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1、 機電一體化課程設計 碼垛機器人 課程名稱： 機電一體化 課題名稱： 五自由度小型碼垛機器人 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 班 級： 小組成員： 指導教師： 課設時間： 2016年1月

2、 目錄 摘要………………………………………………………………………………………………………1 第一章 背景介紹 2 第二章 機械結(jié)構(gòu)總體設計 4 2.1總體設計要求 4 2.2機械部分總體結(jié)構(gòu) 4 2.3電機的選擇 6 2.4底座的設計 7 2.5腰部的設計 10 2.6臂部的設計 12 2.6.1大臂的設計與校核 12 2.6.2小臂的設計與校核 14 2.7腕部的設計 16 2.8其他零件的設計與選擇 18 第三章 控制系統(tǒng)設計 23 第四章 運動分析 28 4.1 運動軌跡分析………………

3、…………………………………28 4.2 運動函數(shù)分析…………………………………………………29 參考文獻 31 摘要 近年來,機器人技術發(fā)展非常迅速,各種用途的機器人在各個領域得到廣泛的應用。于此同時,碼垛技術也獲得了飛速發(fā)展,尤其是機器人碼垛發(fā)展更為迅猛,這種發(fā)展趨勢是與當今制造領域出現(xiàn)的多品種小批量的發(fā)展趨勢相適應的。本文圍繞一個小型碼垛機器人進行設計和分析。 首先根據(jù)設定的工作要求確定機器人的各項基本技術指標,為機器人的結(jié)構(gòu)設計提供依據(jù)。在參考多種相關機器人的基礎上,設計了機器人的整體方案和機械結(jié)構(gòu),碼垛機器人是四自由度機器人,所有關節(jié)均采用轉(zhuǎn)動關節(jié),

4、確定了采用舵機傳動的方案。通過計算對機器人進行受力分析,目的是為了檢驗設計的機器人結(jié)構(gòu)在強度和剛度上是否能夠滿足工作的要求。本課程設計將設計四自由度的抓取聽裝可樂小型簡單碼垛機器人。 關鍵詞 ：碼垛機器人 機器人技術 動態(tài)性能 第一章 背景介紹 自20世紀80年代，我國碼垛機器人在國家支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國在機器人領域取得了很大成就。按機器人的發(fā)展過程，分為三代機器人。第一代機器人，具有視角再現(xiàn)功能或具有可編程的NC裝置，但對外部信息不具備反饋能力;第二代機器人，不僅具有內(nèi)部傳感器，能獲取外部環(huán)境信息

5、。雖然沒有應用人工智能技術，但是能進行機器人環(huán)境交互，具有在線適應能力；第三代機器人，具有多種智能傳感器，能感知和領會外部環(huán)境信息。目前碼垛機器人的應用主要在以下兩個方面。惡劣工作環(huán)境，危險工作場合，這個領域的作業(yè)是一種有害于健康，并危及生命或不安全因素很大而不宜與人去干的作業(yè)。例如在沖床上下料、采礦、鍛造等。 在自動化生產(chǎn)領域，碼垛機器人可用來上下料、碼垛、卸貨以及抓取零件重新定向等作業(yè)。一個簡單抓放作業(yè)機器人只需要較少的自由度，一個給零件定向作業(yè)的機器人要求具有更多的自由度，增加其靈巧性。工業(yè)機器人具有減少勞動力費用、提高生產(chǎn)效率、改進產(chǎn)品質(zhì)量、增加制造過程的柔性、減少材料浪費、控制和加

