無(wú)錫科技職業(yè)學(xué)院中德機(jī)電學(xué)院

機(jī)器人技術(shù)大作業(yè)

設(shè)計(jì)題目搬運(yùn)機(jī)器人設(shè)計(jì)

學(xué)生姓名俞成

系別控制系

專業(yè)機(jī)電一體化

班級(jí)機(jī)電1101

授課教師龔運(yùn)新

目錄

第一章概述................................................3

1.1搬運(yùn)機(jī)器人的歷史.................................................3

1.2搬運(yùn)機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu).............................................5

1.3搬運(yùn)機(jī)器人的未來(lái).................................................9

第二章機(jī)械設(shè)計(jì)...........................................10

2.1機(jī)械整體設(shè)計(jì)....................................................10

2.2各部件設(shè)計(jì).......................................................12

2.2.1執(zhí)行機(jī)構(gòu)....................................................12

2.2.2驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)..................................................15

2.2.3控制系統(tǒng).....................................................16

第三章電氣設(shè)計(jì)...........................................16

3.1電氣控制整體設(shè)計(jì)................................................16

3.2電氣分部設(shè)計(jì)...................................................17

3.2.1電機(jī).........................................................17

3.3軟件設(shè)計(jì).......................................................19

第四章總結(jié)...............................................25

第一章概述

1.1搬運(yùn)機(jī)器人的歷史

搬運(yùn)機(jī)器人搬運(yùn)機(jī)器人【transferrobot】是可以進(jìn)行自動(dòng)化搬運(yùn)作業(yè)

的工業(yè)機(jī)器人，也被稱為無(wú)人搬運(yùn)車或者是AG兀最早的搬運(yùn)機(jī)器人出現(xiàn)在1960

年的美國(guó)，Vcrsatran和Unimatc兩種機(jī)器人首次用于搬運(yùn)作業(yè)。搬運(yùn)作業(yè)是指

用一種設(shè)備握持工件，是指從一個(gè)加工位置移到另一個(gè)加工位置。搬運(yùn)機(jī)器人可

安裝不同的末端執(zhí)行器以完成各種不同形狀和狀態(tài)的工件搬運(yùn)工作，大大減輕

了人類繁重的體力勞動(dòng)。目前世界上使用的搬運(yùn)機(jī)器人愈10萬(wàn)臺(tái)，被廣泛應(yīng)用

于機(jī)床上下料、沖壓機(jī)自動(dòng)化生產(chǎn)線、自動(dòng)裝配流水線、碼垛搬運(yùn)、集裝箱等的

自動(dòng)搬運(yùn)。部分發(fā)達(dá)國(guó)家已制定出人匚搬運(yùn)的最大限度，超過(guò)限度的必須由搬運(yùn)

機(jī)器人來(lái)完成。

倉(cāng)儲(chǔ)業(yè)是AGV最早應(yīng)用的場(chǎng)所。1954年世界上首臺(tái)AGV在美國(guó)的South

Carolina州的MercuryMotorFreight公司的倉(cāng)庫(kù)內(nèi)投入運(yùn)營(yíng)，用于

實(shí)現(xiàn)出入庫(kù)貨物的自動(dòng)搬運(yùn)。目前世界上約有2萬(wàn)臺(tái)各種各樣AGV運(yùn)行

在2100座大大小小倉(cāng)庫(kù)中。海爾集團(tuán)于2000年投產(chǎn)運(yùn)行的開發(fā)區(qū)立體

倉(cāng)庫(kù)中，9臺(tái)AGV組成了一個(gè)柔性的庫(kù)內(nèi)自動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)，成功地完成了

每天23400的出入庫(kù)貨物和零部件的搬運(yùn)任務(wù)。

AGV在制造業(yè)的生產(chǎn)線中大顯身手，高效、準(zhǔn)確、靈活地完成物料的搬運(yùn)任務(wù)。

并且可由多臺(tái)AGV組成柔性的物流搬運(yùn)系統(tǒng)，搬運(yùn)路線可以隨著生產(chǎn)工藝流程

的調(diào)整而及時(shí)調(diào)整，使一條生產(chǎn)線上能夠制造出十幾種產(chǎn)品，大大提高了生產(chǎn)

的柔性和企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。1974年瑞典的VolvoKalmar轎車裝配廠為了提高運(yùn)輸

系統(tǒng)的靈活性，采用基于AGVS為載運(yùn)工具的自動(dòng)轎車裝配線，該裝配線由多臺(tái)

可裝載轎車車體的AGVS組成，采用該裝配線后，裝配時(shí)間減少了20%裝配故

障減小39%,投資回收時(shí)間減小57%,勞動(dòng)力減小了5%。目前，AGV在世界的主

要汽車廠，如通用、豐田、克萊斯勒、大眾等汽車廠的制造和裝配線JL得到了普

遍應(yīng)用。近年來(lái)，作為CIMS的基礎(chǔ)搬運(yùn)工具，AGV的應(yīng)用深入到機(jī)械加工、家

電生產(chǎn)、微電子制造、卷煙等多個(gè)行業(yè)，生產(chǎn)加工領(lǐng)域成為AGV應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)

