畢業(yè)設(shè)計（論文）-快遞自動分揀機器人設(shè)計

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1、 · 快遞自動分揀機器人設(shè)計 摘 要 基于視覺的快遞分揀機器人在當今自動化生產(chǎn)線上，作為工業(yè)機器人的一員起著重大的作用，在國內(nèi)外相當多物流業(yè)內(nèi)都有使用。隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展， 機器人在工業(yè)領(lǐng)域運用的十分廣泛，這次畢業(yè)設(shè)計主要進行的機械設(shè)計和電氣控制，輔助以工業(yè)相機配套的視覺識別功能，對部分非標零件進行設(shè)計，并進行有限元分析與優(yōu)化。并且，繪制出與之對應(yīng)的電氣原理圖，實現(xiàn)機械與電氣的一體化，是機器人更好地完成指定的工作。 本次畢業(yè)設(shè)計的重點除了機器人本體的非標件設(shè)計之外，還包括末端執(zhí)行器機械手爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計，

2、主要包括齒輪臂、手掌等設(shè)計。末端執(zhí)行器具有兩個自由度，一個是旋轉(zhuǎn)自由度，另一個是夾取的自由度，可以使機器人的路徑規(guī)劃更為靈活多選，二者均是由舵機驅(qū)動。在電路原理圖中均有體現(xiàn)。 機器人本體以及傳送帶，相機調(diào)整機構(gòu)，承載平臺之間的配合組成了這個快遞分揀系統(tǒng)，傳送帶運送物件到相機調(diào)整機構(gòu)下拍照，將獲得的信息發(fā)送至控制柜，再由機器人本體負責執(zhí)行工作。系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)的情況下，可以有序地完成所指定的快遞分揀的任務(wù)。 該論文有圖 42 幅，表 9 個，參考文獻 41 篇。

3、關(guān)鍵詞：快遞分揀；工業(yè)機器人；視覺；伺服電機；有限元分析 全套圖紙加扣 3346389411或3012250582 IV Vision-based express sorting robots play an important role as members of industrial robots in today's automated production lines, and are used in many logistics industries at home and abroad. With the continuous develop

4、ment of China's industry, robots are widely used in the industrial field. This graduation project mainly carries out mechanical design and electrical control, assists with the visual recognition function of the industrial camera, and designs and performs some non-standard parts. Finite element analy

5、sis and optimization. And, drawing the corresponding electrical schematic diagram to realize the integration of machinery and electrical is better for the robot to complete the specified work. The focus of this graduation project is not only the design of the non- standard parts of the robot body,

6、but also the structural design of the end effector manipulator claw, mainly including the design of the gear arm and palm. The end effector has two degrees of freedom, one is the rotation degree of freedom, and the other is the degree of freedom of gripping, which can make the robot's path planning

7、more flexible and multiple choices, both of which are driven by the servo. It is reflected in the circuit schematic diagram. The cooperation between the robot body, conveyor belt, camera adjustment mechanism, and carrier platform constitutes this express sorting system. The conveyor belt transports

8、objects to the camera adjustment mechanism to take pictures, sends the obtained information to the control cabinet, and the robot body is responsible for performing the work. Under the normal operation of the system, the designated express sorting tasks can be completed in an orderly manner.

9、 Keywords: express sorting; industrial robot; vision; servo motor; finite element analysis 目錄 1 緒論 ....................................................... 1 1.1 選題背景 ................................................ 1 1.2 研究現(xiàn)狀 ................................................ 1 1.3 國內(nèi)外

10、研究現(xiàn)狀 .......................................... 2 1.4 本章小結(jié) ................................................ 2 2 自動分揀機構(gòu)整體方案設(shè)計 .................................... 3 2.1 主要內(nèi)容和擬解決的問題.................................. 3 2.2 研究方法 ................................................ 3 2.3 并聯(lián)機器人簡介.

11、......................................... 5 2.4 發(fā)展展望................................................ 9 2.5.控制硬件的介紹.......................................... 9 2.6.相機標定............................................... 10 2.7 有限元分析概述 ......................................... 10 2.8 本章小結(jié).......

12、........................................ 11 3 快遞分揀機器人的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 ............................... 11 3.1.關(guān)節(jié)參數(shù)的確定......................................... 11 3.2 鉸鏈的選型............................................. 11 3.3 傳動參數(shù)的確定......................................... 14 3.4 并聯(lián)機器人各部位形狀設(shè)計......

13、......................... 18 3.5 機械手的選型........................................... 21 3.6 關(guān)鍵零件模型的有限元分析............................... 23 3.7 裝載機器人平臺尺寸選定................................. 25 3.8 相機調(diào)整裝置........................................... 26 3.8 本章小結(jié)....................................

14、........... 27 4 并聯(lián)機器人電氣系統(tǒng)設(shè)計 ..................................... 28 4.1 電氣系統(tǒng)總體設(shè)計....................................... 28 4.3 電氣系統(tǒng)模塊介紹....................................... 28 4.4 本章小結(jié)............................................... 30 5 并聯(lián)機器人運動學分析 ....................................

15、.. 31 5.1 并聯(lián)機器人自由度分析............................... 31 5.2 并聯(lián)分揀機器人的正向運動學分析..................... 32 5.3 并聯(lián)機器人逆向運動學分析........................... 33 5.4 并聯(lián)機器人工作空間的解算........................... 34 5.5 機器人的動力學分析 ................................. 36 6 并聯(lián)分揀機器人的軌跡規(guī)劃 ...

