一、搬運機器人的設計原理

搬運機器人為可移(yi)動(dong)門架式結構，手臂承載機構可沿著導軌進(jin)行移(yi)動(dong)，導軌安(an)裝(zhuang)與立柱上(shang)，位于被看(kan)管(guan)設備上(shang)方。

1、手臂(bei)(bei)承載機構(gou)沿導(dao)軌(gui)移動，由安裝于承載機構(gou)上的(de)雙作用氣缸(gang)驅(qu)動裝置(zhi)，保證操(cao)作機手臂(bei)(bei)實(shi)現600mm的(de)往復(fu)運動。

2、手臂在肩關節中的(de)(de)轉動(dong)，由(you)安裝(zhuang)于承載(zai)機構上的(de)(de)雙作用氣缸驅動(dong)裝(zhuang)置(zhi)，運動(dong)傳遞(di)機構和(he)安裝(zhuang)于肩部的(de)(de)滾珠絲杠(gang)實現。

3、手臂在(zai)肘關節中(zhong)的轉動(dong)，由安裝于小臂上的雙作(zuo)用氣缸驅動(dong)裝置，運動(dong)傳遞(di)機構實現(xian)。

二、搬運機器人的總體設計的思路

設計機器人大體上可分為(wei)兩個(ge)階段：

1、系統分析階段

①根據系統的目(mu)標，明確所采用機器人的目(mu)的和任務。

②分析機器人(ren)所(suo)在系統的工(gong)作環(huan)境。

③根據機器人(ren)的(de)(de)工(gong)作(zuo)要求(qiu)，確(que)定機器人(ren)的(de)(de)基本功能(neng)和方案。如機器人(ren)的(de)(de)自由(you)度、信息(xi)的(de)(de)存儲量(liang)(liang)、計算機功能(neng)、動作(zuo)精度的(de)(de)要求(qiu)、所(suo)能(neng)抓取的(de)(de)重量(liang)(liang)、容許的(de)(de)運動范(fan)圍、以及對溫(wen)度、震(zhen)動等環境的(de)(de)適(shi)應性。

2、技術設計階段

①根據系統(tong)的(de)要求確定(ding)機器人(ren)的(de)自由度(du)和(he)允許的(de)空間(jian)工作范圍，選擇機器人(ren)的(de)坐標形式。

②擬訂(ding)機器人(ren)的(de)運動(dong)路(lu)線(xian)和空(kong)間作業圖。

③確定驅動系統(tong)的類型。

④選擇各(ge)部件(jian)的(de)具體結(jie)構，進行機(ji)器(qi)人總裝圖的(de)設計。

⑤繪(hui)制機器(qi)人的零件圖，并確定(ding)尺(chi)寸。

三、搬運機器人的結構組成

搬運機(ji)器(qi)人(ren)由執行機(ji)構(gou)、驅(qu)動機(ji)構(gou)和(he)控制機(ji)構(gou)三(san)部分組成。

1、執行機構

（1）手部

手部(bu)(bu)既直(zhi)接與工(gong)件接觸的(de)(de)(de)部(bu)(bu)分(fen)，一般是回轉(zhuan)型(xing)或(huo)(huo)平動型(xing)（多為回轉(zhuan)型(xing)，因其結構(gou)簡單）。手部(bu)(bu)多為兩指(zhi)（也有多指(zhi)）；根據(ju)需要分(fen)為外抓(zhua)式和內抓(zhua)式兩種；也可以用負(fu)壓式或(huo)(huo)真空(kong)式的(de)(de)(de)空(kong)氣吸(xi)(xi)盤（主要用于可吸(xi)(xi)附的(de)(de)(de)，光滑(hua)表面的(de)(de)(de)零(ling)件或(huo)(huo)薄板零(ling)件）和電磁吸(xi)(xi)盤。

傳力(li)(li)機構形式較多，常(chang)用的有：滑槽(cao)杠(gang)桿(gan)(gan)式、連桿(gan)(gan)杠(gang)桿(gan)(gan)式、斜楔杠(gang)桿(gan)(gan)式、齒(chi)輪齒(chi)條式、絲杠(gang)螺母(mu)式、彈簧(huang)式和(he)重力(li)(li)式。本次(ci)設計的手(shou)部選擇夾持類回轉(zhuan)型結構手(shou)部。手(shou)部執行依靠桿(gan)(gan)的伸縮運動(dong)來(lai)實現其張合運動(dong)，桿(gan)(gan)的動(dong)力(li)(li)源來(lai)自后續驅動(dong)源的液(ye)壓缸，該液(ye)壓缸采用的是伸縮式液(ye)壓缸，該液(ye)壓缸能夠節省橫向的工(gong)作空間。