域。

在郵局、圖書館、碼頭和機(jī)場(chǎng)等場(chǎng)合，物品的運(yùn)送存在著作業(yè)量變化大，動(dòng)態(tài)性

強(qiáng)，作業(yè)流程經(jīng)常調(diào)整，以及搬運(yùn)作業(yè)過(guò)程單一等特點(diǎn)，AGV的并行作業(yè)、自動(dòng)

化、智能化和柔性化的特性能夠很好的滿足上式場(chǎng)合的搬運(yùn)要求。瑞典于1983

年在大斯得哥爾摩郵局、日本于1988年在東京多摩郵局、中國(guó)在1990年于上海

郵政樞紐開始使用AGV,完成郵品的搬運(yùn)工作。在荷蘭鹿特丹港口，50輛稱為

"yardtractors"的AGV完成集裝箱從船邊運(yùn)送到兒百碼以外的倉(cāng)庫(kù)這一重復(fù)

性工作。對(duì)于搬運(yùn)作業(yè)有清潔、安全、無(wú)排放污染等特殊要求的煙草、醫(yī)

藥、食品、化工等行業(yè)中，AGV的應(yīng)用也受到重視。在國(guó)內(nèi)的許多卷煙企業(yè)，如

青島頤中集團(tuán)、玉溪紅塔集團(tuán)、紅河卷煙廠、淮陰卷煙廠，應(yīng)用激光引導(dǎo)式AGV

完成托盤貨物的搬運(yùn)工作。在軍事上，以AGV的自動(dòng)駕駛為基礎(chǔ)集成其他探測(cè)和

拆卸設(shè)備，可用于戰(zhàn)場(chǎng)排雷和陣地偵察，英國(guó)軍方正在研制的MINDERRecce是

一輛偵察車，具有地雷探測(cè)、銷毀及航路驗(yàn)證能力的自動(dòng)型偵察車。在鋼鐵廠，

AGV用于爐料運(yùn)送，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。在核電站和利用核輻射進(jìn)行保鮮儲(chǔ)

存的場(chǎng)所，AGV用于物品的運(yùn)送，避免了危險(xiǎn)的輻射。在膠卷和膠片倉(cāng)庫(kù)，AGV

可以在黑暗的環(huán)境中，準(zhǔn)確可靠的運(yùn)送物料和半成品。

1.2搬運(yùn)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)

搬運(yùn)機(jī)器人在實(shí)際的工作中就是一個(gè)機(jī)械手，機(jī)械手的發(fā)展是由于它的積

極作用正日益為人們所認(rèn)識(shí)：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照

生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時(shí)間和位置來(lái)完成工件的傳送和裝卸；其三、

它能操作必要的機(jī)具進(jìn)行焊接和裝配，從而大大的改善了工人的勞動(dòng)條件，顯

著的提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。因而，受到

很多國(guó)家的重視，投入大量的人力物力來(lái)研究和應(yīng)用。尤其是在高溫、高壓、粉

塵、噪音以及帶有放射性和污染的場(chǎng)合，應(yīng)用的更為廣泛。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展,

制成了能夠獨(dú)立的按程序控制實(shí)現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用

機(jī)械手”，簡(jiǎn)稱通用機(jī)械手。由于通用機(jī)械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較

強(qiáng)，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。

機(jī)器人就是用機(jī)器代替人手，把工件由某個(gè)地方移向指定的工作位置：或

按照工作要求以操縱工件進(jìn)行加工。機(jī)器人一般分為三類。第一類是不需要人工

操作的通用機(jī)器人，也即本文所研究的對(duì)象。它是一種獨(dú)立的、不附屬于某一主

機(jī)的裝置.，可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項(xiàng)規(guī)定操作。它是除具備普

通機(jī)械的物理性能之外，還具備通用機(jī)械、記憶智能的三元機(jī)械。第二類是需要

人工操作的，稱為操作機(jī)(Manipulator)o它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過(guò)

操作機(jī)來(lái)完成特定的作業(yè)，后來(lái)發(fā)展到用無(wú)線電訊號(hào)操作機(jī)器人來(lái)進(jìn)行探測(cè)月

球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機(jī)也屬于這一范疇。第三類是專業(yè)機(jī)器人，主要附

屬于自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)生產(chǎn)線上，用以解決機(jī)床上下料和工件傳送。這種機(jī)器人在

國(guó)外通常被稱之為“MechanicalHand”，它是為主機(jī)服務(wù)的，由主機(jī)驅(qū)動(dòng)。除

少數(shù)外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。

機(jī)器人按照結(jié)構(gòu)形式的不同又可分為多種類型，其中關(guān)節(jié)型機(jī)器人以其結(jié)

構(gòu)緊湊，所占空間體積小，相對(duì)工作空間最大，甚至能繞過(guò)基座周圍的一里障

礙物等這樣一些特點(diǎn)，成為機(jī)器人中使用最多的一種結(jié)構(gòu)形式，世界一些著名

機(jī)器人的本體部分都采用這種機(jī)構(gòu)形式的機(jī)器人。

要機(jī)器人像人一樣拿取東西，最簡(jiǎn)單的基本條件是要有一套類似于指、腕、

臂、關(guān)節(jié)等部分組成的抓取和移動(dòng)機(jī)構(gòu)一一執(zhí)行機(jī)構(gòu)；像肌肉那樣使手臂運(yùn)動(dòng)的