16、................................ 37 6.1 兩點間直線插補算法 37 6.2 三點間圓弧插補算法................................. 38 6.3 本章小結(jié)........................................... 39 7 快遞分揀裝置可行性分析 .................................... 40 7.1 安全可行性分析..................................... 40 7.2 綠色

17、可行性分析..................................... 40 7.3 經(jīng)濟可行性分析 ..................................... 40 8 總結(jié) ...................................................... 41 參考文獻.................................................... 43 VI CONTENTS 1 Introduction .............................

18、.................. 1 1.1 Background.............................................. 1 1.2 Research Status......................................... 1 1.3 Research status abroad.................................. 2 1.4 Summary of The Chapter.................................. 2 2 Overall schem

19、e design ...................................... 3 2.1 Main content, and problems to be solved................. 3 2.2 Research methods........................................ 3 2.3 Introduction to parallel robots......................... 5 2.4 Development prospect.............................

20、....... 9 2.5 Introduction of control hardware........................ 9 2.6 Camera calibration..................................... 10 2.7 Overview of finite element analysis.................... 10 2.8 Chapter summary........................................ 11 3 Mechanical structure design of exp

21、ress sorting robot ....... 11 3.1 Determination of joint parameters...................... 11 3.2 Selection of hinge..................................... 11 3.3 Determination of transmission parameters............... 14 3.4 Shape design of various parts of parallel robot........ 18 3.5 Manipulato

22、r selection.................................. 21 3.6 Finite element analysis of key parts model............. 23 3.7 Loading robot platform size selection.................. 25 3.8 Camera adjustment device............................... 26 3.8 Chapter summary........................................

23、27 4 Design of electrical system of parallel robot .............. 28 4.1 Electrical system overall design....................... 28 4.3 Introduction to electrical system modules.............. 28 4.4 chapter summary........................................ 30 5 Kinematics analysis of parallel

24、robot ..................... 31 5.1 Degree of freedom analysis of parallel robot........... 31 5.2 Forward Kinematics Analysis........................ 32 5.3 Inverse kinematics analysis of parallel robot...... 33 5.4 Solution of Workspace of Parallel Robot............ 34 5

25、.5 Robot Dynamics Analysis............................ 36 6 Trajectory planning of parallel sorting robot .............. 37 6.1 Linear interpolation algorithm between two points 37 6.2 Circular interpolation algorithm................... 38 6.3 Chapter summary............................

26、........ 39 7 Feasibility analysis of express sorting device ............. 40 7.1 Safety feasibility analysis........................ 40 7.2 Green feasibility analysis......................... 40 7.3 Economic feasibility analysis...................... 40 8 Conclusion ..............

27、.................................. 41 REFENCES ................................................... 43 緒論 1 緒論 1. Introduction ? 選題背景（Background） 各個快遞公司間的競爭越來越大，在對客戶的競爭上就會越來越關(guān)注，而客戶一般就會關(guān)注服務(wù)的態(tài)度和物流運輸?shù)乃俣壬纤?，如何能夠快速準備地實現(xiàn)快遞的分揀，就成為了大家對于快遞行業(yè)所關(guān)注的問題。在國內(nèi)乃至國際上，就形成了以提高效率的物流運輸研究，其中快遞分揀的過程包含其中，同時也就為

28、快遞分揀機器人的誕生提供了背景條件。 ? 研究現(xiàn)狀（Research Status） 迄今為止，快遞分揀中還沒有實現(xiàn)無人化，一些環(huán)節(jié)不能完全拋棄人工的幫助。我們設(shè)計所需要盡可能實現(xiàn)的目標就是機械化，智能化，高度自動化，同時減小人工工作的強度，解放人的雙手。目前并沒有固定的自動分揀設(shè)備，不同的公司或者企業(yè)都在生產(chǎn)不同的產(chǎn)品，分揀的效率也在行業(yè)競爭中大大的提升，達到新的高度，世界領(lǐng)先的水準。 圖 1-1 工廠中常用的快遞分揀設(shè)備 Figure 1-1 express sorting machine in factory 48 此時，自動分揀機器人就應(yīng)

29、運而生。自動分揀技術(shù)的出現(xiàn)剛好既可以解放人力，又可以保證分揀過程中的工作效率。在視覺技術(shù)逐漸成熟的今天，自動分揀機器人更是如虎添翼?；谝曈X的快遞分揀機器人也即成為近些年來快遞行業(yè)提高工作效率方案的最好選擇。 ? 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 (Research status abroad) 視覺識別搭配自動技術(shù)在物流行業(yè)的應(yīng)用有很多，以國內(nèi)快遞公司所使用的視覺分揀機器來說。自動化技術(shù)，例如自動掃描，機械處理和高效率，已成為快遞公司關(guān)注的焦點。 基于視覺識別的自動化技術(shù)在快遞公司中的應(yīng)用，不僅在快遞行業(yè)競爭中發(fā)揮著重要作用，而且在快遞公司自身的轉(zhuǎn)型中也發(fā)揮著重要作用。這類自動分揀系統(tǒng)的控制裝置主要根

30、據(jù)供應(yīng)商或者貨主提供快遞所包含的眾多因素，并根據(jù)這些因素確定分揀要求，隨后按照快遞種類、目的地進行自動化識別。舉例來說，物流工作人員通過對快遞上二維碼進行檢錄，自動分揀系統(tǒng)收到賬這些信息后，將會按照分揀系統(tǒng)給出的要求判斷快遞最終將會進入的分揀區(qū)域中。供應(yīng)商提供的商品的總件數(shù)量一般會很大，大量商品按照客戶各種各樣的所在地區(qū)送到各個目的地。 未來，智能化的趨勢逐漸到來，如今大數(shù)據(jù)以及人工智能的迅速發(fā)展以及日漸一日完善化、快遞所包含的信息也將變得標準起來，統(tǒng)一起來、系統(tǒng)智能控制的高度集成化，分揀系統(tǒng)將會成為快遞行業(yè)由人力資源密集型產(chǎn)業(yè)向自動化與智能化轉(zhuǎn)型很關(guān)鍵的一環(huán)。 傳統(tǒng)物流行業(yè)在智能快遞分揀