（2）腕部

腕部是連(lian)接手部和(he)臂(bei)(bei)部的(de)(de)部件，并可用(yong)來調節被(bei)抓物體的(de)(de)方(fang)位，以(yi)(yi)擴大(da)機械(xie)手的(de)(de)動(dong)作范圍(wei)，并使機械(xie)手變的(de)(de)更靈巧，適應性更強。手腕有(you)獨立的(de)(de)自(zi)由度。有(you)回轉運動(dong)、上下(xia)擺(bai)動(dong)、左右擺(bai)動(dong)。一般腕部設(she)有(you)回轉運動(dong)再增加一個(ge)上下(xia)擺(bai)動(dong)即可滿足(zu)工作要求，有(you)些動(dong)作較為簡(jian)單的(de)(de)專用(yong)機械(xie)手，為了簡(jian)化結構，可以(yi)(yi)不設(she)腕部，而直(zhi)接用(yong)臂(bei)(bei)部運動(dong)驅動(dong)手部搬運工件。

目(mu)前，應用最(zui)為廣泛的(de)(de)手腕(wan)回轉(zhuan)(zhuan)運(yun)動機(ji)(ji)構(gou)為回轉(zhuan)(zhuan)液壓（氣）缸，它的(de)(de)結構(gou)緊湊，靈巧但回轉(zhuan)(zhuan)角度(du)小（一般(ban)小于?270），并且(qie)要求嚴格(ge)密封，否則就難(nan)保證穩定(ding)的(de)(de)輸出扭(niu)矩。因此在要求較大回轉(zhuan)(zhuan)角的(de)(de)情況下，采用齒條傳動或鏈輪以及輪系結構(gou)。本(ben)次設計的(de)(de)搬運(yun)機(ji)(ji)器(qi)人的(de)(de)腕(wan)部是實現手部?180的(de)(de)旋轉(zhuan)(zhuan)運(yun)動。

腕部的(de)驅(qu)(qu)動(dong)(dong)(dong)方式采用(yong)直接驅(qu)(qu)動(dong)(dong)(dong)的(de)方式，由于(yu)腕部裝在(zai)(zai)手(shou)臂的(de)末端，所以必須設計的(de)十(shi)分緊湊可以把(ba)驅(qu)(qu)動(dong)(dong)(dong)源裝在(zai)(zai)手(shou)腕上。機器(qi)人手(shou)部的(de)張(zhang)合是由雙作用(yong)單(dan)柱塞液(ye)壓缸(gang)驅(qu)(qu)動(dong)(dong)(dong)的(de)；而手(shou)腕的(de)回(hui)轉(zhuan)運動(dong)(dong)(dong)則由回(hui)轉(zhuan)液(ye)壓缸(gang)實現(xian)(xian)。將夾緊活塞缸(gang)的(de)外(wai)殼與擺(bai)動(dong)(dong)(dong)油缸(gang)的(de)動(dong)(dong)(dong)片連(lian)接在(zai)(zai)一起；當(dang)回(hui)轉(zhuan)液(ye)壓缸(gang)中(zhong)不(bu)同的(de)油腔中(zhong)進油時即(ji)可實現(xian)(xian)手(shou)腕不(bu)同方向的(de)回(hui)轉(zhuan)。

（3）臂部

手臂部件是機械(xie)手的重要(yao)握持部件。它的作(zuo)用是支撐腕部和手部（包括工(gong)作(zuo)或夾(jia)具），并帶動他(ta)們做空間(jian)運動。

臂(bei)(bei)部(bu)(bu)運動的(de)目的(de)：把手部(bu)(bu)送到空間(jian)運動范圍內(nei)任意一點。如果(guo)改變手部(bu)(bu)的(de)姿態（方位），則用腕(wan)部(bu)(bu)的(de)自由度加以實現。因此(ci)，一般來(lai)說(shuo)臂(bei)(bei)部(bu)(bu)具(ju)有(you)三個自由度才(cai)能滿足基本要求，即手臂(bei)(bei)的(de)伸縮(suo)、左右旋(xuan)轉、升降（或俯仰）運動。

