1、搬運機器人用于替代人工，將重復性、重體力和嚴苛環(huán)境中的轉運環(huán)節(jié)所需的人員釋放出來。不同種類、規(guī)格的機器人用途不一，應用側重不一，按照我公司的開發(fā)方向，機器人需要達到以下目的：使用盡量簡單直接的結構設計、功能單一、操作方便、成本低廉、易于維護等。通用性6關節(jié)機器人多用于非常規(guī)加工方面，例如焊接、激光切割、表面處理等，除要求位置精度外，對姿態(tài)的控制也有很直觀的需要，而且涉及到的學科較多，包括光電控制、電液驅動、精密加工、插補算法等，開發(fā)成本對于中小型企業(yè)來說是非常沉重的負擔，故而考慮到公司的具體情況，將會盡量的簡化設計，選擇提供單一功能的控制實現途徑，預留升級和換代的必要空間。1基本要求此搬運機器

2、人將用于墻材（磚）的拆垛和碼垛，將用于3種磚型及其對應的34種垛型的取料、轉運和碼放等過程。具體見下表：磚型外形垛型備注標磚240*115*53mm足厚取50mm720*720*1380mm960*960*1380mm小標200*100*50mm本次設計初始任務為720*720*1380mm垛型，見圖1錯誤!未找到引用源。:圖1參考垛型圖1.1工作任務定點取磚、轉運、并碼成實心垛1.2本體構造工業(yè)用6關節(jié)機器人本體可以分為兩個部分：第13關節(jié)用于機器人精確定位，第46關節(jié)用于機器人的姿態(tài)控制。搬運機器人末端執(zhí)行器（下文稱為手爪）的姿態(tài)只需要一種，即：垂直取放：手爪基準面垂直于Z軸；側面取放：手

3、爪基準面垂直于X或Y軸；如不考慮手爪自身的運動和控制方式，正常情況下機器人本體（下文稱為本體）只需要4個關節(jié)。1.3控制方式單活動關節(jié)一般需要一套執(zhí)行部件（電機、減速機、驅動器）。本次設計的本體將已720*720*7380mm的磚垛進行分析、測試和復核的等計算過程，并采用垂直取放形式。第13關節(jié)均需要獨立的執(zhí)行部件，第4關節(jié)可以采用平面四桿機構對手爪姿態(tài)進行限制，即，第4關節(jié)將作為一個被動關節(jié)進行設計，而不再需要單獨的執(zhí)行部件。本體定位和手爪姿態(tài)需要聯控，而手爪動作則是本體就位之后的環(huán)節(jié)。（要實現預期的功能，需考慮下圖中注明的2個問題）2工作空間開放式的工作方式對本體限制最少，能夠盡量減少高速

4、聯動對本體的影響，并且可以降低誤差插補的難度，而實際的應用中，機器人的工作總是會受到一定的限制，例如設備排布、人員安全、廠房條件等。作為一臺墻材搬運用途的機器人，場地和設備的限制對機器人很少，可以忽略不計，人員安全方面可以通過設置安全工作區(qū)域、警示標志、安全教育等達到一定的效果。出于成本方面的考慮，不單獨設計安全系統。安全工作區(qū)域則參考通用型工業(yè)機器人的設置進行設計。2.1圖解法本體包含3個主動關節(jié)和1個被動關節(jié)，被動關節(jié)對工作空間的形成沒有影響。若本體基座高h，大臂長l，小臂長l，機身回轉角0的范圍為卜,Y，大臂俯仰角0的范圍為1211229,a，小臂俯仰角0的范圍為D,p。本體工作空間的邊

5、界曲線見下：123121）在xOz平面內的邊界曲線是由工作空間與過z軸的軸平面相交，以其軸截面的形狀表示，見圖2中xOz部分；a）當大臂處于左極限位置，小臂有上極限擺到下極限位置，形成圓弧S；1b）當大臂處于右極限位置，小臂有上極限擺到下極限位置，形成圓弧S；2c）當小臂處于下極限位置，大臂由左極限位置擺到右極限位置，形成圓弧S；3d）當小臂處于上極限位置，大臂由左極限位置擺到右極限位置，形成圓弧S；42）在xOy平面內的邊界曲線是由工作空間中離z軸最遠點和最近點旋轉而成，見圖2xOy平面部分。以參考垛型（圖2中虛線部分）為例，工作空間必須能夠完全覆蓋取料區(qū)域、轉運區(qū)域和放料區(qū)域。取料區(qū)域為上

6、道工序的末端，將會以單件、或多件的形式定點放置需要堆垛的磚塊。預設取料區(qū)域與放料區(qū)域沿z軸旋轉角度差為90、且取料區(qū)域包含于放料區(qū)域。那么，xOy平面上的工作空間投影可以暫定為90（此角度只決定于第1關節(jié)的旋轉），即b，丫LL90。,90。112用圖解法可以很方便的計算出適用于最小工作空間的各參數值（見圖3）。ao.70Xo0圖2工作空間示意圖圖3工作空間初步計算3動作規(guī)劃機器人的動作過程見圖4圖4機器人動作過程3.1工作節(jié)拍機器人的工作效率可以從兩方面進行核算，一是效率，二是成本。此兩個主要因素在規(guī)劃階段必須兼顧，不同的使用環(huán)境和客戶承受力導致會有不同的傾向。具體的成本核算將在會穿插在后續(xù)的

