一、搬運機器人的設計原理

搬運機器人為可移動門架式(shi)結構，手(shou)臂承(cheng)載機(ji)構可沿著導(dao)軌進(jin)行移動，導(dao)軌安裝與立柱上，位于被(bei)看管設備上方(fang)。

1、手臂承載機(ji)構沿導(dao)軌(gui)移動，由安裝(zhuang)于承載機(ji)構上的(de)雙作(zuo)(zuo)用氣缸(gang)驅動裝(zhuang)置(zhi)，保證(zheng)操(cao)作(zuo)(zuo)機(ji)手臂實(shi)現(xian)600mm的(de)往復(fu)運動。

2、手臂在肩關節中的轉動(dong)，由安裝于承載機構上的雙(shuang)作用氣缸驅動(dong)裝置，運動(dong)傳遞機構和(he)安裝于肩部的滾珠絲杠實(shi)現。

3、手臂(bei)在肘關節中的(de)轉動，由安裝(zhuang)于小臂(bei)上的(de)雙作用氣缸驅動裝(zhuang)置，運動傳(chuan)遞機構(gou)實現(xian)。

二、搬運機器人的總體設計的思路

設計(ji)機器人大體上可(ke)分為兩個階段：

1、系統分析階段

①根據(ju)系統的(de)目(mu)(mu)標，明確所采(cai)用機器人(ren)的(de)目(mu)(mu)的(de)和任務。

②分析機器(qi)人(ren)所在系(xi)統(tong)的工作環境。

③根據機(ji)器人(ren)的(de)(de)(de)工作要(yao)(yao)求，確定機(ji)器人(ren)的(de)(de)(de)基本功能和方案。如機(ji)器人(ren)的(de)(de)(de)自由度、信(xin)息的(de)(de)(de)存儲量(liang)、計算機(ji)功能、動作精度的(de)(de)(de)要(yao)(yao)求、所能抓(zhua)取的(de)(de)(de)重(zhong)量(liang)、容許的(de)(de)(de)運動范圍、以(yi)及對溫度、震動等環境(jing)的(de)(de)(de)適應性(xing)。

2、技術設計階段

①根(gen)據(ju)系統(tong)的要求確(que)定(ding)機器人(ren)的自(zi)由度和允許(xu)的空間工作范圍，選擇機器人(ren)的坐標形(xing)式。

②擬訂(ding)機器(qi)人的運動路線和(he)空間作業圖(tu)。

③確定驅動系(xi)統的類型。

④選擇各部(bu)件的具體結構，進行機(ji)器(qi)人總裝(zhuang)圖的設計。

⑤繪制機器人的(de)零件圖，并(bing)確定尺寸。

三、搬運機器人的結構組成

搬運(yun)機(ji)器人由執行機(ji)構、驅動機(ji)構和控制機(ji)構三(san)部(bu)分(fen)組成。

1、執行機構

（1）手部

手部既(ji)直接與工件接觸的(de)部分，一般是回轉型(xing)(xing)或(huo)平動型(xing)(xing)（多為(wei)回轉型(xing)(xing)，因(yin)其(qi)結(jie)構簡(jian)單）。手部多為(wei)兩(liang)指（也(ye)有多指）；根據(ju)需要(yao)(yao)分為(wei)外抓式(shi)和(he)內抓式(shi)兩(liang)種；也(ye)可以用(yong)負壓式(shi)或(huo)真(zhen)空(kong)式(shi)的(de)空(kong)氣吸(xi)盤（主要(yao)(yao)用(yong)于(yu)可吸(xi)附的(de)，光滑表面的(de)零件或(huo)薄板零件）和(he)電磁吸(xi)盤。

傳(chuan)力機構形式(shi)(shi)(shi)較多，常用(yong)的(de)有(you)：滑槽杠(gang)桿式(shi)(shi)(shi)、連桿杠(gang)桿式(shi)(shi)(shi)、斜楔杠(gang)桿式(shi)(shi)(shi)、齒輪齒條式(shi)(shi)(shi)、絲杠(gang)螺母式(shi)(shi)(shi)、彈簧式(shi)(shi)(shi)和重力式(shi)(shi)(shi)。本次設(she)計的(de)手(shou)(shou)部(bu)選擇夾(jia)持類回(hui)轉(zhuan)型結(jie)構手(shou)(shou)部(bu)。手(shou)(shou)部(bu)執行(xing)依(yi)靠桿的(de)伸縮(suo)(suo)運(yun)動(dong)(dong)來實現其張合運(yun)動(dong)(dong)，桿的(de)動(dong)(dong)力源來自后續驅(qu)動(dong)(dong)源的(de)液壓(ya)缸，該(gai)液壓(ya)缸采(cai)用(yong)的(de)是伸縮(suo)(suo)式(shi)(shi)(shi)液壓(ya)缸，該(gai)液壓(ya)缸能(neng)夠節(jie)省橫(heng)向的(de)工作空間。