驅(qū)動(dòng)一傳搬運(yùn)機(jī)器人在實(shí)際的工作中就是一個(gè)機(jī)械手，機(jī)械手的發(fā)展是由于它

的積極作用正日益為人們所認(rèn)識(shí)：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能

按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時(shí)間和位置來(lái)完成工件的傳送和裝卸；

其三、它能操作必要的機(jī)具進(jìn)行焊接和裝配，從而大大的改善了工人的勞動(dòng)條件,

顯著的提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。因而：受

到很多國(guó)家的重視，投入大量的人力物力來(lái)研究和應(yīng)用。尤其是在高溫、高壓、

粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場(chǎng)合，應(yīng)用的更為廣泛。在我國(guó)近幾年也有

較快的發(fā)展，并且取得一定的效果，受到機(jī)械工業(yè)的重視。機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式開

始比較簡(jiǎn)單，專用性較強(qiáng)。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨(dú)立的按程序控制

實(shí)現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機(jī)械手”，簡(jiǎn)稱通用機(jī)械手。

由于通用機(jī)械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強(qiáng)，所以它在不斷變換生產(chǎn)

品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。

機(jī)器人就是用機(jī)器代替人手，把工件由某個(gè)地方移向指定的工作位置：或

按照工作要求以操縱工件進(jìn)行加工。機(jī)器人一般分為三類。第一類是不需要人工

操作的通用機(jī)器人，也即本文所研究的對(duì)象。它是一種獨(dú)立的、不附屬于某一主

機(jī)的裝置，可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項(xiàng)規(guī)定操作。它是除具備普

通機(jī)械的物理性能之外，還具備通用機(jī)械、記憶智能的三元機(jī)械。第二類是需要

人工操作的，稱為操作機(jī)(Manipulator)o它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過(guò)

操作機(jī)來(lái)完成特定的作業(yè)，后來(lái)發(fā)展到用無(wú)線電訊號(hào)操作機(jī)器人來(lái)進(jìn)行探測(cè)月

球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機(jī)也屬于這一范疇。第三類是專業(yè)機(jī)器人，主要附

屬于自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)生產(chǎn)線上，用以解決機(jī)床上下料和工件傳送。這種機(jī)器人在

國(guó)外通常被稱之為“MechanicalHand”，它是為主機(jī)服務(wù)的，由主機(jī)驅(qū)動(dòng)。除

少數(shù)外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。

機(jī)器人按照結(jié)構(gòu)形式的不同又可分為多種類型，其中關(guān)節(jié)型機(jī)器人以其結(jié)

構(gòu)緊湊，所占空間體積小，相對(duì)工作空間最大，甚至能繞過(guò)基座周圍的一些隙

礙物等這樣一些特點(diǎn)，成為機(jī)器人中使用最多的一種結(jié)構(gòu)形式，世界一些著名

機(jī)器人的本體部分都采用這種機(jī)構(gòu)形式的機(jī)器人，

要機(jī)器人像人一樣拿取東西，最簡(jiǎn)單的基本條件是要有一套類似于指、腕、臂、

關(guān)節(jié)等部分組成的抓取和移動(dòng)機(jī)構(gòu)一一執(zhí)行機(jī)構(gòu)；像肌肉那樣使手臂運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)

-傳動(dòng)系統(tǒng)；像大腦那樣指揮手動(dòng)作的控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的性能就決定了機(jī)器

人的性能。一般而言，機(jī)器人通常就是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)一傳動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)

這三部分組成，如圖所示

圖IT機(jī)器人的一般組成

對(duì)于現(xiàn)代智能機(jī)器人而言，還具有智能系統(tǒng)，主要是感覺(jué)裝置、視覺(jué)裝置和語(yǔ)言

識(shí)別裝置等。目前研究主要集中在賦予機(jī)器人“眼睛”，使它能識(shí)別物體和躲避

障礙物，以及機(jī)器人的觸覺(jué)裝置。機(jī)器人的這些組成部分并不是各自獨(dú)立的，或

者說(shuō)并不是簡(jiǎn)單的疊加在一起，從而構(gòu)成一個(gè)機(jī)器人的。耍實(shí)現(xiàn)機(jī)器人所期望實(shí)

現(xiàn)的功能，機(jī)器人的各部分之間必然還存在著相互關(guān)聯(lián)、相互影響和相互制約。

它們之間的相互關(guān)系如圖-2所示。

圖1-2機(jī)器人各組成部分之間的關(guān)系

機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)一傳動(dòng)系統(tǒng)組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是機(jī)器人賴

以完成工作任務(wù)的實(shí)體，通常由連桿和關(guān)節(jié)組成，由驅(qū)動(dòng)一傳動(dòng)系統(tǒng)提供助力，

按控制系統(tǒng)的要求完成工作任務(wù)。

1.3搬運(yùn)機(jī)器人的未來(lái)

目前國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)械于主要用于機(jī)床加工、鑄鍛、熱處理等方面，數(shù)量、品種、性