6、快庫存的周轉(zhuǎn)、降低成本、消除危險和劣勢的勞動崗位。目前工業(yè)機器人的開發(fā)正處在一個蓬勃發(fā)展的階段，在先進的工業(yè)發(fā)達國家里，工業(yè)機器人的開發(fā)與制造正在形成一個龐大的產(chǎn)業(yè)，全世界每年的工業(yè)機器人銷售額可達42億美元。盡管如此，工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)仍在不斷拓展，不斷向新的領域進軍。我國工業(yè)機器人的應用前景十分寬廣。但是，由于我國工業(yè)基礎比較薄弱，勞動力比較豐富、低廉，給工業(yè)機器人的發(fā)展和應用。工業(yè)機器人功能部件的標準化與模塊化是提高機器人的運動精度，運動速度，降低成本和提高可靠性的重要途徑。近幾年各國注重發(fā)展組合式工業(yè)機器人。它是采用標準化的模塊件或組合件拼裝而成。除了工業(yè)機器人用的各種伺服電機，傳感器外，

7、手臂、手腕和機身也已標準化。隨著機器人作業(yè)精度的提高和作業(yè)環(huán)境的復雜變化，急需開發(fā)新型的微動機構(gòu)來保證機器人的動作精準度，開發(fā)多關節(jié)，多自由度的手臂和手指及星星的行走機構(gòu)，以適應日益復雜的作業(yè)需求。 第二章 機械結(jié)構(gòu)總體設計 2.1總體設計要求 本文研究的機器人為小型碼垛機器人，旨在讓其在桌面進行工作。其工作過程簡單描述為：無論工作前處于什么狀態(tài)，工作開始后回到原位，對桌面上的聽裝可樂等物體進行抓取，通過腰部旋轉(zhuǎn)放到指定位置。工作范圍半徑350mm圓內(nèi)，垂直方向的極限位置300mm。 2.2機械部分總體結(jié)構(gòu) 本文設計的機器人的機械結(jié)構(gòu)主

8、要部分由底座、大臂、小臂、腕部和手爪裝置組成（如圖2-2-1所示）。底座是機器人的基礎部分，執(zhí)行機構(gòu)和驅(qū)動裝置都安裝在底座上。大臂和小臂是執(zhí)行機構(gòu)中的主要運動部件，用來支撐腕關節(jié)和手部，并使它們在工作空間內(nèi)運動。腕部是聯(lián)結(jié)手臂與手爪的部件，用于調(diào)整手爪的方向和姿態(tài)。手爪裝置一般指夾持裝置，主要用來傳遞工作。 圖2-2-1 碼垛機器人整體結(jié)構(gòu)圖 圖2-2-2 碼垛機器人線形圖 圖2-2-3 碼垛機器人結(jié)構(gòu)簡圖 2.3電機的選擇 機器人的驅(qū)動可分為氣壓驅(qū)動、液壓驅(qū)動及電機驅(qū)動等多種方式,它們各自的優(yōu)缺點不同,適用范圍也不同。 氣壓驅(qū)動能源成本較低,機械結(jié)構(gòu)

9、簡單,但是定位精度比較差。 液壓驅(qū)動輸出力可在很大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié),定位精度比較高,但是對溫度變化敏感,油液易泄露,噪聲比較大。 電機驅(qū)動機器人的效率比較高,運動速度以及位姿準確度超過啟動及液壓驅(qū)動,噪聲和污染都比較小。 綜上所述,根據(jù)實際的需要,本機器人選用電機驅(qū)動。 目前機器人電機主要有以下幾種 1） 步進電機：可直接實現(xiàn)數(shù)字控制,控制結(jié)構(gòu)簡單,控制性能好,成本低廉通常不需要反饋就能對位置和速度進行控制位置誤差不會積累。步進電機具有自鎖能力和保持轉(zhuǎn)矩的能力,適用于傳動效率不大的關節(jié)或小型機器人。 2） 直流伺服電機具有良好的調(diào)速特性,較大的啟動力矩,相對功率大及快速響應等特點,并且