（2）腕部

腕(wan)部(bu)是連接手(shou)(shou)部(bu)和臂部(bu)的(de)(de)部(bu)件，并可(ke)用來調節被抓(zhua)物體的(de)(de)方位，以擴大機械(xie)手(shou)(shou)的(de)(de)動(dong)(dong)(dong)(dong)作范圍(wei)，并使機械(xie)手(shou)(shou)變的(de)(de)更靈巧，適應性更強。手(shou)(shou)腕(wan)有(you)獨立(li)的(de)(de)自由度(du)。有(you)回(hui)轉運動(dong)(dong)(dong)(dong)、上(shang)下(xia)擺動(dong)(dong)(dong)(dong)、左右擺動(dong)(dong)(dong)(dong)。一(yi)般腕(wan)部(bu)設有(you)回(hui)轉運動(dong)(dong)(dong)(dong)再(zai)增(zeng)加一(yi)個上(shang)下(xia)擺動(dong)(dong)(dong)(dong)即可(ke)滿足工作要求，有(you)些(xie)動(dong)(dong)(dong)(dong)作較為(wei)簡(jian)單的(de)(de)專用機械(xie)手(shou)(shou)，為(wei)了簡(jian)化結構，可(ke)以不(bu)設腕(wan)部(bu)，而直接用臂部(bu)運動(dong)(dong)(dong)(dong)驅(qu)動(dong)(dong)(dong)(dong)手(shou)(shou)部(bu)搬運工件。

目前，應用最(zui)為廣(guang)泛(fan)的(de)(de)手腕(wan)回轉(zhuan)運(yun)(yun)(yun)動機構為回轉(zhuan)液(ye)壓（氣）缸，它的(de)(de)結(jie)構緊湊，靈巧但回轉(zhuan)角(jiao)度小(xiao)（一般小(xiao)于(yu)?270），并且要(yao)(yao)求(qiu)嚴格密封(feng)，否則就難保證穩(wen)定(ding)的(de)(de)輸出扭矩。因此在要(yao)(yao)求(qiu)較大回轉(zhuan)角(jiao)的(de)(de)情況下，采(cai)用齒條傳動或鏈(lian)輪以及輪系結(jie)構。本次設計的(de)(de)搬運(yun)(yun)(yun)機器(qi)人的(de)(de)腕(wan)部是實現手部?180的(de)(de)旋(xuan)轉(zhuan)運(yun)(yun)(yun)動。

腕(wan)(wan)部的(de)(de)驅(qu)動(dong)(dong)方(fang)式采(cai)用直接(jie)驅(qu)動(dong)(dong)的(de)(de)方(fang)式，由(you)(you)于腕(wan)(wan)部裝在(zai)(zai)手臂的(de)(de)末(mo)端，所以(yi)必須設計(ji)的(de)(de)十分緊湊可(ke)以(yi)把驅(qu)動(dong)(dong)源裝在(zai)(zai)手腕(wan)(wan)上。機(ji)器人(ren)手部的(de)(de)張合是(shi)由(you)(you)雙(shuang)作用單柱塞液壓(ya)缸(gang)驅(qu)動(dong)(dong)的(de)(de)；而手腕(wan)(wan)的(de)(de)回轉運(yun)動(dong)(dong)則由(you)(you)回轉液壓(ya)缸(gang)實現。將夾(jia)緊活塞缸(gang)的(de)(de)外殼與擺動(dong)(dong)油(you)缸(gang)的(de)(de)動(dong)(dong)片連接(jie)在(zai)(zai)一起；當回轉液壓(ya)缸(gang)中不同(tong)的(de)(de)油(you)腔中進油(you)時即可(ke)實現手腕(wan)(wan)不同(tong)方(fang)向的(de)(de)回轉。

（3）臂部

手(shou)臂部(bu)件是機械(xie)手(shou)的(de)重要握持部(bu)件。它的(de)作(zuo)用是支撐(cheng)腕部(bu)和手(shou)部(bu)（包(bao)括工(gong)作(zuo)或夾(jia)具），并帶動(dong)他(ta)們做(zuo)空間運動(dong)。

