某碼垛機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u8503某碼垛機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)案例 1291241.1自由度和坐標(biāo)系的選擇 1235701.2碼垛機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和組成 2269311.1.1機(jī)械部分 2322271.1.3驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 8274061.1.4控制系統(tǒng) 8172861.3總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求 8136011.4總體參數(shù) 91.1自由度和坐標(biāo)系的選擇自由度定義是在xyz空間直角坐標(biāo)系中x方向轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)、y方向轉(zhuǎn)動(dòng)移動(dòng)、z方向轉(zhuǎn)動(dòng)移動(dòng)6個(gè)自由度，其中對(duì)機(jī)器人設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)手部的自由度不包括在總體自由度里。機(jī)器熱的靈活成度起決于自由度的多少、自由度越多越靈活反著自由度越少實(shí)現(xiàn)的功能越少。3個(gè)到6自由度是機(jī)械臂的最基本要求。3自由度是本次論文設(shè)計(jì)的最基本要求，做到回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的腰部、繞軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的大臂小臂定位是機(jī)器人另一個(gè)要求，要想定位就需要建立空間坐標(biāo)系、坐標(biāo)系系主要分為（1）直角坐標(biāo)系，有點(diǎn)多的同時(shí)也伴隨致命的缺點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)分析簡(jiǎn)單好計(jì)算運(yùn)算并且運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定的同時(shí)還可以滿足精確是最主要的，比較明顯不足是笨重和不靈活。（2）圓柱坐標(biāo)系，最主要好處有機(jī)器人設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的同時(shí)價(jià)格低廉，有很直觀運(yùn)動(dòng)效果，因此被廣泛的、普遍的應(yīng)用。（3）球坐標(biāo)系，其好處主要有用地面積小，靈活的運(yùn)動(dòng)，但其不足也很明顯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不會(huì)太簡(jiǎn)單容易的可操作和設(shè)計(jì)，故因此會(huì)有昂貴的價(jià)格。（4）關(guān)節(jié)型坐標(biāo)系；其好處是靈活運(yùn)動(dòng)、因?yàn)檫@一優(yōu)點(diǎn)關(guān)節(jié)形坐標(biāo)系是最普遍最常見(jiàn)類型之一，致命的不足時(shí)定位難、造成定位難的原因是機(jī)器人靈活度太高（5）SCARA型坐標(biāo)系；好處是動(dòng)作快并且靈活、最主要的是定位還簡(jiǎn)單，其不足就是設(shè)計(jì)難而且不好計(jì)算，導(dǎo)致的價(jià)格比較偏貴。結(jié)合本次論文設(shè)計(jì)要求和坐標(biāo)系優(yōu)缺點(diǎn)綜合考慮，本次設(shè)計(jì)采用圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人。

1.2碼垛機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和組成1.1.1機(jī)械部分（1）機(jī)身機(jī)身就對(duì)應(yīng)機(jī)械臂的基座，它用來(lái)起平衡作用對(duì)各個(gè)零件的支撐，與臂部直接相連在一起。這次設(shè)計(jì)要求操縱者的身體有1個(gè)自由度和腰部旋轉(zhuǎn)。（2）臂部臂部一般有大小臂之分，和人類臂部有相同之處，也有不同之處，不同之處在于可以根據(jù)需求選取多個(gè)手臂。相同之處在于都起到連接和過(guò)度的主要作用，把腰部和手部總體緊密連接在一起進(jìn)行做功提高效率，臂部的工作特點(diǎn)是輔助手部完成動(dòng)作。一般臂部有腰部的回轉(zhuǎn)大臂和小臂伸縮俯仰3個(gè)自由度，完成伸縮的機(jī)構(gòu)有很多例如液壓缸驅(qū)動(dòng)，活塞缸驅(qū)動(dòng)（氣動(dòng)），蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)等等；大臂小臂回轉(zhuǎn)和俯仰的驅(qū)動(dòng)一般可以液壓泵驅(qū)動(dòng)，馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，連桿等實(shí)現(xiàn)。圖1.1伸縮運(yùn)動(dòng)的臂部結(jié)構(gòu)（3）腕部本文設(shè)計(jì)將臂部和腕部放在一起都有三個(gè)自由度，實(shí)現(xiàn)腕部多自由度就要把腕部分為多個(gè)部分，例如實(shí)現(xiàn)兩個(gè)自由度就要把腕部分為兩個(gè)部分來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)期效果，下面是腕部實(shí)現(xiàn)不同效果。圖1.2單自由度腕部腕關(guān)節(jié)的實(shí)現(xiàn)多自由度的效果，其對(duì)應(yīng)的腕關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)也越來(lái)越復(fù)雜，下面列出幾種常見(jiàn)且普遍的手腕。