搬运机器人总体设计的思路及原理

搬运机器人是一种用于工业运动控制的设备，一般由执行系统、驱动系统和控制系统组成。搬运机器人具有结构简单、成本低廉、维修容易的优点，可以代替人进行工作，把工件由某个地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操纵工件进行加工。下面来了解下搬运机器人工作原理及结构组成。

一、搬运机器人的设计原理

搬运机器人为可移动门架式结构，手臂承载机构可沿着导轨进行移动，导轨安装与立柱上，位于被看管设备上方。

1、手臂承载机构沿导轨移动，由安装于承载机构上的双作用气缸驱动装置，保证操作机手臂实现600mm的往复运动。

2、手臂在肩关节中的转动，由安装于承载机构上的双作用气缸驱动装置，运动传递机构和安装于肩部的滚珠丝杠实现。

3、手臂在肘关节中的转动，由安装于小臂上的双作用气缸驱动装置，运动传递机构实现。

二、搬运机器人的总体设计的思路

设计机器人大体上可分为两个阶段：

1、系统分析阶段

①根据系统的目标，明确所采用机器人的目的和任务。

②分析机器人所在系统的工作环境。

③根据机器人的工作要求，确定机器人的基本功能和方案。如机器人的自由度、信息的存储量、计算机功能、动作精度的要求、所能抓取的重量、容许的运动范围、以及对温度、震动等环境的适应性。

2、技术设计阶段

①根据系统的要求确定机器人的自由度和允许的空间工作范围，选择机器人的坐标形式。

②拟订机器人的运动路线和空间作业图。

③确定驱动系统的类型。

④选择各部件的具体结构，进行机器人总装图的设计。

⑤绘制机器人的零件图，并确定尺寸。

三、搬运机器人的结构组成

搬运机器人由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。

1、执行机构

（1）手部

手部既直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型（多为回转型，因其结构简单）。手部多为两指（也有多指）；根据需要分为外抓式和内抓式两种；也可以用负压式或真空式的空气吸盘（主要用于可吸附的，光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸盘。

传力机构形式较多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。本次设计的手部选择夹持类回转型结构手部。

手部执行依靠杆的伸缩运动来实现其张合运动，杆的动力源来自后续驱动源的液压缸，该液压缸采用的是伸缩式液压缸，该液压缸能够节省横向的工作空间。

（2）腕部

腕部是连接手部和臂部的部件，并可用来调节被抓物体的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。手腕有独立的自由度。有回转运动、上下摆动、左右摆动。一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求，有些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。

目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压（气）缸，它的结构紧凑，灵巧但回转角度小（一般小于270°），并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输出扭矩。因此在要求较大回转角的情况下，采用齿条传动或链轮以及轮系结构。本次设计的搬运机器人的腕部是实现手部180°的旋转运动。

腕部的驱动方式采用直接驱动的方式，由于腕部装在手臂的末端，所以必须设计的十分紧凑可以把驱动源装在手腕上。机器人手部的张合是由双作用单柱塞液压缸驱动的；而手腕的回转运动则由回转液压缸实现。将夹紧活塞缸的外壳与摆动油缸的动片连接在一起；当回转液压缸中不同的油腔中进油时即可实现手腕不同方向的回转。

（3）臂部

手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工作或夹具），并带动他们做空间运动。

臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降（或俯仰）运动。

手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动较为多，受力复杂。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。本次设计实现臂部的上下移动、前后伸缩、以及臂部的回转运动。手臂的运动参数：伸缩行程：1200mm；伸缩速度：83mm/s；升降行程：300mm；升降速度：67mm/s；回转范围：180~0。机器人手臂的伸缩使其手臂的工作长度发生变化，在圆柱坐标式结构中，手臂的最大工作长度决定其末端所能达到的圆柱表面直径。伸缩式臂部机构的驱动可采用液压缸直接驱动。

（4）机座

机座是机身机器人的基础部分，起支撑作用。对固定式机器人，直接联接在地面上，对可移动式机器人，则安装在移动结构上。机身由臂部运动（升降、平移、回转和俯仰）机构及其相关的导向装置、支撑件等组成。并且，臂部的升降、回转或俯仰等运动的驱动装置或传动件都安装在机身上。臂部的运动越多，机身的结构和受力越复杂。本次毕业设计的搬运机器人的机身选用升降回转型机身结构；臂部和机身的配置型式采用立柱式单臂配置，其驱动源来自回转液压缸。

2、驱动机构

驱动机构是搬运机器人的重要组成部分。根据动力源的不同，工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。

（1）液压传动。具有较大功率体积比，常用于大负载的场合；压力、流量均容易控制，可无级调速；反应灵敏，可实现连续轨迹控制，维修方便；但液体对温度变化敏感，油液泄漏易着火；中小型专用机械手或机器人都有应用，重型机械手多为液压驱动；液压元件成本较高，油路也比较复杂。

（2）气压传动。气动系统简单，成本低，适合于节拍快、负载小且精度要求不高的场合，常用于点位控制、抓取、弹性握持和真空吸附，可高速，但冲击较严重，精确定位困难；维修简单，能在高温、粉尘等恶劣环境中使用，泄漏无影响；中小型专用机械手或机器人都有应用。

（3）电动。有异步电机、直流电机、步进或伺服电机等电动驱动方式。电动机使用简单，且随着材料性能的提高，电动机性能也逐渐提高，目前主要适合于中等负载，特别是适合动作复杂、运动轨迹严格的工业机器人和各种微型机器人。

（4）制动器：制动器是将机械运动部分的能量变为热能释放，从而使运动的机械速度降低或者停止的装置，它大致可分为机械制动器和电气制动起两类。在机器人机构中，学要使用制动器的情况如下：

①特殊情况下的瞬间停止和需要采取安全措施

②停电时，防止运动部分下滑而破坏其他装置。

机械制动器：

机械制动器有螺旋式自动加载制动器、盘式制动器、闸瓦式制动器和电磁制动器等几种。其中最典型的是电磁制动器。

在机器人的驱动系统中常使用伺服电动机，伺服电机本身的特性决定了电磁制动器是不可缺少的部件。从原理上讲，这种制动器就是用弹簧力制动的盘式制动器，只有励磁电流通过线圈时制动器打开，这时制动器不起制动作用，而当电源断开线圈中无励磁电流时，在弹簧力的作用下处于制动状态的常闭方式。因此这种制动器被称为无励磁动作型电磁制动器。又因为这种制动器常用于安全制动场合，所以也称为安全制动器。

电气制动器

电动机是将电能转换为机械能的装置，反之，他也具有将旋转机械能转换为电能的发电功能。换言之，伺服电机是一种能量转换装置，可将电能转换为机械能，同时也能通过其反过程来达到制动的目的。但对于直流电机、同步电机和感应电机等各种不同类型的电机，必须分别采用适当的制动电路。

3、控制机构

构建机器人平台的核心是建立机器人的控制系统。首先需要选择和硬件平台，控制系统硬件平台对于系统的开放性、实现方式和开发工作量有很大的影响。一般常用的控制系统硬件平台应满足：硬件系统基于标准总线机构，具有可伸缩性；硬件结构具有必要的实时计算能力；硬件系统模块化，便于添加或更改各种接口、传感器和特殊计算机等；低成本。到目前为止，一般机器人控制系统的硬件平台可以大致分为两类：基于VME总线（Versamodel Eurocard由Motorola公司1981年推出的第一代32位工业开放标准总线）的系统和基于PC总线的系统。近年来，随着PC机性能的快速发展，可靠性大为提高，价格却大幅度降低，以PC机为核心的控制系统已广泛被机器人控制领域所接受。