手(shou)臂(bei)(bei)的(de)各種運動通常用(yong)驅動機(ji)構(gou)(gou)（如液壓(ya)缸(gang)或者(zhe)氣缸(gang)）和(he)各種傳動機(ji)構(gou)(gou)來實(shi)現(xian)，從臂(bei)(bei)部(bu)的(de)受力情況(kuang)分析(xi)，它(ta)在(zai)工作(zuo)(zuo)中既受腕部(bu)、手(shou)部(bu)和(he)工件(jian)的(de)靜、動載(zai)荷，而且自(zi)身(shen)運動較為多，受力復(fu)雜。因此，它(ta)的(de)結構(gou)(gou)、工作(zuo)(zuo)范(fan)圍(wei)、靈活性(xing)以及抓重大(da)小和(he)定(ding)位精度(du)直接影響機(ji)械手(shou)的(de)工作(zuo)(zuo)性(xing)能。本次設(she)計(ji)實(shi)現(xian)臂(bei)(bei)部(bu)的(de)上下移動、前后伸(shen)縮(suo)(suo)、以及臂(bei)(bei)部(bu)的(de)回(hui)轉(zhuan)運動。手(shou)臂(bei)(bei)的(de)運動參數：伸(shen)縮(suo)(suo)行程(cheng)：1200mm；伸(shen)縮(suo)(suo)速度(du)：83mm/s；升降(jiang)(jiang)行程(cheng)：300mm；升降(jiang)(jiang)速度(du)：67mm/s；回(hui)轉(zhuan)范(fan)圍(wei)：180~0。機(ji)器人手(shou)臂(bei)(bei)的(de)伸(shen)縮(suo)(suo)使其手(shou)臂(bei)(bei)的(de)工作(zuo)(zuo)長(chang)度(du)發生(sheng)變化，在(zai)圓(yuan)柱坐標式(shi)結構(gou)(gou)中，手(shou)臂(bei)(bei)的(de)最大(da)工作(zuo)(zuo)長(chang)度(du)決定(ding)其末端(duan)所能達到的(de)圓(yuan)柱表(biao)面直徑。伸(shen)縮(suo)(suo)式(shi)臂(bei)(bei)部(bu)機(ji)構(gou)(gou)的(de)驅動可采(cai)用(yong)液壓(ya)缸(gang)直接驅動。

（4）機座

機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)座是機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)身(shen)(shen)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)器人(ren)的(de)(de)(de)基礎部(bu)分(fen)，起支(zhi)撐作(zuo)用。對(dui)固定式機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)器人(ren)，直接聯接在地(di)面上(shang)，對(dui)可(ke)移(yi)動(dong)(dong)(dong)式機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)器人(ren)，則安裝在移(yi)動(dong)(dong)(dong)結(jie)構(gou)(gou)上(shang)。機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)身(shen)(shen)由臂(bei)部(bu)運(yun)(yun)動(dong)(dong)(dong)（升(sheng)降(jiang)、平移(yi)、回轉(zhuan)和(he)(he)俯(fu)仰(yang)(yang)）機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)構(gou)(gou)及其相關的(de)(de)(de)導向裝置、支(zhi)撐件等(deng)組(zu)成(cheng)。并且，臂(bei)部(bu)的(de)(de)(de)升(sheng)降(jiang)、回轉(zhuan)或俯(fu)仰(yang)(yang)等(deng)運(yun)(yun)動(dong)(dong)(dong)的(de)(de)(de)驅動(dong)(dong)(dong)裝置或傳動(dong)(dong)(dong)件都(dou)安裝在機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)身(shen)(shen)上(shang)。臂(bei)部(bu)的(de)(de)(de)運(yun)(yun)動(dong)(dong)(dong)越多，機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)身(shen)(shen)的(de)(de)(de)結(jie)構(gou)(gou)和(he)(he)受力(li)越復雜。本次畢業(ye)設計的(de)(de)(de)搬運(yun)(yun)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)器人(ren)的(de)(de)(de)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)身(shen)(shen)選用升(sheng)降(jiang)回轉(zhuan)型機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)身(shen)(shen)結(jie)構(gou)(gou)；臂(bei)部(bu)和(he)(he)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)身(shen)(shen)的(de)(de)(de)配(pei)置型式采用立柱式單臂(bei)配(pei)置，其驅動(dong)(dong)(dong)源(yuan)來(lai)自(zi)回轉(zhuan)液(ye)壓缸(gang)。

2、驅動機構

驅動機構是搬運機器人的重要(yao)組(zu)成部分(fen)。根據動(dong)(dong)力源的不(bu)同，工(gong)業機械手的驅動(dong)(dong)機構大致可(ke)分(fen)為液壓、氣動(dong)(dong)、電(dian)動(dong)(dong)和機械驅動(dong)(dong)等(deng)四類。