31、設(shè)備的引導(dǎo)之下進入了新的發(fā)展階段智能化階段，設(shè)計出眾的自動分揀設(shè)備能夠適用于各種各樣的分揀任務(wù)，成為了物流科技發(fā)展的明珠，得到快遞物流公司的喜愛。與此同時，客戶越來越多，物流服務(wù)需求越來越大的大壞境的面前，自動分揀效率變得越來越高，更智能的分揀、更人性化的技術(shù)也都會相繼出現(xiàn)。 ? 本章小結(jié)（Summary of The Chapter） 本章從視覺機器人的基本介紹講起，對比傳統(tǒng)機器人突出其靈活穩(wěn)定的特點， 并說明了視覺機器人在當今社會的現(xiàn)實意義，研究意義；對國內(nèi)外工業(yè)機器人的 研究現(xiàn)狀進行大致介紹，指出我國機器人研究的成就和不足之處。 整體方案設(shè)計 2. 自動

32、分揀機構(gòu)整體方案設(shè)計 1. Overall scheme design 1.1 主要內(nèi)容和擬解決的問題(Main content, and problems to be solved) 查閱資料了解的自動分揀機器人現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，可以了解其工作原理。標準合理的類型和尺寸選擇，使穩(wěn)定性有保障； 工作時要求可靠，結(jié)構(gòu)要求簡單， 裝卸時要方便，易于維護和調(diào)節(jié)。機器人自身系統(tǒng)與工業(yè)相機相結(jié)合，利用其快速讀碼以及智能分揀系統(tǒng)的功能，完成包裝，稱重，讀碼等工作，從而實現(xiàn)快速的分揀和信息記錄交互，以及設(shè)計自動抓取快遞裝置和整體自動分類系統(tǒng)裝置。 1.2 研究方法(Research methods)

33、 隨著科學的發(fā)展，如今自動化程度越來越高。而自動分揀系統(tǒng)就是其中的代表產(chǎn)品。整個自動分揀裝置之中主要包含著分揀機器人本體、分揀平臺、工業(yè)相機、傳送帶四部分組合在一起，在一些特殊情況中，如快遞卡件，出現(xiàn)過于龐大的快遞件，可能還需要人工處理這些問題的形式以讓這個快遞分揀系統(tǒng)正常的運作起來。另外，這個帶有圖像識別的快遞分揀系統(tǒng)在實現(xiàn)高自動化的前提下，還可以在快遞分揀的正確與錯誤的概率之間有保障率，可以真正地應(yīng)用到實際產(chǎn)品之中。中國物流行業(yè)發(fā)展突飛猛進，如果真的可以在物流行業(yè)加以應(yīng)用，可以解決現(xiàn)在國內(nèi)快遞分揀效率不夠高的問題，也正是因為這個原因，快遞行業(yè)需要大量的人力，人在分揀的過程中，受到自身狀態(tài)的

34、影響，正確的概率難以得到保障。首先，在畢業(yè)實習中了解到了相似產(chǎn)品的設(shè)計，這篇設(shè)計的主體部分在于機 械結(jié)構(gòu)的設(shè)計。在畢業(yè)實習兼調(diào)研完成后，對所選題目已經(jīng)有了初步的想法。機械結(jié)構(gòu)部分圖紙的繪制采用 SolidWorks2017 繪制，逐一繪制出零件圖并完成裝配。再使用軟件中自帶的轉(zhuǎn)換為工程圖紙的方法，最后得到二維圖紙，再使用CAD 進行細致的二維圖紙的修改與標注工作。 除機械結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計之外，自動化分揀必不可少的問題還有自動分揀裝置的控制問題。選用工業(yè)相機可以將圖片拍攝，對快遞件上的碼進行掃描讀取，獲取所包含的信息。將獲得信息傳送給控制裝置，經(jīng)過編程等方式，將所獲得的信息作為輸入信號轉(zhuǎn)換為相

35、應(yīng)的輸出，這就實現(xiàn)了機械結(jié)構(gòu)的控制工作。分揀信號的捕獲有很多種方式，這里采用工業(yè)相機識別的方式，既不會成本太高，又可以讀取出所包含的信息。這里不采取條形碼，而采取二維碼作為掃描碼，下文中也將會介紹原因。 圖 2-1 物流工廠的快遞分揀流水線 在圖像處理以及識別的過程之中，采取讀取二維碼的方式。相比于條形碼， 二維碼所包含的信息更多，掃描速度也不會由于信息量的變大而變慢。在未來的快遞行業(yè)之中，我們打算在快遞的二維碼之中包含著各種各樣的信息，從而實現(xiàn)快遞信息的多樣化，實時化以及便捷化。但是，二維碼也有可能出現(xiàn)無法檢測的情況，比如二維碼的磨損問題；這些問題的解決需要