臂(bei)部運(yun)動的(de)(de)目的(de)(de)：把手(shou)部送到空間運(yun)動范圍內任(ren)意一點。如果改變手(shou)部的(de)(de)姿態（方位），則用(yong)腕部的(de)(de)自由(you)度加以實現(xian)。因(yin)此(ci)，一般來說臂(bei)部具有三個自由(you)度才能滿足(zu)基本要求(qiu)，即(ji)手(shou)臂(bei)的(de)(de)伸縮(suo)、左右旋轉、升降（或(huo)俯仰）運(yun)動。

手臂的(de)各(ge)種運(yun)(yun)動(dong)(dong)通(tong)常用驅(qu)動(dong)(dong)機(ji)構(gou)(gou)（如液壓缸或者氣缸）和各(ge)種傳(chuan)動(dong)(dong)機(ji)構(gou)(gou)來實(shi)現，從臂部(bu)的(de)受(shou)力情況(kuang)分析(xi)，它在(zai)工作中既受(shou)腕部(bu)、手部(bu)和工件(jian)的(de)靜、動(dong)(dong)載荷，而且(qie)自身運(yun)(yun)動(dong)(dong)較為(wei)多(duo)，受(shou)力復雜。因此，它的(de)結構(gou)(gou)、工作范圍(wei)、靈(ling)活性(xing)以及抓重大(da)小和定(ding)位精(jing)度(du)(du)直(zhi)接影響機(ji)械手的(de)工作性(xing)能(neng)。本次設(she)計實(shi)現臂部(bu)的(de)上下(xia)移動(dong)(dong)、前后伸(shen)(shen)縮、以及臂部(bu)的(de)回(hui)轉運(yun)(yun)動(dong)(dong)。手臂的(de)運(yun)(yun)動(dong)(dong)參數：伸(shen)(shen)縮行(xing)程：1200mm；伸(shen)(shen)縮速度(du)(du)：83mm/s；升(sheng)降行(xing)程：300mm；升(sheng)降速度(du)(du)：67mm/s；回(hui)轉范圍(wei)：180~0。機(ji)器人手臂的(de)伸(shen)(shen)縮使其(qi)手臂的(de)工作長度(du)(du)發生變化(hua)，在(zai)圓柱坐標式(shi)結構(gou)(gou)中，手臂的(de)最大(da)工作長度(du)(du)決定(ding)其(qi)末(mo)端(duan)所能(neng)達(da)到的(de)圓柱表面直(zhi)徑。伸(shen)(shen)縮式(shi)臂部(bu)機(ji)構(gou)(gou)的(de)驅(qu)動(dong)(dong)可采(cai)用液壓缸直(zhi)接驅(qu)動(dong)(dong)。

（4）機座

機(ji)座(zuo)是機(ji)身(shen)機(ji)器(qi)人的基(ji)礎部(bu)分，起支撐作(zuo)用。對固(gu)定式(shi)機(ji)器(qi)人，直接聯接在地(di)面上，對可移動(dong)(dong)式(shi)機(ji)器(qi)人，則安(an)裝在移動(dong)(dong)結構上。機(ji)身(shen)由臂(bei)(bei)部(bu)運(yun)動(dong)(dong)（升(sheng)降(jiang)、平移、回轉和俯(fu)仰(yang)）機(ji)構及其相關的導向裝置、支撐件等組成。并(bing)且，臂(bei)(bei)部(bu)的升(sheng)降(jiang)、回轉或俯(fu)仰(yang)等運(yun)動(dong)(dong)的驅動(dong)(dong)裝置或傳動(dong)(dong)件都安(an)裝在機(ji)身(shen)上。臂(bei)(bei)部(bu)的運(yun)動(dong)(dong)越多(duo)，機(ji)身(shen)的結構和受力越復雜。本(ben)次畢業設(she)計的搬運(yun)機(ji)器(qi)人的機(ji)身(shen)選(xuan)用升(sheng)降(jiang)回轉型機(ji)身(shen)結構；臂(bei)(bei)部(bu)和機(ji)身(shen)的配置型式(shi)采用立(li)柱式(shi)單(dan)臂(bei)(bei)配置，其驅動(dong)(dong)源來自回轉液壓缸。

2、驅動機構

驅動機構是搬運機器人的(de)重要組(zu)成部分。根據(ju)動(dong)力源(yuan)的(de)不同，工業機(ji)械手(shou)的(de)驅(qu)動(dong)機(ji)構大致可分為液(ye)壓、氣(qi)動(dong)、電(dian)動(dong)和機(ji)械驅(qu)動(dong)等四類(lei)。