（1）液(ye)(ye)壓(ya)(ya)傳(chuan)動。具有(you)較(jiao)大(da)功率體積比，常用于大(da)負(fu)載的場(chang)合；壓(ya)(ya)力、流(liu)量均容(rong)易控制，可無級調速(su)；反(fan)應靈敏(min)，可實(shi)現(xian)連(lian)續軌跡(ji)控制，維(wei)修方(fang)便；但液(ye)(ye)體對溫度變化敏(min)感，油液(ye)(ye)泄漏易著(zhu)火；中小(xiao)型專用機械(xie)手(shou)或機器(qi)人(ren)都有(you)應用，重型機械(xie)手(shou)多為(wei)液(ye)(ye)壓(ya)(ya)驅動；液(ye)(ye)壓(ya)(ya)元(yuan)件成本較(jiao)高，油路也(ye)比較(jiao)復雜(za)。

（2）氣壓(ya)傳(chuan)動(dong)。氣動(dong)系統簡單，成本低，適合于節拍快、負載小(xiao)且精度要求不(bu)高(gao)的場合，常(chang)用于點(dian)位(wei)控(kong)制(zhi)、抓(zhua)取、彈性(xing)握持和真空(kong)吸附，可高(gao)速，但沖擊較嚴重，精確定位(wei)困難；維修(xiu)簡單，能在高(gao)溫、粉塵(chen)等(deng)惡劣環境(jing)中使用，泄漏無影(ying)響；中小(xiao)型專用機械手或機器人(ren)都有(you)應用。

（3）電(dian)動(dong)(dong)(dong)。有異(yi)步電(dian)機(ji)(ji)、直(zhi)流電(dian)機(ji)(ji)、步進或伺服電(dian)機(ji)(ji)等(deng)(deng)電(dian)動(dong)(dong)(dong)驅(qu)動(dong)(dong)(dong)方式。電(dian)動(dong)(dong)(dong)機(ji)(ji)使用簡單，且隨著(zhu)材料性(xing)能(neng)(neng)的提(ti)高，電(dian)動(dong)(dong)(dong)機(ji)(ji)性(xing)能(neng)(neng)也逐漸提(ti)高，目前主(zhu)要適合(he)(he)于中等(deng)(deng)負載，特別是(shi)適合(he)(he)動(dong)(dong)(dong)作(zuo)復雜、運動(dong)(dong)(dong)軌跡嚴格的工業機(ji)(ji)器人(ren)和各(ge)種微型(xing)機(ji)(ji)器人(ren)。

（4）制動器：制(zhi)動(dong)器(qi)是將機(ji)械運動(dong)部分的(de)能(neng)量變為熱能(neng)釋放，從(cong)而使運動(dong)的(de)機(ji)械速(su)度降(jiang)低或者停止(zhi)的(de)裝置，它大致可分為機(ji)械制(zhi)動(dong)器(qi)和電氣制(zhi)動(dong)起兩類。在機(ji)器(qi)人機(ji)構中，學要使用制(zhi)動(dong)器(qi)的(de)情況如下：

①特殊(shu)情(qing)況(kuang)下的瞬間停止和(he)需要采取(qu)安(an)全(quan)措(cuo)施(shi)

②停電時，防止運動部(bu)分下滑而破壞其他裝置。

機械制動器：

機械制(zhi)(zhi)動(dong)(dong)器(qi)有螺旋式自動(dong)(dong)加(jia)載制(zhi)(zhi)動(dong)(dong)器(qi)、盤式制(zhi)(zhi)動(dong)(dong)器(qi)、閘瓦(wa)式制(zhi)(zhi)動(dong)(dong)器(qi)和(he)電磁制(zhi)(zhi)動(dong)(dong)器(qi)等幾種。其中最典(dian)型的(de)是電磁制(zhi)(zhi)動(dong)(dong)器(qi)。