能方面都不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。

因此，國(guó)內(nèi)土要是逐步擴(kuò)大機(jī)械于應(yīng)用范圍，重點(diǎn)發(fā)展鑄鍛、熱處理方面的

機(jī)械手，以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善作業(yè)條件。在應(yīng)用專用機(jī)械手的同時(shí)，相應(yīng)地發(fā)

展通用機(jī)械手，有條件的還要研制示教式機(jī)械手、計(jì)算機(jī)控制機(jī)械手和組合式機(jī)

械手等。

將機(jī)械手各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，如伸縮、擺動(dòng)、升降、橫移、俯仰等機(jī)構(gòu)，以及適于

不同類型的夾緊機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)成典型的通用機(jī)構(gòu)，以便根據(jù)不同的作業(yè)要求，選

用不用的典型部件，即可組成各種不同用途的機(jī)械手。精度，減少?zèng)_擊，定位精

確，以更好地發(fā)揮機(jī)械手的作用。此外還應(yīng)大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及

具有觸覺(jué)、視覺(jué)等性能地機(jī)械手，并考慮于計(jì)算機(jī)聯(lián)用，逐步成為整個(gè)機(jī)械制造

系統(tǒng)中的一個(gè)基本單元。既便于設(shè)計(jì)制造，又便于改換工作，擴(kuò)大了應(yīng)用的范

圍。同時(shí)要提高

在國(guó)外機(jī)械制造業(yè)中，工業(yè)機(jī)械手應(yīng)用較多，發(fā)展較快。目前主要用于機(jī)

床、模鍛壓力機(jī)的上下料，以及點(diǎn)焊、噴漆等作業(yè)中，它可按照事先制定的作業(yè)

程序完成規(guī)定的操作，但是還不具備任何傳感反饋能力，不能應(yīng)付外界的變化。

如發(fā)生某些偏離時(shí)，就將引起零部件甚至機(jī)械手本身的損壞。為此，國(guó)外機(jī)械手

的發(fā)展趨勢(shì)是大力研制具有某些智能的機(jī)械手，使其擁有一定的傳感能力，能

反饋外界條件的變化，做出相應(yīng)的變更。如位置發(fā)生稍些偏差時(shí)，即能更正,

并自行檢測(cè)，重點(diǎn)是研究視覺(jué)功能和觸覺(jué)功能。

視覺(jué)功能即在機(jī)械手上安裝有電視照相機(jī)和光學(xué)測(cè)距儀（即距離傳感器）以及衛(wèi)

星計(jì)算機(jī)。工作時(shí)，電視照相機(jī)將物體形象變成視頻信號(hào)，然后傳送給計(jì)算機(jī),

以便分析物體的種類、大小、顏色和方位，并發(fā)出指令控制機(jī)械手進(jìn)行工作。

觸覺(jué)功能即在機(jī)械手上安裝有觸覺(jué)反饋控制裝置。工作時(shí)機(jī)械手先伸出手

指尋找工件，通過(guò)裝在手指內(nèi)的壓力敏感元件產(chǎn)生觸感作用，然后伸向前方,

抓住工件。

手的抓力大小可通過(guò)裝在手指內(nèi)側(cè)的壓力敏感元件來(lái)控制，達(dá)到自動(dòng)調(diào)整

握力的大小?？傊S著傳感技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械手的裝配作業(yè)的能力將進(jìn)一步提

高。到1995年，全世界約有50%的汽車由機(jī)械手裝配。

現(xiàn)今機(jī)械手的發(fā)展更主要的是將機(jī)械手和柔性制造系統(tǒng)以及柔性制造單元

相結(jié)合，從而根本改變目前機(jī)械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。

第二章機(jī)械設(shè)計(jì)

2.1機(jī)械整體設(shè)計(jì)

對(duì)氣動(dòng)機(jī)械手的基本要求是能快速、準(zhǔn)確地拾放和搬運(yùn)物件?，這就要求它們

具有高精度、快速反應(yīng)、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度及在

任意位置都能自動(dòng)定位等特性。設(shè)計(jì)氣動(dòng)機(jī)械手的原則是:充分分析作業(yè)對(duì)象（工

件）的作業(yè)技術(shù)要求，擬定最合理的作業(yè)工序和工藝，并滿足系統(tǒng)功能要求和環(huán)

境條件；明確工件的結(jié)泡形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運(yùn)時(shí)的受力

特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進(jìn)一步確定對(duì)機(jī)械手結(jié)構(gòu)及運(yùn)行控制的要求；盡

量選用定型的標(biāo)準(zhǔn)組件，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)制造過(guò)程，兼顧通用性和專用性，并能實(shí)現(xiàn)

柔性轉(zhuǎn)換和編程控制。

本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手是氣動(dòng)上下料機(jī)械手，是一種適合于成批或中、小批生產(chǎn)

的、可以改變動(dòng)作程序的自動(dòng)搬運(yùn)或操作設(shè)備，它可用于操作環(huán)境惡劣，勞動(dòng)強(qiáng)

