關(guān)節(jié)型搬運機器人設(shè)計..

關(guān)節(jié)型搬運機器人設(shè)計摘要隨著現(xiàn)代工業(yè)機器人技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)機器人的使用迅速增長本文通過對國內(nèi)外工業(yè)機器人的分析，并結(jié)合搬運所需要的條件，設(shè)計出了工廠自動化生產(chǎn)和生產(chǎn)線使用的搬運機器人本文著重對搬運機器人的總體設(shè)計方案、機構(gòu)及控制系統(tǒng)從理論上進行了詳細的分析和設(shè)計在搬運機器人總體設(shè)計中，采用了應(yīng)用最為廣泛的平面關(guān)節(jié)型；在機構(gòu)設(shè)計中，主要設(shè)計了搬運機器人末端執(zhí)行器、手腕、手臂和腰的機械結(jié)構(gòu)；在末端執(zhí)行器設(shè)計上采用了一種具有接近覺、接觸覺及滑動覺的初級智能機械手；在控制系統(tǒng)的設(shè)計中，采用可編程控制器（PLC）進行控制，并對控制系統(tǒng)的硬件原理做了分析，對PLC 的程序也進行了編譯；在驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計中，采用了氣動和電機兩種驅(qū)動方式，主要動作采用電機驅(qū)動關(guān)鍵詞：搬運機器人，三感覺機械手，可編程序控制器Design of the joint transporting robotAbstractUnder the development of the modern industrial robot’s technology , the use of industrial robot increasesrapidly. Through analyzing the domestic andforeign industrial robots, combing the conditionsof thetransportation, the transporting robot for the factory automationproduce and the production line is designedin this article.Theemphasis 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 control system design. In thetotal scheme design, themost wildlyappliedplane joint typeischosen.Inthe mechanism, the transportingrobot’s end-effector, the wrist, the arm and the waist are mainly designed.A kind ofthe approachingsense, the contact sense and the skidding sense primary intelligencemanipulatorisadoptedin the end-effector;Inthe control system, the programmable controller(PLC) is used,the principle of hardware isanalyzedand the programs in PLC are compiled. In the actuating system, two driving types are used which include the pneumatic operationand the motor. The main movementis 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機器人，是一種綜合了人和機器特長的擬人機械電子裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，是先進制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備。

它能夠感應(yīng)工件并能按規(guī)定抓取，升高，轉(zhuǎn)動一定的角度，向前移動，把料準(zhǔn)確放入指定的工位為了便于設(shè)計，工件設(shè)為60*60*60的立方體，重為3kg本文對一類搬運機器人的總體設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、控制系統(tǒng)設(shè)計等從理論上進行了較為全面的研究在機械手設(shè)計上采用了一種具有接近覺、接觸覺及滑動覺的初級智能機械手2．總體方案與機械本體設(shè)計由工業(yè)機器人的構(gòu)成及其運動系統(tǒng)，進行機械本體、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)的方案比較與選擇，基于總體方案的設(shè)計，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)計與計算分析手部的功能與分類，根據(jù)其設(shè)計要求，在本次設(shè)計中可使用的末端執(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)動力，手部方案計算包括：夾緊力、夾緊缸驅(qū)動力的計算受力示意如圖：圖 2-2受力示意圖2.2手腕的結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算分析手腕的功能與分類，手腕設(shè)計應(yīng)該具有兩個自由度，即能實現(xiàn)手腕的回轉(zhuǎn)和俯仰運動，由手腕設(shè)計要求，在本次設(shè)計中可采用的設(shè)計方案有以下幾種結(jié)構(gòu)：方案一傳動示意圖2-3如下：圖 2-3方案一傳動示意圖方案二傳動示意圖如圖 2-4所示： 圖2-4 擺動液壓缸驅(qū)動手腕方案三傳動示意圖如圖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機和諧波減速機構(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)計中使用第三方案。

圖 2-5方案三傳動示意手腕回轉(zhuǎn)、俯仰時，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時的慣性阻力力矩手腕設(shè)計方案的計算包括：（一） 手腕回轉(zhuǎn)驅(qū)動力的計算（二） 手腕俯仰力矩的計算2.3手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算分析手臂的功能與分類，根據(jù)其設(shè)計要求，本次設(shè)計可供選擇的結(jié)構(gòu)主要有以下幾種：（一）液壓驅(qū)動圓柱坐標(biāo)型機器人手臂結(jié)構(gòu)（二）電動機驅(qū)動機械傳動援助坐標(biāo)型機器人手臂（三）PUMA機器人手臂結(jié)構(gòu)（四）SPINE機器人多節(jié)柔性手臂（五）帶諧波減速器的機器人手臂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖2-6 PUMA560機器人小臂傳動圖本設(shè)計是采用PUMA機器人手臂結(jié)構(gòu)結(jié)合設(shè)計需要進行改進：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)處的傳動與別處不同，為了實現(xiàn)運動的平穩(wěn)和動作的精確，以及結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量小，所以采用諧波減速器設(shè)計計算截面尺寸和手臂長度，使其在滿足強度、剛度和尺寸要求的前提下，得到最優(yōu)尺寸和最小質(zhì)量，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計大臂肘關(guān)節(jié)處的傳動示意圖為： 圖2-9大臂肘關(guān)節(jié)處傳動示意圖2.4機座的結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算分析機座的功能與分類，根據(jù)其設(shè)計要求，在本次設(shè)計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)的機器人腰座 圖2-10 采用環(huán)形軸承作支撐結(jié)構(gòu)的機器人腰座方案二：采用普通軸承作支撐結(jié)構(gòu)的機器人腰座圖2-11 采用普通軸承作支撐結(jié)構(gòu)的機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，雖然存在腰座尺寸過大的缺點，但是卻可以增加穩(wěn)定性。