10、控制技術成熟。但其結(jié)構(gòu)比較復雜,成本較高。 3） 交流伺服電機結(jié)構(gòu)簡單,運行可靠,使用維修方便,價格較為昂貴。 4） 舵機：角度可以保持在驅(qū)動當中，穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)緊湊，易于安裝，控制簡單，大扭力，成本低。 結(jié)合機器人的要求,本文選用舵機，舵機結(jié)構(gòu)如圖2-3-1所示。 圖2-3-1 舵機結(jié)構(gòu)圖 考慮到所需舵機的各方面要求，我們選取型號為SM-S4303R的6V舵機，具體參數(shù)如下表： 表2-3-1 2.4底座的設計 底座材料選擇聚甲醛。聚甲醛是一種表面光滑、有光澤的硬而致密的材料，淡黃或白色，薄壁部分呈半透明，強度、剛度高，彈性好，減磨耐磨性好。其力學性能優(yōu)異，比強度可達5

11、0.5MPa，比剛度可達2650MPa，與金屬十分接近。 碼垛機器人的底座承載了整個機身的重量，以及底座本身內(nèi)部裝有舵機等，考慮到自身的剛度和強度，又結(jié)合經(jīng)濟性和重量限制外形等因素，綜合考慮，設計底座結(jié)構(gòu)如圖2-4-1所示： 圖2-4-1 碼垛機器人底座結(jié)構(gòu)圖 底座零件圖如下： 圖2-4-2 底座主視圖 圖2-4-3 底座左視圖 圖2-4-4 底座俯視圖 2.5腰部的設計 圖2-5-1 腰部結(jié)構(gòu)圖 碼垛機器人的腰部結(jié)構(gòu)如圖2-6所示，腰部承載著大臂、小臂以及其他部件的重量，安裝在腰部一側(cè)的舵機用來實現(xiàn)大臂的前后運動。腰部的旋轉(zhuǎn)靠安裝

12、在底座中的舵機完成，舵機與腰部間的聯(lián)軸器通過鍵連接與腰部聯(lián)結(jié)。腰部中間部分設計成部分中空，目的是減輕機身重量。 腰部的三視圖如下： 圖2-5-2 腰部主視圖 圖2-5-3 腰部左視圖 圖2-5-4 腰部俯視圖 2.6臂部的設計 碼垛機器人的臂部主要由大臂、小臂及其他附件組成，考慮其運動特點及整體結(jié)構(gòu)質(zhì)量，材料選擇鋁合金6061。 鋁合金6061的力學性能： 極限抗拉強度為124 MPa，受拉屈服強度55.2 MPa，延伸率25.0 %，彈性系數(shù)68.9 GPa，彎曲極限強度228 MPa，泊松比0.330，疲勞強度 62.1 MPa，密度為2.8g/cm3。

13、 2.6.1大臂的設計與校核 1) 大臂的結(jié)構(gòu)設計 圖2-6-1 大臂結(jié)構(gòu)圖 大臂主要做前后的擺動動作，通過與腰部連接的電機實現(xiàn)，主要結(jié)構(gòu)如圖2-6-1所示，橫截面為矩形，一面與腰部相連，一面與小臂相連，此處舵機裝在大臂上，方便控制小臂的運動。具體尺寸如圖2-6-2和圖2-6-3所示。 圖2-6-2 大臂主視圖 圖2-6-3 大臂俯視圖 2) 大臂的彎曲強度校核 大臂受力方向與大臂夾角為53.74（45+8.74），此處受力分析取為60。 大臂的受力分析圖及彎矩圖如下： 圖2-6-4 大臂的受力分析及彎矩圖 大臂的體積估算為v=4220+π

14、222.8=195cm 大臂的質(zhì)量估算為m=ρv=2.8195=546g σmax=MX/WX=2G3sin60L/(bh2/6)+ G4sin60L/(bh2/6)=2（0.3+0.546）(1.732/2)9.810/(422/6)+ 0.546(1.732/2)9.810/(422/6)= 71.23MPa﹤[σ] ∴ 大臂的設計符合彎曲強度要求。 2.6.2小臂的設計與校核 1) 小臂的設計 圖2-6-5 小臂結(jié)構(gòu)圖 小臂的結(jié)構(gòu)相較于大臂稍簡單，兩端呈對稱結(jié)構(gòu)，如圖2-14所示，兩端分別與相應的舵機相連，除了與大臂相連的一端，另一端與腕部相連。 圖2-6-6

