)計基本要求有以下五點：（1）應(yīng)具有適當(dāng)?shù)尿?qū)動力及夾緊力。一般情況下，在一定的夾緊力下，不同的傳動機構(gòu)所需要的驅(qū)動力大小也是截然不一樣的。-13-東北林業(yè)大學(xué)本科設(shè)計（2）手指為了使一定的開閉角度，理應(yīng)具有一定的開閉范圍（手指從閉合到張開繞支點所轉(zhuǎn)過的角度）e，方便抓取包裝件。（3）要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、效率高在保證本身剛度、強度的前提下，盡可能手部的重量降到最小，構(gòu)造緊湊，主要目的是減小手臂的負(fù)荷。（4）確保手部的抓取方位準(zhǔn)確，確保每個包裝件都能準(zhǔn)確地安置在手部。故包裝搬運機器人的手部在抓取包裝件后應(yīng)保持相對的位置精度。（5）通用性和一些特殊操作標(biāo)準(zhǔn)是應(yīng)該值得重視的。針對一條包裝自動生產(chǎn)線，對應(yīng)一種專用手部執(zhí)行器。不斷增大它的使用范圍和通用化程度來方便抓取不同形狀和結(jié)構(gòu)尺寸的包裝件。這就需要調(diào)整手部的方法。手指、整個手部都可以更換。依據(jù)不同的工作場地也要調(diào)整手部執(zhí)行器。根據(jù)調(diào)研，包裝搬運搬運機器人的手部最合適的設(shè)計為雙支點連桿杠桿式手部結(jié)構(gòu)（見圖2-3）。選擇手抓的類型及夾緊裝置本次包裝搬運機器人的設(shè)計，考慮到所要達到的原始參數(shù)：手爪夾取重量為20Kg。常用的包裝搬運機器人手部，按握持包裝件的原理，分為夾持和吸附兩大類。吸附式常用于抓取包裝件表面平整或面積較大的板狀包裝材料，不適合用于本方案。本設(shè)計包裝搬運機器人采用夾持式手指，夾持式機器人按運動形式可分為平動型及回轉(zhuǎn)型。平動型手指的的動作機理：它是靠手指的平動來實現(xiàn)手指張合，這種手部結(jié)構(gòu)簡單，適于夾持平板包裝材料，且包裝材料徑向尺寸的變化不影響其軸心的方位，重要的是它的理論夾持誤差沒有。但是這種平移型手指有個缺點：在手指平動的方向上要安置驅(qū)動力裝置，這樣一來，手部的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜和巨大。根據(jù)實際要求，這種設(shè)計不在考慮范圍內(nèi)。本設(shè)計采用手部夾緊缸：夾持式手部的驅(qū)動裝置常用的是作往復(fù)直線運動的液壓缸。從結(jié)構(gòu)上說，單桿活塞缸應(yīng)用最多。所以，包裝搬運機器人夾緊液壓缸采用單向作用的單桿活塞缸。設(shè)計時，夾緊液壓缸側(cè)面裝有彈簧，液壓缸的回程靠彈簧的彈力驅(qū)動.。手指靠驅(qū)動桿的直線伸縮作用下實現(xiàn)手爪的張開和閉合。根據(jù)抓取包裝件的要求，手部采用二指回轉(zhuǎn)型手抓，采用滑槽杠桿結(jié)構(gòu)。手指材料的恰當(dāng)選用，對機械手的使用效果影響很大。本設(shè)計為了符合手部的結(jié)構(gòu)尺寸，同時保證手指有足夠的強度，包裝搬運機器人的手部材料選用硬鋁合金。-14-3手部夾持器的結(jié)構(gòu)設(shè)計手爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計手爪的力學(xué)分析圖3-1滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)、受力分析示意圖如圖杠桿3向上運動，銷軸2受到的拉力為F，方向經(jīng)過銷軸中心O點。同時，手指1的滑槽對銷軸的反作用力為匕和以他們方向垂直于滑槽的中心線。。/口oo2而且TOC\o"1-5"\h\z進過O點，交\和F2的延長線于A及B。。 1 2根據(jù)受力平衡得F=-F-12cosaF=-F