度大和操作單調(diào)頻繁的生產(chǎn)場(chǎng)合。

圖2-1四自由度搬運(yùn)機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1-步進(jìn)電機(jī)2-標(biāo)準(zhǔn)氣缸3-標(biāo)準(zhǔn)氣缸4-平行氣爪

圖2-2機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖

2.2各部件設(shè)計(jì)

搬運(yùn)機(jī)器人由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)二部分組成。

2.2.1執(zhí)行機(jī)構(gòu)

（1）手部

手部既直接與工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平動(dòng)型（多為何轉(zhuǎn)型，因其結(jié)

構(gòu)簡(jiǎn)單）。手部多為兩指（也有多指）；根據(jù)需要分為外抓式和內(nèi)抓式兩種；也可

以用負(fù)壓式或真空式的空氣吸盤（主要用于可吸附的，光滑表面的零件或薄板零

件）和電磁吸盤。

傳力機(jī)構(gòu)形式較多，常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪

齒條式、絲杠螺母式、彈簧式和重力式。本次設(shè)計(jì)的手部選擇夾持類回轉(zhuǎn)型結(jié)構(gòu)

手部。

本次設(shè)計(jì)的搬運(yùn)機(jī)器人手部執(zhí)行部件如圖2-3

圖2-3搬運(yùn)機(jī)器人手部執(zhí)行部件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

如圖2-2右圖的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，手部執(zhí)行依靠桿的伸縮運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)其張合運(yùn)動(dòng),

桿的動(dòng)力源來(lái)自后續(xù)驅(qū)動(dòng)源的液壓缸，該液壓缸采用的是伸縮式液壓缸，該液

壓缸能夠節(jié)省橫向的工作空間。

機(jī)器人的手部是機(jī)器人最重要的部件之一，從其功能和形態(tài)上看，分為工

業(yè)機(jī)器人的手部和類人機(jī)器人的手部。目前前者應(yīng)用較多，也較成熟，后者正在

發(fā)展中。

工業(yè)機(jī)器人的手部夾持器（亦稱抓取機(jī)構(gòu)）是用來(lái)握持工件或工具的部件,

由于被握持工件的形狀、尺寸、重量、材料及表面狀態(tài)的不同［4］。其手部結(jié)構(gòu)

也是多種多樣的，大部分的手部結(jié)構(gòu)都是根據(jù)特定的工件要求而專門設(shè)計(jì)的，

按握持原理的不同，常用的手部夾持器分為如下兩類：

1）夾持式：包括內(nèi)撐式與外夾式，常用的還有勾托式和彈簧式等。2）吸附式:

包括氣吸式與磁吸式等。

在設(shè)計(jì)機(jī)器人末端執(zhí)行器時(shí)，應(yīng)注意以下問(wèn)題：

1）機(jī)器人末端執(zhí)行器是根據(jù)機(jī)器人作業(yè)要求來(lái)設(shè)計(jì)的。一個(gè)新的末端執(zhí)行器的出

現(xiàn)，就可以增加一種機(jī)器人新的應(yīng)用場(chǎng)所。因此，根據(jù)作業(yè)的需要利人們的想象

力而創(chuàng)造的新的機(jī)器人末端執(zhí)行器，將不斷的擴(kuò)大機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域。

2）機(jī)器人末端執(zhí)行器的重量、被抓取物體的重量及操作力的總和機(jī)器人容許的負(fù)

荷力。因此，要求機(jī)器人末端執(zhí)行器體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊。

3）機(jī)器人末端執(zhí)行器的萬(wàn)能性與專用性是矛盾的。萬(wàn)能末端執(zhí)行器在結(jié)構(gòu)上很復(fù)

雜，甚至很難實(shí)現(xiàn)，例如，仿人的萬(wàn)能機(jī)器人靈巧手，至今尚未實(shí)用化。因?yàn)檫@

種萬(wàn)能的執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜且造價(jià)昂貴

（2）腕部

腕部是連接手部和臂部的部件，并可用來(lái)調(diào)節(jié)被抓物體的方位，以擴(kuò)大機(jī)械

手的動(dòng)作范圍，并使機(jī)械手變的更靈巧，適應(yīng)性更強(qiáng)。手腕有獨(dú)立的自由度。有

回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、上下擺動(dòng)、左右擺動(dòng)。一般腕部設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)再增加一個(gè)上下擺動(dòng)即

可滿足工作要求，有些動(dòng)作較為簡(jiǎn)單的專用機(jī)械手，為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，可以不設(shè)

腕部，而直接用臂部運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)手部搬運(yùn)工件。

目前，應(yīng)用最為廣泛的手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)液壓（氣）缸，它的結(jié)構(gòu)緊湊,

靈巧但回轉(zhuǎn)角度?。ㄒ话阈∮?70°），并且要求嚴(yán)格密封，否則就難保證穩(wěn)定

的輸出扭矩。因此在要求較大回轉(zhuǎn)角的情況下，采用齒條傳動(dòng)或鏈輪以及輪系結(jié)

構(gòu)。本次設(shè)計(jì)的搬運(yùn)機(jī)器人的腕部是實(shí)現(xiàn)手部180°的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

設(shè)計(jì)的搬運(yùn)機(jī)器人的腕部的運(yùn)動(dòng)為一個(gè)自由度的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)參數(shù)是實(shí)現(xiàn)