（1）液(ye)(ye)壓(ya)傳動(dong)。具(ju)有(you)較(jiao)大功率體積比，常用于大負(fu)載的場合；壓(ya)力、流量均(jun)容易(yi)控制(zhi)(zhi)，可(ke)無級(ji)調(diao)速；反應(ying)靈敏，可(ke)實現連續軌跡控制(zhi)(zhi)，維(wei)修方(fang)便；但液(ye)(ye)體對溫度變化敏感，油液(ye)(ye)泄漏易(yi)著火；中(zhong)小型(xing)專(zhuan)用機(ji)(ji)械手(shou)或機(ji)(ji)器(qi)人都有(you)應(ying)用，重型(xing)機(ji)(ji)械手(shou)多為液(ye)(ye)壓(ya)驅動(dong)；液(ye)(ye)壓(ya)元件(jian)成本較(jiao)高(gao)，油路也比較(jiao)復雜(za)。

（2）氣壓傳動。氣動系統簡(jian)單(dan)，成本低(di)，適合(he)于節拍快(kuai)、負載小(xiao)且(qie)精度要求不高(gao)的場合(he)，常用于點(dian)位控制、抓取、彈(dan)性(xing)握持(chi)和真空吸附，可(ke)高(gao)速，但沖擊較嚴(yan)重，精確定位困難；維修簡(jian)單(dan)，能在(zai)高(gao)溫、粉塵等惡(e)劣(lie)環(huan)境中(zhong)使用，泄(xie)漏無影響；中(zhong)小(xiao)型專用機(ji)械手或機(ji)器(qi)人都有應用。

（3）電(dian)動(dong)(dong)(dong)(dong)。有異步電(dian)機(ji)(ji)、直流電(dian)機(ji)(ji)、步進(jin)或伺服電(dian)機(ji)(ji)等(deng)電(dian)動(dong)(dong)(dong)(dong)驅動(dong)(dong)(dong)(dong)方式(shi)。電(dian)動(dong)(dong)(dong)(dong)機(ji)(ji)使用簡單，且(qie)隨著材料(liao)性(xing)能(neng)的提高(gao)，電(dian)動(dong)(dong)(dong)(dong)機(ji)(ji)性(xing)能(neng)也逐漸提高(gao)，目前主要適合于中等(deng)負(fu)載，特別是(shi)適合動(dong)(dong)(dong)(dong)作復雜(za)、運(yun)動(dong)(dong)(dong)(dong)軌(gui)跡嚴格(ge)的工業機(ji)(ji)器人和各種微(wei)型機(ji)(ji)器人。

（4）制動器：制動(dong)器是將(jiang)機(ji)械運動(dong)部分的能量變為(wei)熱能釋放，從而使運動(dong)的機(ji)械速度降低或者停(ting)止的裝置，它(ta)大致可分為(wei)機(ji)械制動(dong)器和電氣制動(dong)起兩類。在機(ji)器人機(ji)構中，學要(yao)使用制動(dong)器的情(qing)況如下：

①特(te)殊情況下的瞬間(jian)停止和需要采取安全措施

②停電時，防止(zhi)運動部分下(xia)滑而(er)破(po)壞其(qi)他(ta)裝置。

機械制動器：

機械制(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)器(qi)(qi)(qi)有螺(luo)旋式(shi)自動(dong)(dong)(dong)加載(zai)制(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)器(qi)(qi)(qi)、盤式(shi)制(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)器(qi)(qi)(qi)、閘瓦式(shi)制(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)器(qi)(qi)(qi)和電(dian)磁制(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)器(qi)(qi)(qi)等幾種。其中最典型的是電(dian)磁制(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)器(qi)(qi)(qi)。