? ?根據(jù)杠桿平衡得 -hF'=Fb1N綜上，得 h=，cosa_一bF=2-cos2aF （3.1）aN-15-東北林業(yè)大學(xué)本科設(shè)計式中：a一手指繞軸回轉(zhuǎn)的支點到對稱軸的距離（mm）；。一包裝件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點的夾角的大小。根據(jù)理論分析，驅(qū)動力F不變時，角度a增大，則抓取力Fn也隨之增大。然而如果角度過大a則會導(dǎo)致手部結(jié)構(gòu)增大和拉桿行程過大的負(fù)效果。故本設(shè)計a為45°。根據(jù)給定的數(shù)據(jù)：抓取的重物為：m=20Kg紙板與鋼的靜摩擦因數(shù)〃設(shè)定為：n=0.25G=2rFNMg=2rFN取FN=400Na=200mmb=300mmb故：F=2—cos2aF=600NaN3.4.2手部的三維結(jié)構(gòu)圖圖3-2包裝搬運機器人手部夾持器結(jié)構(gòu)圖3.5本章小結(jié)本章主要針對手部結(jié)構(gòu)展開討論，根據(jù)手部夾持器的結(jié)構(gòu)形式（夾持式和吸附-16-3手部夾持器的結(jié)構(gòu)設(shè)計式）及手部設(shè)計的基本要求選擇手爪類型為雙支點連桿杠桿手部。同時進行了手部簡單的力學(xué)計算，通過計算得出手部實現(xiàn)抓取包裝件所需力因素。-17-東北林業(yè)大學(xué)本科設(shè)計4臂部的結(jié)構(gòu)設(shè)計手臂機構(gòu)是包裝搬運機器人的主要支持機構(gòu)，包括垂直手臂(大臂)和水平手臂(小臂)。在畢業(yè)設(shè)計中，臂部結(jié)構(gòu)指水平手臂結(jié)構(gòu)，垂直手臂結(jié)構(gòu)安置在機身結(jié)構(gòu)中。它的作用是支撐腕部和手部(包括包裝件)，并帶動它們作空間運動。手臂運動應(yīng)該有三種動作：繞軸回轉(zhuǎn)、水平伸縮以及豎直升降⑺。水平手臂的伸縮運動在本章中詳細(xì)敘述，垂直手臂子在第五章設(shè)計敘述。臂部把手部(包括包裝件)傳遞到空間范圍內(nèi)的任何一個方位。通常來說，臂部的運動應(yīng)該有三個自由度，這樣才能完成一些必要的操作。三種自由度為手臂伸縮、繞軸回轉(zhuǎn)升降運動。各種驅(qū)動機構(gòu)(如氣缸或者液壓缸)和傳動機構(gòu)來實現(xiàn)臂部在操作中的各種動作。臂部的受力情況還是比較復(fù)雜的，它在包裝生產(chǎn)線中既受手部和包裝件的動、靜的載荷，又自身操作動作較為繁多。故它的所抓包裝件的大小重量和定位精度程度、運動場地、操作靈活度將直接影響包裝搬運機器人的工作性能和工作效率。臂部設(shè)計的基本要求臂部動作首先要滿足包裝自動生產(chǎn)線上的動作規(guī)定。臂部應(yīng)承載能力大、剛度好、自重輕對于包裝搬運機器人臂部或機身的承載能力，通常取決于其剛度。剛度是指臂部在外部力量作用下抗變形的能力。比值小則剛度大。對包裝搬運機器人來說，一般臂部的剛度在設(shè)計中值得被重視的環(huán)節(jié)。它子啊結(jié)構(gòu)上通常使用懸臂梁形式。理論分析，臂部的懸伸長度越大，剛度則變得越差。臂部的伸縮不斷變化導(dǎo)致它的剛度也在不斷變化。對包裝搬運機器人的運動性能、位置精度和負(fù)荷能力影響很大。使剛度變大應(yīng)該著重考慮以下六點要求⑻：(1)選擇合適外形尺寸和截面形狀；(2)合理確定支撐點的距離以及增大支持剛度；(3)根據(jù)受力分析確定比較適當(dāng)作用力的方向和方位；(4)注意簡化結(jié)構(gòu)；(5)提高配合精度；(6)縮短懸伸長度。臂部慣性小、運動快包裝搬運機器人的主要指標(biāo)之一是手部的運動快慢，運動速度快，則說明它的工作效率高。慣性也是影響包裝搬運機器人工作效率的因素。在速度和回轉(zhuǎn)角速度不變的狀態(tài)下，減輕它的重量是最好的辦法。