手部回轉(zhuǎn)的角度控制在0°~180。范圍內(nèi)，其基本的結(jié)構(gòu)形式如圖2-4所示。

—（R

圖2-4腕部回轉(zhuǎn)基本結(jié)構(gòu)示意

腕部的驅(qū)動(dòng)方式采用直接驅(qū)動(dòng)的方式，由于腕部裝在手臂的末端，所以必須設(shè)

計(jì)的十分緊湊可以把驅(qū)動(dòng)源裝在手腕上。機(jī)器人手部的張合是由雙作用單柱塞液

壓缸驅(qū)動(dòng)的；而手腕的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)則由回轉(zhuǎn)液壓缸實(shí)現(xiàn)。將夾緊活塞缸的外殼與擺

動(dòng)油缸的動(dòng)片連接在一起；當(dāng)回轉(zhuǎn)液壓缸中不同的油腔中進(jìn)油時(shí)即可實(shí)現(xiàn)手腕不

同方向的回轉(zhuǎn)。

（3）臂部

手臂部件是機(jī)械手的重要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工作或夾具），并

帶動(dòng)他們做空間運(yùn)動(dòng)。

臂部運(yùn)動(dòng)的目的：把手部送到空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)任意一點(diǎn)。如果改變手部的姿態(tài)

（方位），則用腕部的自由度加以實(shí)現(xiàn)。因此，一般來(lái)說(shuō)臂部具有三個(gè)自由度才

能滿足基本要求，即手臂的伸縮、左右旋轉(zhuǎn)、升降（或俯仰）運(yùn)動(dòng)。

手臂的各種運(yùn)動(dòng)通常用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（如液壓缸或者氣缸）和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn),

從臂部的受力情況分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的靜、動(dòng)載荷，而且

自身運(yùn)動(dòng)較為多，受力復(fù)雜。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大小

和定位精度直接影響機(jī)械手的工作性能。本次設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)臂部的上下移動(dòng)、前后伸

縮、以及臂部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。手臂的運(yùn)動(dòng)參數(shù):伸縮行程：1200mm；伸縮速度：83nim/s；

升降行程：300mm；升降速度：67mm/s；回轉(zhuǎn)范圍：0~180。。機(jī)器人手臂的

伸縮使其手臂的工作長(zhǎng)度發(fā)生變化，在圓柱坐標(biāo)式結(jié)構(gòu)中，手臂的最大工作長(zhǎng)

度決定其末端所能達(dá)到的圓柱表面直徑。伸縮式臂部機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)可采用液壓缸直

接驅(qū)動(dòng)。

（4）機(jī)座

機(jī)座是機(jī)身機(jī)器人的基礎(chǔ)部分，起支撐作用。對(duì)固定式機(jī)器人，直接聯(lián)接在地

面上，對(duì)可移動(dòng)式機(jī)器人，則安裝在移動(dòng)結(jié)構(gòu)上。機(jī)身由臂部運(yùn)動(dòng)(升降、平移、

回轉(zhuǎn)和俯仰)機(jī)構(gòu)及其相關(guān)的導(dǎo)向裝置、支撐件等組成。并且，臂部的升降、回

轉(zhuǎn)或俯仰等運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置或傳動(dòng)件都安裝在機(jī)身上。臂部的運(yùn)動(dòng)越多，機(jī)身的

結(jié)構(gòu)和受力越復(fù)雜。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的搬運(yùn)機(jī)器人的機(jī)身選用升降回轉(zhuǎn)型機(jī)身結(jié)

構(gòu)；臂部和機(jī)身的配置型式采用立柱式單臂配置，其驅(qū)動(dòng)源來(lái)自回轉(zhuǎn)液壓缸。

2.2.2驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是搬運(yùn)機(jī)器人的重要組成部分。根據(jù)動(dòng)力源的不同，工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)大致

可分為液壓、氣動(dòng)、電動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)等四類。

液壓驅(qū)動(dòng)壓力高，可獲得大的輸出力，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，維修

方便，但是，液壓元件成本高，油路比較復(fù)雜。氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)壓力低，輸出力較小如

需要輸出力大時(shí)，其結(jié)構(gòu)尺寸過(guò)大，阻尼效果差低速不易控制，但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，

能源方便，成本低。電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)有：異步電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力源，電動(dòng)機(jī)

使用簡(jiǎn)單，且隨著材料性能的提高，電動(dòng)機(jī)性能也逐漸提高。本次設(shè)計(jì)的搬運(yùn)機(jī)

器人的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用液壓驅(qū)動(dòng)的方式。

2.2.3控制機(jī)構(gòu)

考慮到機(jī)械手的通用性，同時(shí)使用點(diǎn)位控制，因此我們采用可編程序控制器

(PLC)對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制。當(dāng)機(jī)械手的動(dòng)作流程改變時(shí)，只需改變PLC程序即可

實(shí)現(xiàn)，非常方便快捷。

第三章電氣設(shè)計(jì)

3.1電氣控制整體設(shè)計(jì)

包括主電路和控制電路的設(shè)計(jì)。主電路由兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)，即慢速電機(jī)和快速電機(jī),