36、二維碼的提取算法， 其中一個比較重要的環(huán)節(jié)就是預(yù)處理。預(yù)處理的步驟大概分為圖像灰度化，降低圖片的維度等五個步驟；二維碼的提取算法則包括定位和變形的矯正，使真實狀況之中發(fā)生畸變的二維碼之中的信息仍然可被提取出來。 下圖表示的二維碼中包含的各類信息，相比于條形碼，二維碼包含著更多功能，也存儲更大的信息量。條形碼一旦彎折或者損壞，就可能造成無法讀碼的情況，相比之下，二維碼就顯得更加智能，更適用于作為物流分揀的標識碼。 在分揀控制系統(tǒng)之中，如果通過傳感器檢測到?jīng)]有快遞在運動，將以低能耗的形式進行運動。若檢測到有物體在平臺運動，就會對其所帶有的標識碼進行掃描，根據(jù)條碼里所包含的結(jié)果決定如何分揀。如果

37、檢測不出結(jié)果，將其放入單獨的分錯的快遞中，匹配成功，將進行快遞的抓取，移動。為保證快遞分揀的高速， 靈活，采取并聯(lián)機器人。 圖 2-2 二維碼各部分的功能介紹 1.3 并聯(lián)機器人簡介(Introduction to parallel robots) ? 并聯(lián)機構(gòu)的提出、特點 20 世紀 60 年代，德國人斯徒爾特繪制并制造出第一臺了并聯(lián)機構(gòu)（具有六 個自由度）。到了 70 年代，澳洲頗負盛名的機構(gòu)研究專家亨特（Hunt）提出了對機械臂可以使用并行機制的想法。并聯(lián)機構(gòu)相比較于串聯(lián)機構(gòu)，并聯(lián)機構(gòu)結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)固，且材料更結(jié)實；除此之外，其可以承受較大的重量的同時

38、，又具有很高的精度。 整體方案設(shè)計 ? 并聯(lián)機構(gòu)的分類 圖 2-3 典型并聯(lián)機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖 并聯(lián)機構(gòu)分類一般按照自由度分類，可以劃分為三到六自由度的并聯(lián)機構(gòu)。其中不同自由度的并聯(lián)機構(gòu)又具有不同的樣式，同自由度的種類也可能不同，種類眾多，特點不一。我們可以根據(jù)不同的需要，去選用不同類型的并聯(lián)機器人和機構(gòu)。 ? 并聯(lián)機器人的發(fā)展現(xiàn)狀 典型產(chǎn)品介紹 并聯(lián)型運動機器人,英文名稱為 parallel mechanism,也可以簡稱叫 pm,通過動平臺和并聯(lián)定位器將動平臺以及兩個以上獨立的閉環(huán)運動支鏈連

39、一起,該閉環(huán)機構(gòu)可以具有兩個或者兩個以上的自由度,并且實際上是一種并行驅(qū)動的通用型封閉裝置。這種機器人產(chǎn)品具備的主要特點之一是部件無需消除累積的運動誤差,精度高。并聯(lián)驅(qū)動支鏈裝置部件可以直接放置在一個固定的平臺上或者放置在靠近固定平臺的任何位置,使得并聯(lián)運動支鏈部件的重量輕,速度快,動態(tài)控制和響應(yīng)好。 FANUC 并聯(lián)機器人 圖 2-4 ABB 并聯(lián)機器人各部位 圖 2-5 ABB 并聯(lián)機器人實物圖 FANUC 公司所研究的并聯(lián)機器人是四軸控制的機器人，安裝方式較多，比較常用的有兩種：它可以懸掛著安裝，也

40、可以在地面上安裝進行工作。不過因為其尺寸以及結(jié)構(gòu)設(shè)計較為輕巧，承載能力較差，僅僅 0.5 千克，通過伺服電機驅(qū)動，重復(fù)定位精度可以達到 0.02mm，精度十分高。 表 2-1 FANUC 機器人相關(guān)參數(shù) ABB 并聯(lián)機器人 圖 2-6 adept 機器人結(jié)構(gòu)詳情 相比較于 FANUC 公司產(chǎn)品，這個產(chǎn)品承載能力大大增強，但與此同時所付出的代價就是重復(fù)定位精度的變低，重復(fù)定位精度為 0.1 毫米。整體顯得更為龐大，工作范圍更為寬泛，可實現(xiàn)更大范圍內(nèi)的物品分揀與抓取。 圖 2-7 adept 機器人產(chǎn)品規(guī)格 與上述兩

41、種機器人知名大公司產(chǎn)品作為參考，設(shè)計中應(yīng)采取更接近于第二種并聯(lián)機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計，也就是能夠?qū)崿F(xiàn)一定重量物體的搬運，同時不需要太高的重復(fù)定位精度。 1.4 發(fā)展展望 Development prospect 并聯(lián)機器人因為其本身的優(yōu)點注定將會于未來某些行業(yè)的發(fā)展之中大顯身手，高速靈活是主要的優(yōu)勢，也使其非常適用于某些行業(yè)，尤其是分揀。近些年來，并聯(lián)機器人的逐漸熱門也證明了這一點。在未來，包裝行業(yè)，物流分揀行業(yè)的發(fā)展，并聯(lián)機器人的高速，靈巧，輕型優(yōu)點也將尤其顯露出來，未來的發(fā)展中， 并聯(lián)機器人可能會發(fā)展得比六軸關(guān)節(jié)型機器人和 scara 型機器人更加迅速。目前， 很多公司也很注意并聯(lián)機器人的研

42、發(fā)工作，國內(nèi)的發(fā)展注重技術(shù)的研發(fā)，雖現(xiàn)在不及國際水平，但在不遠的將來，技術(shù)一定可以得到發(fā)展，出于世界高水準。 1.5 .控制硬件的介紹 Introduction of control hardware 經(jīng)常選用的控制硬件可以分為 plc 和單片機兩種。與單片機相比,PLC 優(yōu)點就十分突出，PLC 的故障率低在萬分之一左右。 S7-1200 的工作方式 PLC 工作流程圖如下： 圖 2-8 plc 運行流程圖 1.6 .相機標定 Camera calibration 在工業(yè)機器人的視覺中,標定的問題主要