本次設(shè)計即采用這種腰部方案三：PUMA機器人腰座經(jīng)過對減速器和電動機選擇及相關(guān)計算，搬運機器人機械本體效果圖如下：圖2-12 搬運機器人機械本體效果圖3．控制系統(tǒng)設(shè)計3.1 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計通過對PLC的分析，本機采用三菱公司生產(chǎn)的FX2N-40MR PLC機器人搬運操作方式分為手動和自動操作方式自動操作方式又分為步進、單周期和連續(xù)操作方式1）機器人搬運示意 圖3-1 機器人搬運示意圖原位（零點）位置：機器人的小臂停在下限位置出，鉗抓放松，即物體抓取出，不需要通過仰俯運動來調(diào)整鉗抓的角度，輸送帶和物料臺同一高度2）機器人搬運系統(tǒng)輸入和輸出點分配表表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SB1X0手動操作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YV4Y3工件檢測SQ4X4單步左移SB9X14抓取YV5Y4抓限位SB2X5單步右移SB10X15電磁閥右移YV6Y5右移限位SB3X6夾緊SB11X16原點指示ELY6停止SB4X7放松SB12X17輸送帶B轉(zhuǎn)動YV7Y7 回原點SB5X20輸送帶轉(zhuǎn)動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)包括回原點程序，手動單步操作程序和自動連續(xù)操作程序。

圖3-3 機械手操作程序圖其原理是：X20接通，系統(tǒng)自動回原點，Y6驅(qū)動指示燈亮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，則跳到指針P所指P0處），執(zhí)行手動程序之后，由于X11常閉觸點，當(dāng)執(zhí)行CJ指令時，跳轉(zhuǎn)到P1所指的結(jié)束位置如果置于自動位置，（既X10常閉閉合、X11常閉打開）則程序執(zhí)行時跳過手動程序，直接執(zhí)行自動程序5）回原位程序圖3-4 回原位狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖（6）手動單步操作程序　圖中上升/下降，左移/右移都有聯(lián)鎖和限位保護圖3-5 手動單步操作程序圖（7）自動操作程序圖3-6 自動操作狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖3.2 傳感器的選擇在本設(shè)計中，傳感器主要用來檢測手腕、手臂、腰部的轉(zhuǎn)動角度，還有確定手爪對工件的抓取 在機械手設(shè)計上采用了一種具有接近覺、接觸覺及滑動覺的初級智能機械手工作原理如下：接近覺傳感器、接觸覺傳感器、滑動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、滑動覺傳感器是一個傳感器是由聚偏氟乙烯膜，銅箔電極和絕緣橡膠表皮保護層構(gòu)成圖3-7 初級智能機械手結(jié)構(gòu)圖4．結(jié)論與建議4.1結(jié)論本文對一類搬運機器人的總體方案上進行了研究，并對其機械本體結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)進行了設(shè)計。

1)通過相關(guān)方案的選擇、計算及校核，從理論上驗證了本設(shè)計的可行性和正確性2)編寫了PLC程序，并進行了機器人搬運工件模擬實驗，在模擬實驗中機器人能夠很好的完成設(shè)計好的動作，證實了機器人控制系統(tǒng)的正確性4.2建議在設(shè)計方面還存在不少不足，可以提出以下幾個方面建議對設(shè)計進行完善：(1)本設(shè)計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進行連接，PLC再通過高速記數(shù)單元將控制信號發(fā)送給電動機，但在實際的PLC設(shè)計中采用的是機械限位所產(chǎn)生的信號發(fā)送給PLC，PLC再將控制信號發(fā)送給電動機，從而限制了機器人的工作范圍在控制系統(tǒng)設(shè)計中，考慮到工作狀況和控制的簡便未對機器人手腕的仰俯運動和回轉(zhuǎn)運動進行控制設(shè)計，從而限制了機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)未充分考慮機器人制造的成本，經(jīng)濟性4)可在PLC軟件編程上改進，采用不同的中間繼電器控制來實現(xiàn)不同的輸入信號通過一個輸入口輸入信號5)本文未對沿軌道的前后運動的行走機構(gòu)及其控制系統(tǒng)做設(shè)計。