分別拖動(dòng)小車慢行和快行，其控制如下：慢速電動(dòng)機(jī)Ml由接觸器KM1.KM2分別

控制其正傳和反轉(zhuǎn)；快速電動(dòng)機(jī)M2由接觸器KM3和KM4分別控制其正傳和反轉(zhuǎn)。

機(jī)械手的夾緊放松動(dòng)作是由一單電兩位四通電磁閥控制的一個(gè)液壓缸完成的，

在通電情況下，機(jī)械手松開，得電時(shí)松開，可以防止在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中突然斷

電導(dǎo)致的機(jī)械手松開，工件脫落的情況發(fā)生

整體控制圖

圖3-1（主電路順序起動(dòng)控制電路圖）、

圖3-2（控制電路的順序控制電路圖）

3.2電器分部設(shè)計(jì)

3.2.1電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進(jìn)電機(jī)件。

在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù),

而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電

機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角

度一步一步運(yùn)行的。可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位

的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到

調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)流行于20世紀(jì)70年代，70年代中期以后多用寬調(diào)速直

流伺服電機(jī)，進(jìn)入80年代以來(lái)，交流伺服電機(jī)調(diào)速技術(shù)取得了突破性進(jìn)

展，并大舉進(jìn)入電氣傳動(dòng)調(diào)速控制的各個(gè)領(lǐng)域，占據(jù)了絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。但是，步

進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、容易控制、維修方便，而且隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)為發(fā)

展，其驅(qū)動(dòng)控制除功率放大電路外，都可以由軟件實(shí)現(xiàn)。因此，本設(shè)計(jì)選用

步進(jìn)電機(jī)來(lái)帶動(dòng)氣缸的回轉(zhuǎn)

步進(jìn)電機(jī)是一種感應(yīng)電機(jī)，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成

分時(shí)供電的，多相時(shí)序控制電流，用這種電流為步進(jìn)電機(jī)供電，步進(jìn)電機(jī)才能

正常工作，驅(qū)動(dòng)器就是為步進(jìn)電機(jī)分時(shí)供電的，多相時(shí)序控制器

雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能象普通的直流電機(jī)，交

流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)

方可使用。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等

許多專業(yè)知識(shí)。

步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)犍產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用在各種

自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱

增，在各個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。

步進(jìn)電機(jī)具有如下特點(diǎn)

1）一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3-5%,且不累積。2）步進(jìn)電機(jī)外表允

許的最高溫度。

步進(jìn)電機(jī)溫度過(guò)高首先會(huì)使電機(jī)的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至

于失步，因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)；一

般來(lái)講，磁性材料的退磁點(diǎn)都在攝氏130度以上，有的甚至高達(dá)攝氏200度以上,

所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏80-90度完全正常。

3）步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。

當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)；頻率越高,

反向電動(dòng)勢(shì)越大。在它的作用下，電機(jī)隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從

而導(dǎo)致力矩下降。

4）步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但若高于一定速度就無(wú)法啟動(dòng),并伴有嘯

叫聲

3.3軟件設(shè)計(jì)

3.3.1PLC的主要特點(diǎn)

（1）高可靠性

a）所有的I/O接口電路均采用光電隔離，使工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的外電路與PLC內(nèi)部電路之

間電氣上隔離。

b）各輸入端均采用R-C濾波器，其濾波時(shí)間常數(shù)一般為10~20小。（3）各模塊均

采用屏蔽措施，以防止輻射干擾。

c）采用性能優(yōu)良的開關(guān)電源。d）對(duì)采用的器件進(jìn)行嚴(yán)格的篩選。

。）良好的自診斷功能，一旦電源或其他軟，硬件發(fā)生異常情況，CPU立即采用有

效措施，以防止故障擴(kuò)大。

f）大型PLC還可以采用由雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)或有三CPU構(gòu)成表決系統(tǒng)，使可靠

性更進(jìn)一步提高。

（2）豐富的I/O接口模塊PLC針對(duì)不同的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，如：交流或直流；開

關(guān)量或模擬量；電壓或電流；脈沖或電位；強(qiáng)電或弱電等。有相應(yīng)的I/O模塊與

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的器件或設(shè)備，如：按鈕；行程開關(guān)；接近開關(guān)；傳感潛及變送器：電

磁線圈；控制閥等直接連接。

（3）采用模塊化結(jié)構(gòu)為了適應(yīng)各種工業(yè)控制需要，除了單元式的小型PLC以外,

絕大多數(shù)PLC均采用模塊化結(jié)構(gòu)。PLC的各個(gè)部件，包括CPU,電源，I/O等均

采用模塊化設(shè)計(jì)，由機(jī)架及電纜將各模塊連接起來(lái)，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據(jù)

用戶的需要自行組合。

（4）編程簡(jiǎn)單易學(xué)PLC的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形

式，對(duì)使用者來(lái)說(shuō)，不需要具備計(jì)算機(jī)的專門知識(shí)，因此很容易被一般工程技

術(shù)人員所理解和掌握。

（5）安裝簡(jiǎn)單，維修方便PLC不需要專門的機(jī)房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下