圖1.3雙自由度手腕結(jié)構(gòu)圖圖1.4三自由度手腕結(jié)構(gòu)示意圖圖1.5三自由度手腕典型結(jié)構(gòu)圖（4）手部手部是工業(yè)機(jī)器人直接安裝到手腕上用來(lái)直接抓取工作件，類似人手一樣的類人爪，其最大的特點(diǎn)是手部與腕部可拆卸，面對(duì)不同的工作對(duì)象方便拆卸更換手部，由于手部通用性比較不好，作業(yè)種類比較復(fù)雜，類型多樣化按其用途可分為手抓和工具兩大類，手抓主要用于捉住、把持、釋放工件，吸附式和機(jī)械式是按照工作形式分為兩種，磁力吸附和真空吸附又是吸盤式下面按照吸力的方式分的，內(nèi)支撐和外夾持兩種類型是按照加持方式分的，內(nèi)撐式和外夾式兩種統(tǒng)稱機(jī)械式。 圖1.6內(nèi)撐式圖1.7外夾式圖1.8三爪機(jī)械手1.9常見(jiàn)幾種磁盤式結(jié)構(gòu)本次設(shè)計(jì)采用外抓式兩爪形式的機(jī)械手1.1.3驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的種類控制方式有很多，例如電機(jī)驅(qū)動(dòng)、氣缸動(dòng)、液壓缸或綜合系統(tǒng)的組合用于直接驅(qū)動(dòng)，有些機(jī)械驅(qū)動(dòng)是屬于間接驅(qū)動(dòng)，如蝸輪蝸桿、齒輪等。（1）電動(dòng)驅(qū)動(dòng)其好處很明顯，速度變化可調(diào)，效率好，速度控制和位置精度好，但用于直接驅(qū)動(dòng)比較難。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)可分為直流伺服電動(dòng)機(jī)、交流伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。其中直流電動(dòng)機(jī)臺(tái)刷易損害、易出火花，步進(jìn)電機(jī)多為開(kāi)環(huán)控制、操作簡(jiǎn)單但只能用在小功率精度要求不高的機(jī)械手上。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)其優(yōu)點(diǎn)其控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、誤差不積累、具有自鎖和保持轉(zhuǎn)矩能力、方便控制系統(tǒng)定位。但不能過(guò)載其空間比較大直流電動(dòng)機(jī)其調(diào)速好、啟動(dòng)力巨大、功率大和響應(yīng)快技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，但是成本高體積大交流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)小，運(yùn)行可靠、維修方便、精度高、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)（2）液壓驅(qū)動(dòng)是通過(guò)液壓缸和活塞桿直線相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)完成的，其優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)緊湊可直接連接、剛度好響應(yīng)好，缺點(diǎn)是要設(shè)有液壓源易泄露、環(huán)境要求高（不試用高、低溫度環(huán)境），多用大功率系統(tǒng)里。（3）氣缸驅(qū)動(dòng)裝置其好處有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并且能有緩沖減壓作用，剛度不好、噪音很大、速度不好控制并且難度高等相對(duì)液壓驅(qū)動(dòng)，因?yàn)橛羞@些不足主要應(yīng)用于精度要求不是很嚴(yán)格的機(jī)器人控制系統(tǒng)里。結(jié)合本次總體要求和設(shè)計(jì)需要采用氣缸驅(qū)動(dòng)裝置和電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置1.1.4控制系統(tǒng)本次設(shè)計(jì)所采用的控制系統(tǒng)是plc控制系統(tǒng)，其明顯好處有可靠、抗干擾力強(qiáng)、多樣性選擇性強(qiáng)、實(shí)現(xiàn)效果多、可用性強(qiáng)、簡(jiǎn)單易操作維修方便成本低下易好維修、程序設(shè)計(jì)周期短易學(xué)、節(jié)能。1.3總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求本文對(duì)碼垛機(jī)器人最基本的要求，夾取一定載荷負(fù)重的工件箱進(jìn)行移動(dòng)，到另一個(gè)地方進(jìn)行碼垛堆放。完成這最基本要求就要讓機(jī)器人具有一定的負(fù)載承載能力和定位精度準(zhǔn)確的碼垛。工件箱箱體要求的尺寸是長(zhǎng)40cm,寬30cm,高25cm的長(zhǎng)方體，40cm是手部張合的最基礎(chǔ)的要求。氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)是本次設(shè)計(jì)所選用的驅(qū)動(dòng)方式，重量在20kg左右工件箱，精度上要求并不是很高，將精準(zhǔn)箱體抓取送到1.2米地方進(jìn)行碼垛堆放。3個(gè)自由度是本次設(shè)計(jì)對(duì)臂部的要求，繞軸的回轉(zhuǎn)大臂小臂，起回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的腰部。開(kāi)環(huán)三相異步電動(dòng)機(jī)是本次設(shè)計(jì)對(duì)臂部驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源。其好處是結(jié)構(gòu)和使用比較簡(jiǎn)單、操作可靠、速動(dòng)控制比較良好。不足也很明顯是精度不是很高，功率低下，本文總體的要求精度不是很嚴(yán)格可以用plc程序進(jìn)行彌補(bǔ)、總體質(zhì)量負(fù)載也不是很高，故因此手部的結(jié)構(gòu)本文選用氣動(dòng)裝置。1.4總體參數(shù)（1）功能：實(shí)現(xiàn)工件箱的抓取還有釋放（2）抓重：20KG（3）自由度：3自由度包括