在(zai)(zai)機(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)(qi)人的(de)(de)驅動(dong)(dong)(dong)系統(tong)中常(chang)使用(yong)伺服電(dian)動(dong)(dong)(dong)機(ji)(ji)，伺服電(dian)機(ji)(ji)本身的(de)(de)特性決定了電(dian)磁(ci)(ci)制(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)器(qi)(qi)(qi)(qi)是不可缺少的(de)(de)部件。從原理上講，這(zhe)種(zhong)(zhong)制(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)器(qi)(qi)(qi)(qi)就是用(yong)彈簧力制(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)的(de)(de)盤式制(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)器(qi)(qi)(qi)(qi)，只有勵(li)磁(ci)(ci)電(dian)流通過(guo)線(xian)圈(quan)時(shi)制(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)器(qi)(qi)(qi)(qi)打開，這(zhe)時(shi)制(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)器(qi)(qi)(qi)(qi)不起(qi)制(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)作用(yong)，而當電(dian)源斷開線(xian)圈(quan)中無(wu)勵(li)磁(ci)(ci)電(dian)流時(shi)，在(zai)(zai)彈簧力的(de)(de)作用(yong)下處于(yu)制(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)狀態(tai)的(de)(de)常(chang)閉方式。因此這(zhe)種(zhong)(zhong)制(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)器(qi)(qi)(qi)(qi)被稱(cheng)(cheng)為無(wu)勵(li)磁(ci)(ci)動(dong)(dong)(dong)作型電(dian)磁(ci)(ci)制(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)器(qi)(qi)(qi)(qi)。又因為這(zhe)種(zhong)(zhong)制(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)器(qi)(qi)(qi)(qi)常(chang)用(yong)于(yu)安(an)全制(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)場合，所以也稱(cheng)(cheng)為安(an)全制(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)器(qi)(qi)(qi)(qi)。

電氣制動器

電(dian)(dian)(dian)(dian)動機(ji)(ji)是將電(dian)(dian)(dian)(dian)能(neng)轉(zhuan)換為(wei)機(ji)(ji)械(xie)能(neng)的(de)(de)(de)(de)裝(zhuang)置(zhi)，反(fan)之，他也(ye)具有(you)將旋轉(zhuan)機(ji)(ji)械(xie)能(neng)轉(zhuan)換為(wei)電(dian)(dian)(dian)(dian)能(neng)的(de)(de)(de)(de)發電(dian)(dian)(dian)(dian)功能(neng)。換言(yan)之，伺(si)服(fu)電(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)是一種能(neng)量轉(zhuan)換裝(zhuang)置(zhi)，可將電(dian)(dian)(dian)(dian)能(neng)轉(zhuan)換為(wei)機(ji)(ji)械(xie)能(neng)，同時也(ye)能(neng)通過其反(fan)過程來達到制動的(de)(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)(de)。但對于直流(liu)電(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)、同步電(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)和感應電(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)等各種不同類型的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)，必須分(fen)別采用適當的(de)(de)(de)(de)制動電(dian)(dian)(dian)(dian)路。

3、控制機構

構建(jian)機(ji)(ji)器人平臺的(de)(de)(de)核心是建(jian)立機(ji)(ji)器人的(de)(de)(de)控制(zhi)系統(tong)。首先需要(yao)選擇和(he)(he)硬(ying)件平臺，控制(zhi)系統(tong)硬(ying)件平臺對于(yu)系統(tong)的(de)(de)(de)開放性(xing)、實(shi)現方(fang)式和(he)(he)開發工作(zuo)量(liang)有很大(da)的(de)(de)(de)影響。一般常用的(de)(de)(de)控制(zhi)系統(tong)硬(ying)件平臺應滿足：硬(ying)件系統(tong)基于(yu)標(biao)準(zhun)總線機(ji)(ji)構，具有可伸(shen)縮性(xing)；硬(ying)件結構具有必要(yao)的(de)(de)(de)實(shi)時計算(suan)能力(li)；硬(ying)件系統(tong)模塊化(hua)，便于(yu)添(tian)加或更改各種(zhong)接口、傳感器和(he)(he)特殊計算(suan)機(ji)(ji)等；低(di)成本。到目前為(wei)止，一般機(ji)(ji)器人控制(zhi)系統(tong)的(de)(de)(de)硬(ying)件平臺可以大(da)致(zhi)分為(wei)兩類：基于(yu)VME總線（Versamodel Eurocard由Motorola公司1981年推出的(de)(de)(de)第一代32位工業開放標(biao)準(zhun)總線）的(de)(de)(de)系統(tong)和(he)(he)基于(yu)PC總線的(de)(de)(de)系統(tong)。近(jin)年來，隨著PC機(ji)(ji)性(xing)能的(de)(de)(de)快速發展(zhan)，可靠性(xing)大(da)為(wei)提(ti)高(gao)，價格卻大(da)幅度降低(di)，以PC機(ji)(ji)為(wei)核心的(de)(de)(de)控制(zhi)系統(tong)已廣泛被機(ji)(ji)器人控制(zhi)領域所接受。