直接運(yùn)行。使用時(shí)只需將現(xiàn)場(chǎng)的各種設(shè)備與PLC相應(yīng)的I/O端相連接，即可投入

運(yùn)行。各種模塊上均有運(yùn)行和故障指示裝置，便于用戶了解運(yùn)行情況和查找故

障。由于采用模塊化結(jié)構(gòu)，因此一旦某模塊發(fā)生故障，用戶可以通過(guò)更換模塊的

方法，使系統(tǒng)迅速恢復(fù)運(yùn)行

3.3.2PLC的發(fā)展階段

雖然PLC問(wèn)世時(shí)間不長(zhǎng)，但是隨著微處理器的出現(xiàn)，大規(guī)模，超大規(guī)模集成

電路技術(shù)的迅速發(fā)展和數(shù)據(jù)通訊技術(shù)的不斷進(jìn)步，PLC也迅速發(fā)展，其發(fā)展過(guò)程

大致可分三個(gè)階段：

1）早期的PLC（60年代末一70年代中期）早期的PLC一般稱為可編程邏輯控

制器。這時(shí)的PLC多少有點(diǎn)繼電器控制裝置的替代物的含義，其主要功能只是執(zhí)

行原先由繼電器完成的順序控制，定時(shí)等。它在硬件上以準(zhǔn)計(jì)算機(jī)的形式出現(xiàn)，

在I/O接口電路上作了改進(jìn)以適應(yīng)工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)的要求。裝置中的器件主要采用

分立元件和中小規(guī)模集成電路，存儲(chǔ)器采用磁芯存儲(chǔ)器。其中PLC特有的編程語(yǔ)

言一梯形圖一直沿用至今。

2）中期的PLC（70年代中期一80年代中，后期）在70年代，微處理器的出現(xiàn)

使PLC發(fā)生了巨大的變化。美國(guó)，日本，德國(guó)等一些廠家先后開始采用微處理器

作為PLC的中央處理單元（CPU）。這樣，使PLC得功能大大增強(qiáng)。在軟件方面.除

了保持其原有的邏輯運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)等功能以外，還增加了算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)處

理和傳送、通訊、自診斷等功能。在硬件方面，除了保持其原有的開關(guān)模塊以外,

還增加了模擬量模塊、遠(yuǎn)程I/O模塊、各種特殊功能模塊。并擴(kuò)大了存儲(chǔ)器的容

量，使各種邏輯線圈的數(shù)量增加，還提供了一定數(shù)量的數(shù)據(jù)寄存器，使PLC得

應(yīng)用范圍得以擴(kuò)大。

3）近期的PLC（80年代中、后期至今）進(jìn)入80年代中、后期，由于超大規(guī)模

集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，微處理器的市場(chǎng)價(jià)格大幅度下跌，使得各種類型的

PLC所采用的微處理器的當(dāng)次普遍提高。而旦，為了進(jìn)一步提高PLC的處理速度,

各制造廠商還紛紛研制開發(fā)了專用邏輯處理芯片。這樣使得PLC軟、硬件功能發(fā)

生了巨大變化

3.3.3系統(tǒng)輸入和輸出分配表

名稱輸入（輸出）名稱輸入（輸出）名稱輸入（輸出）

啟動(dòng)X0縮回限位XII手腕正轉(zhuǎn)Y5

下限位XI手腕反轉(zhuǎn)XI3小臂伸出Y6

夾緊工件X2底座反轉(zhuǎn)X10松開V7

上限位X3小臂縮回Y0

底座正傳X4下降Y1手腕反轉(zhuǎn)Y10

手腕正轉(zhuǎn)X5夾緊Y2底座反轉(zhuǎn)YH

伸出限位X6上升Y3停止XI2

手爪松開X7底座正轉(zhuǎn)Y4

圖3-3機(jī)械手傳送系統(tǒng)輸入和輸出點(diǎn)分配表

3.3.4plc的選擇

可編程邏輯控制器（PLC）是在工業(yè)環(huán)境中使用的數(shù)字操作的電子系統(tǒng)，又稱

可編程控制器。它使用可編程存儲(chǔ)器存儲(chǔ)用戶設(shè)計(jì)的程序指令，這些指令用來(lái)實(shí)

現(xiàn)邏輯運(yùn)算、順序操作、定時(shí)、計(jì)數(shù)及算術(shù)運(yùn)算和通過(guò)數(shù)字或模擬輸入/輸出來(lái)

控制各種機(jī)電一體化程序，可變、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、功能強(qiáng)、體積小、

耗電低，特別是易于控制、價(jià)格便宜等特點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

PLC的按以下方式選擇：1）I/O點(diǎn)數(shù)的估算

根據(jù)分析的結(jié)果，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)估算，F(xiàn)1-40系列選擇主機(jī)I/O點(diǎn)數(shù)為13/10。2）

容量計(jì)算

內(nèi)存容量指的是用戶程序的容量。最大I/O點(diǎn)數(shù)為120,一般指令的條數(shù)為I/O

點(diǎn)數(shù)的10-12倍左右，PLC的容量不得小于此要求。

根據(jù)所選的PLC1N-40系列的內(nèi)部元件及輸入輸出的相關(guān)元件、設(shè)備，編制出I/O

外