以下四點是減小慣量具體方法：(1)減少手臂運動件的重量，采用鋁合金材料或工程塑料；(2)減小臂部運動件的外形；(3)在設(shè)計包裝搬運機器人動作步驟時，盡量減小回轉(zhuǎn)半徑p可以先縮后轉(zhuǎn)，也-18-4臂部的結(jié)構(gòu)設(shè)計可以先轉(zhuǎn)后縮；（4）緩沖裝置安置在驅(qū)動系統(tǒng)中是必不可少的。手臂動作應(yīng)該靈活用滾動摩擦代替滑動摩擦，以便盡量減少手臂運動之間的摩擦阻力。懸臂式的包裝搬運機器人的傳動部件，導(dǎo)向和定位部件放置應(yīng)該確切，使手臂的移動盡可能平衡，這樣才可以減少對升降支撐軸線的偏心力矩。尤其要防止機構(gòu)發(fā)生自鎖現(xiàn)象。出于這個原因，需要設(shè)計計算使其不自鎖。位置精度要求高通常來講，生產(chǎn)企業(yè)對直角和圓柱坐標(biāo)式機器人位置精度要求還是比較高的；實際上，幾種包裝搬運機器人之中，最難控制的是關(guān)節(jié)式包裝搬運機器人的位置精度，所以準(zhǔn)確性差；把檢測結(jié)構(gòu)和定位裝置安置臂部上，它的位置精度就很好掌控了，最后的動作環(huán)節(jié)里應(yīng)該安置有檢測設(shè)備，這樣可以消除或減少傳動以及嚙合件間的間隙。傳動系統(tǒng)力求簡短，以提高傳動效率和精度。其他各驅(qū)動裝置、傳動件、管線系統(tǒng)以及各個運動的控制檢測元件等布置要緊湊合理，維修操作要方便?？偨Y(jié)除此之外，要求包裝搬運機器人的通用性要好，能適合多種包裝搬運作業(yè)的要求；方便與加工和安裝，而且工藝性不錯；在熱環(huán)境運作的包裝搬運機器人，還要考慮它是否有冷卻、隔熱的功能；在粉塵大的場地運作的包裝搬運機器人還必須安裝防塵設(shè)備。在設(shè)計過程中理應(yīng)注意并解決這些問題，不斷發(fā)現(xiàn)這些問題和解決問題才可以設(shè)計出能提高包裝產(chǎn)業(yè)價值的包裝搬運機器人。手臂的典型機構(gòu)以及結(jié)構(gòu)的選擇手臂的典型運動機構(gòu)常見的手臂伸縮機構(gòu)可以分為以下四種⑼（1）雙導(dǎo)桿手臂伸縮結(jié)構(gòu)；（2）手臂的典型運動形式有：直線運動，如手臂的伸縮，升降和橫向移動；繞軸回轉(zhuǎn)，比如手臂的水平面上回轉(zhuǎn)；組合運動，例如直線和回轉(zhuǎn)運動的組合等；（3）雙活塞桿液壓缸機構(gòu)；（4）齒輪齒條和活塞桿結(jié)構(gòu)。手臂運動機構(gòu)的選擇根據(jù)包裝件搬運的設(shè)計要求，該設(shè)計選擇如下：水平伸縮式液壓缸。-19-

東北林業(yè)大學(xué)本科設(shè)計手臂直線運動的驅(qū)動力的簡單分析開始階段，進行一個粗略的估計，或者與類似的結(jié)構(gòu)相比較，依據(jù)有關(guān)的運動參數(shù)大概設(shè)計出有關(guān)機構(gòu)的主要尺寸大小，其次校核計算，得到反饋信息后再進行修正設(shè)計。反反復(fù)復(fù)，把該機構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖繪制出來。為了確定關(guān)于水平伸縮直線運動液壓缸的驅(qū)動力，那先要得到液壓缸運動時所要充服的慣性力和摩擦力等幾個的阻力，然后才能確定其驅(qū)動力。手臂摩擦力的計算和分析當(dāng)摩擦力的計算不同的導(dǎo)向截面形狀和不同的配置，得到的摩擦阻力是不一樣的。根據(jù)具體情況進行估算。圖4-1圖4-1包裝搬運機器人臂部受力示意圖計算如下:ZM=0AG總L=叫ZY=0GJFb=FaI"Fa摩I"Fa摩?二F摩二rG總*摩2L+a