在(zai)(zai)機器(qi)(qi)人的(de)驅動(dong)(dong)(dong)(dong)系統中(zhong)(zhong)常使(shi)用(yong)伺服(fu)電動(dong)(dong)(dong)(dong)機，伺服(fu)電機本(ben)身的(de)特性(xing)決定了電磁制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)(dong)器(qi)(qi)是不(bu)可缺少的(de)部件。從原理上(shang)講(jiang)，這(zhe)種制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)(dong)器(qi)(qi)就是用(yong)彈簧力制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)(dong)的(de)盤(pan)式(shi)(shi)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)(dong)器(qi)(qi)，只(zhi)有(you)勵磁電流(liu)通過線圈(quan)時(shi)(shi)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)(dong)器(qi)(qi)打開，這(zhe)時(shi)(shi)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)(dong)器(qi)(qi)不(bu)起(qi)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)(dong)作(zuo)(zuo)用(yong)，而當電源斷(duan)開線圈(quan)中(zhong)(zhong)無勵磁電流(liu)時(shi)(shi)，在(zai)(zai)彈簧力的(de)作(zuo)(zuo)用(yong)下處于制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)(dong)狀態的(de)常閉(bi)方式(shi)(shi)。因此這(zhe)種制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)(dong)器(qi)(qi)被稱為(wei)(wei)無勵磁動(dong)(dong)(dong)(dong)作(zuo)(zuo)型電磁制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)(dong)器(qi)(qi)。又因為(wei)(wei)這(zhe)種制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)(dong)器(qi)(qi)常用(yong)于安(an)全制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)(dong)場(chang)合，所以也稱為(wei)(wei)安(an)全制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)(dong)器(qi)(qi)。

電氣制動器

電(dian)(dian)動機是將電(dian)(dian)能轉(zhuan)換(huan)為(wei)機械(xie)能的(de)(de)裝(zhuang)置，反(fan)之，他也具有將旋轉(zhuan)機械(xie)能轉(zhuan)換(huan)為(wei)電(dian)(dian)能的(de)(de)發(fa)電(dian)(dian)功能。換(huan)言之，伺服(fu)電(dian)(dian)機是一種能量轉(zhuan)換(huan)裝(zhuang)置，可將電(dian)(dian)能轉(zhuan)換(huan)為(wei)機械(xie)能，同(tong)時(shi)也能通過(guo)(guo)其反(fan)過(guo)(guo)程(cheng)來達到制動的(de)(de)目(mu)的(de)(de)。但對于直流電(dian)(dian)機、同(tong)步電(dian)(dian)機和感(gan)應電(dian)(dian)機等各種不同(tong)類型(xing)的(de)(de)電(dian)(dian)機，必須(xu)分別采用適當(dang)的(de)(de)制動電(dian)(dian)路。

3、控制機構

構(gou)建(jian)機(ji)器(qi)人平臺(tai)的(de)(de)核(he)心是建(jian)立機(ji)器(qi)人的(de)(de)控制系(xi)統(tong)(tong)。首(shou)先需要選擇和(he)硬(ying)(ying)(ying)件平臺(tai)，控制系(xi)統(tong)(tong)硬(ying)(ying)(ying)件平臺(tai)對于(yu)(yu)(yu)系(xi)統(tong)(tong)的(de)(de)開(kai)放(fang)性(xing)、實現方式和(he)開(kai)發(fa)工作量有(you)(you)很大的(de)(de)影(ying)響。一般常用(yong)的(de)(de)控制系(xi)統(tong)(tong)硬(ying)(ying)(ying)件平臺(tai)應滿(man)足：硬(ying)(ying)(ying)件系(xi)統(tong)(tong)基于(yu)(yu)(yu)標準總線(xian)(xian)機(ji)構(gou)，具有(you)(you)可(ke)伸縮性(xing)；硬(ying)(ying)(ying)件結構(gou)具有(you)(you)必要的(de)(de)實時計(ji)算(suan)能力；硬(ying)(ying)(ying)件系(xi)統(tong)(tong)模塊化，便于(yu)(yu)(yu)添加或(huo)更改各種接口、傳感器(qi)和(he)特殊計(ji)算(suan)機(ji)等；低成本。到(dao)目前為(wei)止(zhi)，一般機(ji)器(qi)人控制系(xi)統(tong)(tong)的(de)(de)硬(ying)(ying)(ying)件平臺(tai)可(ke)以(yi)大致分(fen)為(wei)兩(liang)類：基于(yu)(yu)(yu)VME總線(xian)(xian)（Versamodel Eurocard由Motorola公司1981年推出的(de)(de)第一代(dai)32位工業開(kai)放(fang)標準總線(xian)(xian)）的(de)(de)系(xi)統(tong)(tong)和(he)基于(yu)(yu)(yu)PC總線(xian)(xian)的(de)(de)系(xi)統(tong)(tong)。近年來，隨著PC機(ji)性(xing)能的(de)(de)快速發(fa)展(zhan)，可(ke)靠性(xing)大為(wei)提高(gao)，價格(ge)卻大幅度降低，以(yi)PC機(ji)為(wei)核(he)心的(de)(de)控制系(xi)統(tong)(tong)已廣泛被機(ji)器(qi)人控制領域所(suo)接受。