43、是涉及兩個基本方面,目的之一是為了建立一個相機的坐標與所獲取的世界坐標之間的準確對應(yīng)和相互關(guān)系。機器人視覺系統(tǒng)的標定原理可以用來直接確定一個相機和視覺處理機構(gòu)之間的關(guān)系,將一個相機坐標所獲取的世界空間坐標直接轉(zhuǎn)換為一個工業(yè)機器人的手臂可以移動的世界空間坐標。在視覺工業(yè)和機器人的應(yīng)用中,相機的標定是一個非常重要的技術(shù)環(huán)節(jié),也是我們用來衡量一個工業(yè)應(yīng)用的機器人及其視覺處理系統(tǒng)的性能優(yōu)劣的一個關(guān)鍵點,是保證后續(xù)的工作準確執(zhí)行的一個重要前提,會直接地影響整個工業(yè)機器人的工作和運動。根據(jù)工業(yè)相機標定和成像的原理,對于一個單目的機器人視覺來說,二維空間點像素的特征點坐標和對應(yīng)整個三維世界的空間坐標是一條線

44、,通過世界空間坐標的變換就是可以直接求出整個相機的特征點和相關(guān)世界坐標數(shù)據(jù)。所以工業(yè)相機視覺系統(tǒng)標定的主要技術(shù)基礎(chǔ)就是如何獲得二維空間特征點的像素世界坐標和三維空間點像素坐標的相互關(guān)系,并且系統(tǒng)需要確定的世界坐標精度直接決定了機器人視覺處理系統(tǒng)的效率和精度。 1.7 有限元分析概述（Overview of finite element analysis） 有限元就是對一個不可計算的物理模型整體進行劃分，劃分成很多塊，塊之間存在相互作用，那么就可以將已知條件在塊上進行分解，通過相互作用關(guān)系就可以列出和塊的個數(shù)正相關(guān)的數(shù)學方程式進行求解，其個數(shù)相當龐大，因此人不可能計算，得益于今天計算機技術(shù)的

45、發(fā)展在計算機上可以進行快速的計算，因此使這種方法得以實現(xiàn)。因為是將一個不規(guī)則的東西劃分成規(guī)則的東西，因此劃分的過程其實本身就是不準確的，就是一個近似的過程，劃分網(wǎng)格時劃分的網(wǎng)格越密，所計算得的解越接近模型的實際情況，但是網(wǎng)格數(shù)量的增多使列出的數(shù)學方程也增加，計算機的工作量增加，計算的時間相應(yīng)也會增加。因此在解決實際問題時，只需自行調(diào)節(jié)分解單元的大小，滿足需要的精度要求即可。在進行機械設(shè)計或想要分析某一復(fù)雜結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變或位移時，往往只需要某一個精度層次上的結(jié)果，這種分析方法可以根據(jù)自身需求劃分網(wǎng)格求出一個滿足我們要求的結(jié)果，因此在現(xiàn)代工程分析中應(yīng)用廣泛。 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

46、 1.8 本章小結(jié)（Chapter summary） 本章從系統(tǒng)功能出發(fā)，確定了設(shè)計任務(wù)的基本要求與解決方案。通過各類型 機器人的對比并結(jié)合本系統(tǒng)的工作要求選擇了并聯(lián)型機器人，并對機器運動范圍、機身大小初步確定。根據(jù)機械臂的工作方式以及本系統(tǒng)的功能設(shè)計了總體工作方 案、總體布局和總體控制流程。完成控制硬件 PLC 的選擇并進行簡單的介紹。最后補充了有關(guān)相機標定的相關(guān)內(nèi)容。 2. 快遞分揀機器人的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 1. Mechanical structure design of express sorting robot ? .關(guān)節(jié)參數(shù)的確定（Determinatio

47、n of joint parameters） 根據(jù)真實快遞分揀的情況，另外參考上述 FANUC 機器人的尺寸以及負載大小，可以初步先進行基本關(guān)節(jié)參數(shù)的擬定。 為方便描述，定位下列幾個結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)，更加方便確定機器人結(jié)構(gòu)的整體大小。 表 3-1 并聯(lián)機器人的尺寸擬定表 ? 鉸鏈的選型 Selection of hinge 鉸鏈是并聯(lián)機器人動靜平臺之間連接的關(guān)鍵連接件， 最常見的有下列幾種： 1.虎克鉸 虎克鉸中間通過一個十字形狀的軸，從而實現(xiàn)兩桿之間的立體空間的運動， 實現(xiàn)兩者空間的夾角變化，但虎克鉸所做的是空間運動。通常，虎克鉸一共有 2 個自由度，為

48、了方便理解，我們可以將其想象為兩軸線相交的轉(zhuǎn)動副的連接體。 2.萬向節(jié) 圖 3-1 虎克鉸結(jié)構(gòu)實物圖 萬向節(jié)也可用于改變軸線的方向。在結(jié)構(gòu)上與虎克鉸很是接近，出路可以實現(xiàn)虎克鉸的功能之外，既可以實現(xiàn)角度變化，又可以實現(xiàn)動力的傳遞。萬向節(jié)和虎克鉸相同，同樣也能夠提供兩個回轉(zhuǎn)自由度。 圖 3-2 萬向節(jié)的爆炸視圖 3.球鉸鏈 球鉸鏈是在自動控制系統(tǒng)中連接執(zhí)行器件和調(diào)節(jié)機構(gòu)的附件，通過靈活的球形軸承結(jié)構(gòu)來達到控制準確，扭轉(zhuǎn)幅度大的目的。優(yōu)點是該球形鉸鏈安裝，拆卸、調(diào)整都很方便，又安全可靠，所以被大量的用于電力行業(yè)，石油與地質(zhì)，礦山機械