7、章節(jié)中進行描述，目的是固定成本要少、運行費用少低、無障礙運行時間要長、維修費用要小。初步估算為1臺機器人取代1個搬運人員?，F場的人工計算方式很多，需要同時考慮人員的身體素質人員的工作技巧和現場的工作環(huán)境，比較復雜?，F將其簡化：人員作業(yè)范圍為以腰部為軸、無需步行，在180范圍內、半徑為800mm搬運2塊磚，人員不能過于勞累，需要保證工作的持續(xù)性。預計時間不低于3s,以3s計算，機器人工作時間為人員的2.5倍，即機器人工作節(jié)拍參考值可設置為7.5s。將圖4中的失效時間（即判斷不能滿足工作要求，如無磚、未正常取料、中途丟料等）忽略，設置附屬時間為：“取料判定”.1s,“本體位置判定”.1s,“取料狀

8、況判定”.1s,“放料狀況判定”0.1s，“下道工序判定”一一.1s，控制系統判定所需總時間=0.6s；“手爪取料”一一.3s,“手爪放料”0.3s，執(zhí)行器工作時間=0.6s；本體移動時間=7.5-0.6-0.6=6.3s,對于非循跡工作的機器人而言，預設去程和回城路徑一致、方向相反，在輕載狀況下，可以認為兩段時間相等，即本體就位時間（去程）=本體轉移時間（回程）=3.15s。3.2本體自由度運動在試驗驗證海綿吸盤作為手爪拾取機構之前，手爪拾取機構為氣動夾具，手爪姿態(tài)為見圖5。圖5手爪拾取示意圖以圖5中的手爪姿態(tài)為基礎，“本體就位”過程可分為三個步驟：垂直提升（沿z軸向上）-大范圍轉移-垂直下

9、降。此三個階段分別設定工作時間為o.3s、2.55s、0.3s。其中，1關節(jié)在極限位置的關節(jié)角最大（約114）,見圖6?？梢猿醪皆O定1關節(jié)最大運動速度114/2.55s/2=89.4/s。按照機器人的工作方式（無論是否三軸聯動），其他關節(jié)的空間角度和關節(jié)速度都小于1關節(jié),即暫時可以將，可以暫時將89.4/s作為最高參考速度納入校核范圍。取料臺圖61關節(jié)極限位置圖4軌跡計算現在可以對具體的結構進行計算，并對前面章節(jié)中設定關節(jié)參數和工作空間范圍進行校核。4.1運動學分析一般使用D-H方法來描述相鄰桿件間的運動關系，使用4x4的齊次變換矩陣來描述基于關節(jié)本身建立坐標系的相互關系。一般的4關節(jié)機器人只

10、需要建立5個坐標系，由于本體中增加的平面四桿機構、即增加了一個被動關節(jié)，此搬運機器人需要建立5個坐標系。參考坐標系（或叫基坐標系）為Oxyz第.關節(jié)，第i關節(jié)對應的坐標系為-1Xi-1-1Zi-1。坐標系建立規(guī)則如下：zz確定i軸：i軸沿關節(jié)i+1的軸向OOzz確定原點i:i在過i-1和i軸的公法線上確定Xi軸：Xi軸過Zi-1和Zi軸的公法線方向，從Zi-1指向Zi軸確定y軸：y=zx%，遵從右手定則。TOC o 1-5 h ziiii描述坐標間相互關系的關節(jié)變量/參數為：0:繞z軸（右手定則）由x向x軸的關節(jié)角；ii-1i-1id:從第i-1坐標系的原點到z軸和x的交點沿z軸的距離；ii-

11、1ii-1a:從z到x的交點到第i坐標系原點沿%軸的偏置距離（即z和z兩軸間的最小距離）；ii-1iii-1ia:繞x軸（右手定則）由z軸轉向z軸的偏角。iii-1i坐標系見圖7。圖7D-H坐標系i坐標系和i1坐標系的齊次變換矩陣：將第i個坐標系表示的點廠在i-1坐標系中表示，需建立i坐標系和i-1坐標系的齊次變換矩陣，需經i過以下變換：1）將坐標系o嚴y繞z轉e角，使x軸與x軸平行并指向同一方向；TOC o 1-5 h zi1i1i1i1i1ii1i2）將坐標系Oxyz沿z平移d.，使x軸與Ox.yz.的x軸重合；i1i1i1i1i1ii1iiiii3）將坐標系Oxyz沿x軸平移距離a，使兩坐標系的原點重合；i1i1i1i1i1i4）將坐標系Oxyz繞x軸轉角，使兩坐標系完全重合。i1i1i1i1i1i從而，i坐標系和i-1坐標系的齊次變換矩陣i-1A可以根據矩陣的合成規(guī)則得到，i-1A稱為相鄰坐標系iii和i-1的D-H變換矩陣。D-H變換矩陣如下：i-iA=RTTRiz,9z,dcos0isin9=i00cos9isin9=i00 x,ax-sin900ic