a(4.1)-20-4臂部的結(jié)構(gòu)設(shè)計式中：G總一運動中的零部機構(gòu)所受到的總重力（含包裝件）（N）；/AL一手臂與運動中的零件機構(gòu)的總重量的重心到導(dǎo)向支撐的前端的距離（m），參考上一節(jié)的計算；?導(dǎo)向支撐的長度（m）；〃一當(dāng)量摩擦系數(shù)，數(shù)值與導(dǎo)向支撐的截面有關(guān)；對于圓柱面：〃---摩擦系數(shù)，對于靜摩擦且無潤滑時：鋼對青銅：取h=0.1~0.15鋼對鑄鐵：取h=0.18~0.3選?。簗i=0.3，G總=500N，L=1.69—0.28=1.41m,導(dǎo)向支撐a設(shè)計為0.16m。把相關(guān)數(shù)據(jù)代入進行計算：F=r'G 2L-a=2794N摩 總|_ a手臂慣性力的計算本設(shè)計要求手臂平動是V=80mm/s；假定：在計算慣性力的時候，設(shè)置啟動時間，啟動速度；F_GJv慣 gAt（4.2）已知 At_0.02s,g_10N/KgF_G^AV_200N慣 gAt4.3.3密封裝置不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂設(shè)計中，采用O型密封［10］。活塞桿活塞桿強度活塞（或液壓缸）強度要求和運動的要求的要求滿足了，活塞桿的尺寸也滿足了。桿長要求：L大于直徑d的15倍以上［11］。本包裝搬運機器人的該機構(gòu)的活塞桿的材料選為碳鋼。-21-

東北林業(yè)大學(xué)本科設(shè)計活塞桿剛度圖4-2剛度校核示意圖要按照伸出液壓缸的最小直徑進行校核，為便于計算把伸出的液壓缸簡化成一懸臂梁。臂部伸縮液壓缸的三維結(jié)構(gòu)圖圖4-3包裝搬運機器人臂部伸縮液壓缸結(jié)構(gòu)圖本章小結(jié)本章對包裝搬運機器人的手臂結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計，液壓驅(qū)動伸縮機構(gòu)作為臂部的驅(qū)動機構(gòu)。同時，對臂部的摩擦力進行了簡單分析，同時對臂部的各個部分也進行了簡單分析。-22-5機身的結(jié)構(gòu)設(shè)計及運動的簡單分析5機身的結(jié)構(gòu)設(shè)計及運動的簡單分析機身可以算是主體機構(gòu)了，它起到直接連接、支撐并帶動臂部的機構(gòu)了。運作過程中，垂直手臂要實現(xiàn)升降和繞軸回轉(zhuǎn)，這兩個運動的傳動機構(gòu)需要安置在機身內(nèi)［⑵。還可以是直接構(gòu)成機身的軀干后再與底座相連接?？偟膩碚f，在機身內(nèi)的臂部動作或步驟越多，機身本身的結(jié)構(gòu)和受力狀況就越復(fù)雜化。機身可以行走，也可以安置在固定地點。本設(shè)計采用固定式的機身。5.1機身的整體設(shè)計按照設(shè)計要求，包裝搬運機器人要實現(xiàn)手臂900的回轉(zhuǎn)運動，其動力靠同步帶來傳遞，同步帶傳動以其體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，傳動比準(zhǔn)確而保證了手臂定位的正確性和運動的靈便性。通常情況下，在機身內(nèi)安裝著能實現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)運動機構(gòu)。要通過綜合思考分析，以便設(shè)計出最好的運動機構(gòu)。機身支持著手臂進行升降、回轉(zhuǎn)動作。一般的機身結(jié)構(gòu)有以下三種類型［13］：CD升降缸在回轉(zhuǎn)缸之上的結(jié)構(gòu)。它的優(yōu)點：可以抵抗非常大的偏重力矩。缺點：在設(shè)計的回轉(zhuǎn)運動路線較長的情況下，回轉(zhuǎn)精度將受到花鍵軸的變形的影響。(2)升降缸在回轉(zhuǎn)缸之下的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的特點就是運用內(nèi)部導(dǎo)向，單杠活塞桿，并且構(gòu)造緊湊。缺點：進行操作的時候回轉(zhuǎn)缸和臂部一并升降，運動機構(gòu)較大。(3)齒條齒輪和活塞缸機構(gòu)［14］。通過齒條齒輪機構(gòu)來實現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)運動。要實現(xiàn)臂部繞軸回轉(zhuǎn)，需要齒條做往復(fù)直線運動，再帶動與手臂連接的齒輪作往復(fù)回轉(zhuǎn)。通過系統(tǒng)思考，本設(shè)計采用齒條齒輪和活塞缸機構(gòu)。-23-