49、，食品加工等工業(yè)自動化控制系統(tǒng)里。 圖 3-3 應(yīng)用于真實結(jié)構(gòu)中的球鉸裝置 4.關(guān)節(jié)軸承 關(guān)節(jié)軸承由兩部分組成，一部分是內(nèi)球面，也叫內(nèi)表面；一部分叫外球面， 也叫外表面。用于機構(gòu)中，所連接的機構(gòu)運轉(zhuǎn)時可以任意角度轉(zhuǎn)動，一般其表面會采取噴漆，氮化等特殊工藝處理。 圖 3-4 關(guān)節(jié)軸承實物圖 根據(jù)前人的設(shè)計而改進，為求美觀以及其他工作需求，以球鉸鏈代替虎克鉸。且兩端各安裝一下壓緊彈簧，以便于保持兩個從動軸能夠保持平行，而且方便拆卸。根據(jù)球鉸鏈所具備的若干優(yōu)點，1.選用球形結(jié)構(gòu) 2.能夠靈活承受各個面的壓力 3.可控性良好

50、 4.易于裝配 具有很好的維護性 關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角為 120 度，因此選用球鉸鏈。其中 SolidWorks 中球鉸鏈的繪制步驟為球形面使用同心約束，兩個零件的中心軸需要使用高級約束里的線性/線性耦合，其中給定角度即可。 ? 傳動參數(shù)的確定（Determination of transmission parameters） ? 電動機的分類 目前，電機的種類豐富，設(shè)計者需要根據(jù)場合以及要求選用最為合適的電機作為驅(qū)動控制。電機分類方式很多，根據(jù)制定的標準，電機的分類也不一樣。電機是裝置驅(qū)動提供動力的主要部件。因此，在電機選型過程中需要綜合考慮電機的成本、能耗、裝配性能、承載、控制要求，

51、輸出形式等，同時，機器人選用的電機還應(yīng)該盡可能滿足：空間小，輕盈、較小的轉(zhuǎn)動慣量和調(diào)速范圍大這些條件。 可選電動機介紹 主要考慮兩類電動機，伺服電機（包括直流以及交流）和步進電機。伺服電機所具有的優(yōu)點眾多： 1.沒有電刷，無換向器 2.定子繞組散熱比較方便 3.工作可靠，維護要求不高 4.適應(yīng)于高速大力矩工作狀態(tài) 圖 3-5 伺服電機實物圖 步進電機存在下列的缺陷： 步進電機實現(xiàn)半閉環(huán)控制較為復(fù)雜，相比于伺服電機精度不夠。另外，可能出現(xiàn)共振現(xiàn)象，運轉(zhuǎn)時，速度很難很高，而且難以得到大的轉(zhuǎn)矩。除此之外，并聯(lián)機器人整體輕巧，而步進電機并不滿足輕巧的要求，能

52、量損耗大。當超過額定載荷的時候，同步運動就會暫停，運轉(zhuǎn)速度大的時候，也會運動不平穩(wěn)，不穩(wěn)定的同時還會產(chǎn)生噪聲。 步進電機存在的上述缺陷使其不適用于此系統(tǒng)，不能滿足此機器人高速靈活的運動特點。 綜合以上所述，伺服電動機在許多方面表現(xiàn)得都更加優(yōu)秀，所以選用伺服電動機。 ? 傳動方案的選擇 在并聯(lián)機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計之中，結(jié)構(gòu)緊湊是其最明顯的特點?？晒┻x擇的傳動方案有很多，如鏈傳動、帶傳動、齒輪傳動等。經(jīng)過對機器人整體抓取精度以及自身結(jié)構(gòu)特點，所需要滿足的要求的考量，齒輪傳動是最適合于電機與主動臂之間的傳動的。 在末端執(zhí)行器機械手爪的設(shè)計中，旋轉(zhuǎn)動作以及抓取動作選用舵機操控。精確地實現(xiàn)

53、其旋轉(zhuǎn)動作以及夾取動作，是機器人更快更好地完成目標工作。 ? 電機的選擇 電機分為好幾處，下列將分別介紹各個電機的選擇。 1.與主動臂相連接的電機選用： 下列通過具體的計算來進行選型工作： 根據(jù)實際要求，設(shè)定主動臂的轉(zhuǎn)速為 1m/s，總重力為 5 千克。 所以可以得到電機所承受的重力為：G = mg = 5 ? 9.8 = 49N （ 3-1 ） 設(shè)電機功率為𝑃𝑚 ，則有： 𝑃𝑚 = 𝐺𝑣 = 24𝑤 （ 3-2 ） 𝜂

54、 所以選擇電機瓦數(shù)為 30w，減速比設(shè)定為 15。 2.與底座相連接舵機的選擇： 經(jīng)過與上述類似的計算可以得到： 根據(jù)工作旋轉(zhuǎn)的實際要求，設(shè)定機械手爪的最大轉(zhuǎn)速為 1m/s，機械手以及物料的總重力為 4 千克。 所以可以得到驅(qū)動舵機需要承受的重力為： G = mg = 4 ? 9.8 = 40N （ 3-3 ） 設(shè)電機功率為𝑃𝑚，則有： 𝑃𝑚 = 𝐺𝑣 = 20𝑤 （ 3-4 ） 𝜂 3.負責驅(qū)動手爪的舵機選擇 根據(jù)工

