1、 1 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
2、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 Abstract Under the development of the modern industrial robots technology , the use of industrial robot increases rapidly. Through analyzing the domestic and foreign industr
3、ial 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 sc
4、heme, 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
5、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
6、pneumatic operation and the motor. The main movement is driven by the motor. Key words: Transporting robot, three feelings manipulators, programmable controller（ PLC） 2 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，
7、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
8、 （ 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 ： 3 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： 4 图 2-4 摆动液
9、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 5 （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
10、（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 6 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
11、，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 7 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
12、 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： 8 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 9 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
13、配表 名称 代号 输入 名 称 代号 输入 名 称 代号 输出 启动 SB1 X0 手动操作 SB6 X10 电磁阀上升 YV1 Y0 上升限位 SQ1 X1 连续操作 SB7 X11 电磁阀左移 YV2 Y1 左移限位 SQ2 X2 单步上升 SB7 X12 电磁阀下降 YV3 Y2 下降限位 SQ3 X3 单步下降 SB8 X13 输送带 A 转动 YV4 Y3 工件检测 SQ4 X4 单步左移 SB9 X14 抓取 YV5 Y4 抓限位 SB2 X5 单步右移 SB10 X15 电磁阀右移 YV6 Y5 右移限位 SB3 X6 夹紧 SB11 X16 原点指示 EL Y6 停止 SB4
14、X7 放松 SB12 X17 输送带 B 转动 YV7 Y7 回原点 SB5 X20 输送带转动 SB13 X21 （ 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 10 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。