15、 小臂主視圖 圖2-6-7 小臂俯視圖 2) 小臂的彎曲強度校核 小臂的受力分析圖及彎矩圖如下： 圖2-6-8 小臂受力分析及彎矩圖 小臂的體積估算為v=4220+π222.8=195cm 小臂的質(zhì)量估算為m=ρv=2.8195=546g σmax=MX/WX=2G1L/(bh2/6)+ G2L/(bh2/6)=20.39.810/(422/6)+ 0.5469.810/(422/6)=42.12MPa﹤[σ] ∴ 小臂的設計符合彎曲強度要求。 2.7腕部的設計 圖2-7-1 腕部結(jié)構(gòu)圖 腕部的主要作用是利用舵機控制手爪的工作，并有自己的

16、工作范圍。主要結(jié)構(gòu)圖如圖2-7-1。 圖2-7-2 腕部主視圖 圖2-7-3 腕部左視圖 圖2-7-4 腕部俯視圖 2.8其他零件設計與選擇 （1）底座用吸盤的選擇： D≥（9800MS/πnp） 吸盤內(nèi)的真空度約為-67.15kpa D：需要的吸盤直徑（mm) 圖2.8.1 吸盤結(jié)構(gòu)圖 M：工件重量（KG） S：安全系數(shù)（水平起吊S=4，垂直起吊S=8） n：吸盤的個數(shù) P：真空壓力（-Kpa) 考慮到吸附工件的可吸附尺寸（面），所選的吸盤直徑應設定為大于根據(jù)目錄所得出的所需吸盤直

17、徑（D）。因為吸盤在吸附工件時會產(chǎn)生變形，所以吸盤的外徑大小要增大10%左右。求出的吸盤直徑如果超出目錄上的數(shù)值時，按2個以上計算。 帶入所需數(shù)據(jù)得出D≧16.7mm，根據(jù)需求選擇D=20mm的真空吸盤四個。 （2）底座與腰部連接軸一設計 圖2-8-2 軸一整體結(jié)構(gòu)圖 其設計尺寸如下圖所示： 圖2-8-3 軸一主視圖 圖2-8-4 軸一左視圖 （3）軸二的設計 圖2-8-5 軸二整體結(jié)構(gòu)圖 其設計尺寸如下圖所示： 圖2-8-6 軸二主視圖 圖2-8-7 軸二左視圖 本設計中，在腰部與大臂間、大臂與小臂間、小臂與腕部間均采用軸二連接。為了增加強

18、度與剛度，軸一與軸二均采用45號鋼材料設計加工。 （4）深溝球軸承6013 GB/T276-1994，結(jié)構(gòu)如下圖所示： 圖2-8-8 （5）推力球軸承51207 GB/T301-1995，結(jié)構(gòu)如下圖所示： 圖2-8-9 （6）螺釘M2x10、M2x7 GB/T818-2000 （7）鍵B4x4x16 GB/T1096-2003 （8）塞子的設計，如圖2-8-10所示： 圖2-8-10 此塞子采用聚甲醛材料設計，由于塞緊大臂、小臂與舵機軸連接處的通孔。 （9）舵盤選擇，其結(jié)構(gòu)如下圖所示： 圖2-8-11 舵盤整體結(jié)構(gòu)圖 此舵盤即是所謂的聯(lián)軸

19、器，與舵機配套，購買舵機時配有此舵盤，用于舵機與軸一、軸二的連接。 第三章 控制系統(tǒng)設計 考慮到本文選擇舵機為動力裝置，故選擇用51單片機編程控制。 圖3-1 單片機硬件接線圖 考慮到碼垛機器人的運動狀態(tài)，建立了主程序和幾個子程序，具體流程圖如下： 圖3-2 系統(tǒng)運動流程圖 圖3-3 內(nèi)部運行流程 （1）小臂伸縮子程序流程如圖3-4所示。P1.0為小臂收縮輸入端，P1.1為小臂伸出輸入端，P0.0，P0.1，P.0.2分別為小臂伸縮輸出端。 圖3-4 小臂前后運動流程圖 （2）大臂上下運動子程序流程圖如圖3-5所示。P1.2