55、作旋轉(zhuǎn)的實際要求，設(shè)定主動臂的轉(zhuǎn)速為 1m/s，在豎直方向受力最大，總重力為 2.5 千克。 所以可以得到電機所承受的重力為： G = mg = 2.5 ? 9.8 = 24.5N （ 3-5 ） 設(shè)電機功率為𝑃𝑚，則有： 𝑃𝑚 = 𝐺𝑣 = 12𝑤 （ 3-6 ） 𝜂 綜合上述計算過程，電機我們可以選用德馬克公司的 GB3246-30，舵機可以選用 TD8120 型號，功率分別為 15w，20w。 ? 齒輪的設(shè)計選擇 根據(jù)

56、實際的情況設(shè)定，大齒輪與小齒輪的材料應(yīng)選用不同的材料。根據(jù)傳動的減速比可以確定選用材料。 根據(jù)實際的情況設(shè)定，大齒輪與小齒輪的材料應(yīng)選用不同的材料。根據(jù)傳動的減速比可以確定選用材料。 所選用的材料均進行調(diào)質(zhì)處理； 確定輸入軸的齒輪硬度和輸出軸的齒輪硬度； 1.輸入軸的齒輪s B 2.輸出軸的齒輪s B = 700MPa s = s s = 650MPa s = 500MPa ； 360MPa ；； 3.兩者所用制造材料的硬度差為 40HBS，選擇 8 級精度； 4.輸入軸的齒輪模數(shù)m = 4 ，齒輪齒數(shù)z = 40，齒寬b = 40m

57、m ； 5.輸出軸的齒輪模數(shù)𝑚 = 2，齒數(shù)齒數(shù)z = 根據(jù)齒面接觸疲勞強度校核 根據(jù)機械手冊查找校核公式可得： 40, 齒寬b = 40mm ； H s = 2.5 KF1 × u ±1 × Z ￡ [s ] （3-7） bd1 u E H u ±1 = 1 （3-8） u KFt bd1 應(yīng)該滿足： s H = 2.5 ? ZE ￡ [s H ] （3-9） 下面開始求解轉(zhuǎn)動時候的力矩： 𝑇 = 95.5 × 105 𝑃1

58、?𝑛1 = 1.28 × 105𝑁 ? mm （3-10） 𝐹1 = 2 𝑇1?𝑑1 = 1600𝑁 （ 3-11 ） 下面開始𝜎𝐻的計算工作： [𝜎𝐻 ] = 𝐾𝑁1𝜎lim1 = 0.95 × 600 = 570MPa （3-12） 𝑆 [𝜎

59、; ] = 𝐾𝑁2𝜎lim2 = 1.18 × 550 = 649MPa （3-13） 𝐻 2 𝑆 選定各個 k 值，可計算得總系數(shù)： K = K A KV KHa KHb 校核得到： = 1.0 ′1.08 ′1.2 ′1.28 = 1.659 （3-14） 𝜎 = 2.5√ 𝐾𝐹1 ? 𝑍 = 352.8MPa < [𝜎 ] = 570M

60、Pa （3-15） 𝐻 bd1 𝐸 𝐻 1 從計算結(jié)果來看，上述的比較結(jié)果證明完全校核滿足要求。 下面開始𝜎𝐹的計算工作 𝜎 = 2𝐾𝑇2 𝑌 𝑌 = 231MPa < 238.86MPa （3-16） 𝐹2 𝜑𝑑𝑚3𝑧2 𝐹𝑎2 sa2 根據(jù)上

61、述計算結(jié)果，可以得到校 核的結(jié)果為安全。 ? 并聯(lián)機器人各部位形狀設(shè)計（Shape design of various parts of parallel robot） 并聯(lián)機器人的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計中，主要包括上頂板（吊頂），靜平臺，主動臂， 從動臂以及底座五部分。其中動平臺與靜平臺之間通過三條運動鏈相連接，所以稱之為并聯(lián)結(jié)構(gòu)。各個形狀的設(shè)計都有其設(shè)計的原因，選用的材料也有其原因， 遵循的設(shè)計原則是在保證校核滿足情況的前提之下，盡可能的做到美觀，省材。整個結(jié)構(gòu)從上往下，依次是上頂板，靜平臺，三條運動鏈（包括主動臂以及從動臂的設(shè)計），動平臺。 ? 上頂板

62、 上頂板主要起到固定支撐，以及連接平臺的作用，是負責將并聯(lián)機器人懸掛在平臺的連接裝置，這里將其設(shè)計為空心圓柱形，方便連接和拆卸，便于加工， 也比較美觀省材。上頂板選用的材料為鋁材。 ? 靜平臺 在本設(shè)計中，靜平臺主要負責連接主動臂以及盛放電機以及減速器，另外可能還需要電路孔的留白。靜平臺設(shè)計為簡單的長方體板狀結(jié)構(gòu)，形狀容易生產(chǎn)制造的同時，也能夠滿足強度的要求。整個平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計為了美觀是使用對稱分布的，靜平臺與電機固定板連接的螺紋孔，四個螺紋孔一組呈現(xiàn)等邊三角對稱分布。設(shè)置在平臺的幾何中心處的工藝孔是為了其他安裝孔的定位，還有電氣線路 和氣路孔的設(shè)計，3 個空位在圓周上均勻分布

