关节型搬运机器人设计

关节型搬运机器人设计摘要随着现代工业机器人技术的发展，工业机器人的使用迅速增长。本文通过对国内外工业机器人的分析，并结合搬运所需要的条件，设计出了工厂自动化生产和生产线使用的搬运机器人。本文着重对搬运机器人的总体设计方案、机构及控制系统从理论上进行了详细的分析和设计。在搬运机器人总体设计中，采用了应用最为广泛的平面关节型；在机构设计中，主要设计了搬运机器人末端执行器、手腕、手臂和腰的机械结构；在末端执行器设计上采用了一种具有接近觉、接触觉及滑动觉的初级智能机械手；在控制系统的设计中，采用可编程控制器（PLC）进行控制，并对控制系统的硬件原理做了分析，对PLC 的程序也进行了编译；在驱动系统设计中，采用了气动和电机两种驱动方式，主要动作采用电机驱动。关键词：搬运机器人，三感觉机械手，可编程序控制器 Design 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 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 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 intelligence 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. The main movement is driven by the motor.Key words: Transporting robot, three feelings manipulators, programmable controller（PLC）1引 言本课题研制的搬运机器人，是一种综合了人和机器特长的拟人机械电子装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。它能够感应工件并能按规定抓取，升高，转动一定的角度，向前移动，把料准确放入指定的工位。为了便于设计，工件设为60*60*60的立方体，重为3kg。本文对一类搬运机器人的总体设计、结构设计、控制系统设计等从理论上进行了较为全面的研究。在机械手设计上采用了一种具有接近觉、接触觉及滑动觉的初级智能机械手。2总体方案与机械本体设计由工业机器人的构成及其运动系统，进行机械本体、驱动系统、控制系统的方案比较与选择，基于总体方案的设计，选定基本技术参数。2.1手部（末端执行器）的结构设计与计算分析手部的功能与分类，根据其设计要求，在本次设计中可使用的末端执行器有以下几种：（1）吸附式 （2）电磁吸盘式 （3）多关节多指手爪（4）夹钳持式手爪 本设计选用的是夹钳式手部的齿轮齿条平行连杆式平移型夹持器。结构如图2-1所示： 图2-1 齿轮齿条平行连杆式平移型夹持器夹钳式手部应具有适当的的夹紧力和驱动力，手部方案计算包括：夹紧力、夹紧缸驱动力的计算。受力示意如图： 图 2-2 受力示意图2.2手腕的结构设计与计算分析手腕的功能与分类，手腕设计应该具有两个自由度，即能实现手腕的回转和俯仰运动，由手腕设计要求，在本次设计中可采用的设计方案有以下几种结构：方案一传动示意图2-3如下：图 2-3方案一传动示意图方案二传动示意图如图 2-4所示： 图2-4 摆动液压缸驱动手腕方案三传动示意图如图2-5所示：在方案三中充分考虑到手腕回转所需力矩小所以使用的电动机和谐波减速机构都质量和体积都很小，可以之间将其直接放在手腕前端，这样就减少了小臂前端的质量和体积，所以在本次设计中使用第三方案。图 2-5方案三传动示意手腕回转、俯仰时，需要克服腕部的摩擦阻力力矩、工件重心偏置力矩和腕部启动时的惯性阻力力矩。手腕设计方案的计算包括：（一） 手腕回转驱动力的计算（二） 手腕俯仰力矩的计算2.3手臂的结构设计与计算分析手臂的功能与分类，根据其设计要求，本次设计可供选择的结构主要有以下几种：（一）液压驱动圆柱坐标型机器人手臂结构（二）电动机驱动机械传动援助坐标型机器人手臂（三）PUMA机器人手臂结构（四）SPINE机器人多节柔性手臂（五）带谐波减速器的机器人手臂关节结构图2-6 PUMA560机器人小臂传动图本设计是采用PUMA机器人手臂结构结合设计需要进行改进：一、小臂的示意图如下： 图2-7 小臂的示意图二、大臂示意图如下：图2-8 大臂示意图其大臂和小臂均用高强度的铝合金材料制成的薄壁框形结构，大臂的肘关节处的传动与别处不同，为了实现运动的平稳和动作的精确，以及结构简单，质量小，所以采用谐波减速器。设计计算截面尺寸和手臂长度，使其在满足强度、刚度和尺寸要求的前提下，得到最优尺寸和最小质量，实现结构优化设计。