20、為大臂下降輸入端，P1.3為大臂上升輸入端，P0.3，P0.4，P0.5分別為大臂上下輸出端。 圖3-5 大臂上下運動流程圖 （3）控制腰部旋轉(zhuǎn)時，P1.4為腰部左旋輸入端，P1.5為腰部右旋輸入端，P0.6，P0.7，P2.7分別為腰部左右旋輸出端，腰部左右旋子程序流程如圖3-6所示。 圖3-6 機體（腰部）左右轉(zhuǎn)動圖 （4）控制手爪的夾緊與放松中，P1.6為手爪抓緊輸入端，P1.7為手爪放松輸入端，P2.6為手爪輸出端，手爪子程序流程圖如圖3-7所示。 圖3-7 手爪夾緊放松流程圖 （5）在基于單片機碼垛機器人控制中P3.0為臂部啟動引腳，P3.1

21、為臂部停止引腳。 第四章 運動分析 4.1 運動軌跡分析 本設計軌跡分析主要基于計算機繪圖的幾何尺寸分析，其運動軌跡如圖4-1-1所示 圖4-1-1 運動軌跡圖 軌跡分析：本分析主要針對于豎直向下此段較難軌跡的分析。假設機器人初始位置為大臂AB與豎直方向夾角45度、小臂BC水平，腕部CD豎直，運動軌跡為D處的夾手豎直向下110毫米處夾取物體，設AB=200mm,BC=200mm，由圖4-1-1所示，機械夾手從D運動到D1處，既可簡化為從C點運動到C2點，以C2為原點半徑200做個圓，再以A為原點半徑200做個圓，得出兩圓交點，既圖中B1點，則當從C到C2時，必須同

22、時讓B到B1處，設兩臂的旋轉(zhuǎn)時間定為某一相等時間，則只需要知道兩臂各自的擺動角度即可得出兩臂的旋轉(zhuǎn)速度，而此兩個角度通過計算機繪圖仿真即可測出，如圖中所測。知道兩臂各自旋轉(zhuǎn)的角度，這時假設CD時不轉(zhuǎn)的，則CD被自然旋轉(zhuǎn)的角度為兩臂旋轉(zhuǎn)的角度和，于是在兩臂旋轉(zhuǎn)的同一時間內(nèi)將腕部CD反轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度大小為兩臂旋轉(zhuǎn)角度之和，如此即可保證腕部CD時刻處于豎直狀態(tài)。 4.2 運動函數(shù)分析 本次函數(shù)分析是基于UG運動仿真中的STEP函數(shù)進行分析，假設從D點運動到D1點處的時間為5秒，則此時可計算出A點處電機的速度為 Va=8.74/5s=1.748/s B點處電機的

23、速度為 Vb=17.00/5s=3.4/s C點處電機的速度為 Vc=-25.74/5s=-5.148/s 由此可得出在這5秒內(nèi)控制各個電機的STEP函數(shù)為 A處電機： STEP( x, 0, 0, 0.001, 1.748)+STEP( x, 5, 0, 5.001, -1.748) B處電機： STEP( x, 0, 0, 0.001, 3.4)+STEP( x, 5, 0, 5.001, -3.4) C處電機： STEP( x, 0, 0, 0.001, -5.148)+STEP( x, 5, 0, 5.001, 5.148) 參考文獻 [1]劉濤.層碼垛機器人結(jié)構(gòu)設計及動態(tài)性能分析.蘭州理工大學碩士學位論文.2010.5. [2] 曹志民.四自由度碼垛機器人設計、承載能力分析與優(yōu)化研究.武漢科技大學碩士學位論文.2014.5. [3]吳宗澤，羅圣國.機械設計課程設計手冊（第三版）. [4]楊世明.機械設計（下冊）——機械零件設計.北京.電子工業(yè)出版社2014.1.