63、。設(shè)計原則即為滿足強度要求的前提，盡可能地做到省材與美觀的要求。 采用懸掛電機的方式安裝并聯(lián)機器人，為了實現(xiàn)懸掛，將需要一定的接觸空間用于安裝，因此設(shè)計為 L 型支撐板。在支撐板過渡處安裝一個加強筋可以避免轉(zhuǎn)角較小而造成的應(yīng)力集中現(xiàn)象。除此之外，將上表面的設(shè)計足夠平整，有利于安裝的穩(wěn)定性，安裝剛度也隨之增大，另外，支撐板另外一側(cè)機械孔還有限位孔，主要用來限制大臂的擺動角，避免過大的轉(zhuǎn)動。 ? 主動臂 主動臂在機構(gòu)里起著重要作用，可以說是關(guān)鍵的部位設(shè)計。其主要作用就是與減速器相連接傳遞扭矩，又與小臂相連接，將動力傳動給小臂，從而驅(qū)動動平臺的運動。 主動臂的設(shè)計既保證主動臂對其以下

64、部件的支撐作用，又可以實現(xiàn)傳動由減速器帶來的扭矩。因此不但要滿足強度上的要求，也要使質(zhì)量盡可能的輕。在高速的轉(zhuǎn)動之中，由于質(zhì)量小，不會產(chǎn)生較大的慣性力，從而導(dǎo)致機構(gòu)運轉(zhuǎn)中的不穩(wěn)定。 主動臂設(shè)計的另外的原則是美觀省材，另外因為主動臂每一部分所受轉(zhuǎn)矩大小不同，每一個部分的作用也是不同的，根據(jù)每個部位所受轉(zhuǎn)矩大小不一樣， 拋棄傳統(tǒng)的圓柱式設(shè)計，采用新式的樣式設(shè)計，可以實現(xiàn)物盡其用，主動臂較大端承擔電機的較大轉(zhuǎn)矩和更大的支撐力，小端則不與減速器相連，與從動臂相連接，無需較大的剛度，承擔的慣性力也不如大端。最大化的在滿足要求的前提之下，使用料達到最少，同時可以在保證主動臂強度的前提之下，大幅度減少大臂

65、的重量和旋轉(zhuǎn)時候的轉(zhuǎn)動慣量，使其在機器運動的時候中具備更靈活的運動。 ? 從動臂 從動臂在機構(gòu)運轉(zhuǎn)的過程之中，受力較小。可以采取較細的圓柱形。將從動臂設(shè)計成為平行四邊形的樣式，使動平臺在空間中始終保持平動，并在桿件之間加有彈簧構(gòu)建，不但可以保持從動臂平行，而且可以方便拆卸與安裝工作的進行。從動臂的設(shè)計所采用得平行四邊形結(jié)構(gòu)之中，每一根桿采取長圓柱設(shè)計， 可同時具備靈活，省材，拆卸方便等優(yōu)點，分別通過球鉸與主動臂和動平臺相連接。 圖 3-7 單根從動臂實物圖 圖 3-8 平行四邊形結(jié)構(gòu) ? 動平臺 動平臺是連接從動件和末端執(zhí)

66、行器的裝置，其作用是支撐末端執(zhí)行器，改變其運動的姿態(tài)。 采取下圖樣式設(shè)計，形狀美觀輕巧，節(jié)省材料，減輕裝置整體負載。這種類似扇形的結(jié)構(gòu)設(shè)計，可避免過于浪費材料和顯得過于笨重。 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 圖 3-9 動平臺設(shè)計圖 3.5 機械手的選型（Manipulator selection） 3.5.1 機械手的設(shè)計和工作原理 本設(shè)計中末端執(zhí)行器采取機械手的設(shè)計，具體工作原理如下所示。 首先，與法蘭相連接處有一個旋轉(zhuǎn)自由度，設(shè)置這個自由度的原因是因為在路徑的規(guī)劃之中，機械手會更加靈活，路徑的規(guī)劃會更具有合適的選擇。這個旋轉(zhuǎn)的自由度的驅(qū)動是依靠其中一個舵機工作，控

67、制的是整個機械手的旋轉(zhuǎn)工作。 除了旋轉(zhuǎn)自由度之外，另外一個自由度是負責夾取的夾取自由度，夾取自由度的工作原理是：另外一個舵機帶動所設(shè)計的非標設(shè)計零件運動，之間再通過齒的連接，帶動另外一個非標件的運動，從而實現(xiàn)夾取的動作。其中，齒數(shù)和齒輪上下轉(zhuǎn)動的齒數(shù)決定了手爪能夠開合的程度。 這個機械手的設(shè)計的重點就是非標件齒輪臂的設(shè)計，它決定著手爪的開合程度和夾取動作是否能夠完成。 運用所學習力學知識進行相關(guān)分析：如圖，其中 F1 和F2 是兩個反作用力，反作用力的方向如圖所示： 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 圖 3-10 機械手爪運動

68、簡圖 機械手沿著水平方向的力  ?x = 0,  （3-17） 即： F1 = F2 （3-18） 機械手沿著豎直方向的力即： ? y = 0 ， （3-19） 𝐹 = ?𝐹′ （3-20） 對 O1 點出的合力矩為 0 所以： 𝐹 = 𝐹𝑁 ? 𝑙 （3-21） 𝐹 = 𝑏 𝑐𝑜𝑠2 𝜃 𝐹 （3-22） 𝑙 𝑁 其中 a 表示手爪的對稱中心到其旋轉(zhuǎn)的中點的距離。 通過上述分析結(jié)果： 當力 F 為定值時，a 角擴大，則夾取物品的力 FN 也隨著齒輪臂旋轉(zhuǎn)的角度度的運動而變化，a 角需要有一定的范圍，手爪不能過度開合，會引起機構(gòu)運動 的碰撞以及不穩(wěn)定性，經(jīng)過過往產(chǎn)品，確定其工作