東北林業(yè)大學(xué)本科設(shè)計5.2機身回轉(zhuǎn)機構(gòu)回轉(zhuǎn)液壓缸的三維結(jié)構(gòu)圖包裝搬運機器人—回轉(zhuǎn)（齒條）液壓缸包裝搬運機器人—回轉(zhuǎn)（齒條）液壓缸圖5-1包裝搬運機器人回轉(zhuǎn)（齒條）液壓缸結(jié)構(gòu)圖-24-5機身的結(jié)構(gòu)設(shè)計及運動的簡單分析5.3機身升降機構(gòu)5?3.1手臂偏重力矩的分析圖5-2手臂各部件重心位置圖-25-東北林業(yè)大學(xué)本科設(shè)計5?3?2升降液壓缸的三維結(jié)構(gòu)圖包裝搬運機器人圖包裝搬運機器人圖5-3包裝搬運機器人升降液壓缸結(jié)構(gòu)圖包裝搬運機器人運動的簡單分析運動學(xué)分析運動學(xué)分析，也就是根據(jù)具體研究對象簡化后的物理模型，對其內(nèi)部各機構(gòu)之間的相對位置以及各機構(gòu)與時間的關(guān)系用合理的數(shù)學(xué)方程進行表達［15］。包裝搬運機器人的運動學(xué)分析主要分為兩個方向進行研究分析［16］：第一個方向是在已定的末端機構(gòu)和基坐標(biāo)系之間的關(guān)系，求解機器人各機構(gòu)的參考坐標(biāo)系和基坐標(biāo)的關(guān)系；第二個方向是在給定機器人各機構(gòu)參考坐標(biāo)系與基坐標(biāo)系的關(guān)系，求解末端機構(gòu)和基坐標(biāo)系的關(guān)系。在用理論運動學(xué)的方法對其進行建立的數(shù)學(xué)模型里，利用已經(jīng)給定的關(guān)節(jié)位置，可以直接計算出其對應(yīng)機器人的方位，而且得出的解也是唯一的。但是在逆運動學(xué)中，由于在解逆速度問題常常會涉及到雅可比矩陣，它在某些區(qū)域里面會有奇特的狀況出現(xiàn)，因此得不到唯一解甚至不存在閉式解在解逆運動學(xué)中的位置問題時是很常見的。因此，在簡單的包裝搬運機器人的運動學(xué)分析中逆向運動學(xué)的研究并不是重點。-26-5機身的結(jié)構(gòu)設(shè)計及運動的簡單分析在本設(shè)計中不做具體的運動學(xué)分析。包裝搬運機器人的動作范圍通常為了更好地表達手部在空間的方位，需要將基準(zhǔn)坐標(biāo)系設(shè)定在包裝搬運機器人的手臂的根部，或者是基準(zhǔn)軸［⑺。一般情況下，描述空間任一點的方法可以是，采用圓柱坐標(biāo)系、直角坐標(biāo)系以及球坐標(biāo)系。本次設(shè)計中涉及的坐標(biāo)系為圓柱坐標(biāo)系，其手臂的運動由兩個直線移動和一個回轉(zhuǎn)運動所組成。其結(jié)構(gòu)簡圖見圖6-1。圖6-1包裝搬運機器人結(jié)構(gòu)簡圖本次設(shè)計的包裝搬運機器人的運動形式可描述為［18］：臂：繞豎直方向的回轉(zhuǎn)運動，沿豎直方向的上下運動，沿水平方向的伸縮運動；手部：張合夾持包裝件的運動；相比之下，圓柱坐標(biāo)式的包裝搬運機器人，本體占據(jù)的空間較小而動作范圍較大，同時具有直觀性強、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，用于搬運包裝件。但受到升降結(jié)構(gòu)的限制，一般不能提升地面上或較低位置的物體，在垂直方向升降范圍有限［19］。圓柱坐標(biāo)式包裝搬運機器人的動作范圍簡圖如圖6-2所示-27-

東北林業(yè)大學(xué)本科設(shè)計空間工作范圍上下行程上下行程空間工作范圍上下行程上下行程圖6-2包裝搬運機器人動作范圍示意圖本章小結(jié)本章對包裝搬運機器人的機