大臂肘关节处的传动示意图为： 图2-9 大臂肘关节处传动示意图2.4机座的结构设计与计算分析机座的功能与分类，根据其设计要求，在本次设计中可供选择的腰座有以下几种：方案一：采用环形轴承作支撑结构的机器人腰座 图2-10 采用环形轴承作支撑结构的机器人腰座方案二：采用普通轴承作支撑结构的机器人腰座图2-11 采用普通轴承作支撑结构的机器人腰座 本方案是采用普通轴承做支承元件的腰座支承结构，这种结构制造简单，成本低、安装调整方便等优点，虽然存在腰座尺寸过大的缺点，但是却可以增加稳定性。本次设计即采用这种腰部。方案三：PUMA机器人腰座经过对减速器和电动机选择及相关计算，搬运机器人机械本体效果图如下：图2-12 搬运机器人机械本体效果图3控制系统设计3.1 PLC控制系统的设计通过对PLC的分析，本机采用三菱公司生产的FX2N-40MR PLC。机器人搬运操作方式分为手动和自动操作方式。自动操作方式又分为步进、单周期和连续操作方式。（1）机器人搬运示意 图3-1 机器人搬运示意图原位（零点）位置：机器人的小臂停在下限位置出，钳抓放松，即物体抓取出，不需要通过仰俯运动来调整钳抓的角度，输送带和物料台同一高度。（2）机器人搬运系统输入和输出点分配表表3-1 I/O分配表名称代号输入名 称代号输入名 称代号输出启动SB1X0手动操作SB6X10电磁阀上升YV1Y0上升限位SQ1X1连续操作SB7X11电磁阀左移YV2Y1左移限位SQ2X2单步上升SB7X12电磁阀下降YV3Y2下降限位SQ3X3单步下降SB8X13输送带A转动YV4Y3工件检测SQ4X4单步左移SB9X14抓取YV5Y4抓限位SB2X5单步右移SB10X15电磁阀右移YV6Y5右移限位SB3X6夹紧SB11X16原点指示ELY6停止SB4X7放松SB12X17输送带B转动YV7Y7 回原点SB5X20输送带转动SB13X21（3）PLC输入，输出连接电路图图3-2 PLC输入，输出连接电路图（4）操作系统操作系统包括回原点程序，手动单步操作程序和自动连续操作程序。图3-3 机械手操作程序图其原理是：X20接通，系统自动回原点，Y6驱动指示灯亮。X10接通，其常闭触头打开，程序不跳转（CJ为一跳转指令，如果CJ驱动，则跳到指针P所指P0处），执行手动程序。之后，由于X11常闭触点，当执行CJ指令时，跳转到P1所指的结束位置。如果置于自动位置，（既X10常闭闭合、X11常闭打开）则程序执行时跳过手动程序，直接执行自动程序。（5）回原位程序 图3-4 回原位状态转移图（6）手动单步操作程序图中上升/下降，左移/右移都有联锁和限位保护。图3-5 手动单步操作程序图（7）自动操作程序 图3-6 自动操作状态转移图3.2 传感器的选择在本设计中，传感器主要用来检测手腕、手臂、腰部的转动角度，还有确定手爪对工件的抓取 。在机械手设计上采用了一种具有接近觉、接触觉及滑动觉的初级智能机械手。工作原理如下：接近觉传感器、接触觉传感器、滑动觉传感器位于手指上接近觉传感器是由红外发射器、红外探测器及其信号处理电路构成。接触觉传感器、滑动觉传感器是一个传感器。是由聚偏氟乙烯膜，铜箔电极和绝缘橡胶表皮保护层构成。图3-7 初级智能机械手结构图4结论与建议4.1结论本文对一类搬运机器人的总体方案上进行了研究，并对其机械本体结构、控制系统和驱动系统进行了设计。(1)通过相关方案的选择、计算及校核，从理论上验证了本设计的可行性和正确性。(2)编写了PLC程序，并进行了机器人搬运工件模拟实验，在模拟实验中机器人能够很好的完成设计好的动作，证实了机器人控制系统的正确性。4.2建议 在设计方面还存在不少不足，可以提出以下几个方面建议对设计进行完善：(1)本设计理论上采用光电编码器的输出直接通过PLC的高速记数单元与PLC进行连接，PLC再通过高速记数单元将控制信号发送给电动机，但在实际的PLC设计中采用的是机械限位所产生的信号发送给PLC，PLC再将控制信号发送给电动机，从而限制了机器人的工作范围。在控制系统设计中，考虑到工作状况和控制的简便未对机器人手腕的仰俯运动和回转运动进行控制设计，从而限制了机器人的自由度和工作空间。(2)在气缸和部分零部件加工工艺设计上存在不足，未考虑充分气缸的密封性和部分零部件的可加工性。(3)未充分考虑机器人制造的成本，经济性。(4)可在PLC软件编程上改进，采用不同的中间继电器控制来实现不同的输入信号通过一个输入口输入信号。(5)本文未对沿轨道的前后运动的行走机构及其控制系统做设计。 （注：可编辑下载，若有不当之处，请指正，谢谢!）