搬运机器人设计计算说明书(谭).docx

搬运机器人用于替代人工，将重复性、重体力和严苛环境中的转运环节所需的人员释放出来不同种 类、规格的机器人用途不一，应用侧重不一，按照我公司的开发方向，机器人需要达到以下目的：使用尽 量简单直接的结构设计、功能单一、操作方便、成本低廉、易于维护等通用性6 关节机器人多用于非常 规加工方面，例如焊接、激光切割、表面处理等，除要求位置精度外，对姿态的控制也有很直观的需要， 而且涉及到的学科较多，包括光电控制、电液驱动、精密加工、插补算法等，开发成本对于中小型企业来 说是非常沉重的负担，故而考虑到公司的具体情况，将会尽量的简化设计，选择提供单一功能的控制实现 途径，预留升级和换代的必要空间1 基本要求此搬运机器人将用于墙材（砖）的拆垛和码垛，将用于3 种砖型及其对应的3~4 种垛型的取料、转运 和码放等过程具体见下表：砖型外形垛型备注标砖240*115*53mm足厚取50mm720*720*1380mm960*960*1380mm小标200*100*50mm本次设计初始任务为720*720*1380mm垛型，见图1错误!未找到引用源图 1 参考垛型图1.1 工作任务定点取砖、转运、并码成实心垛1.2 本体构造工业用6关节机器人本体可以分为两个部分：第1~3 关节用于机器人精确定位，第4~6关节用于机器 人的姿态控制。

搬运机器人末端执行器（下文称为手爪）的姿态只需要一种，即：◊ 垂直取放：手爪基准面垂直于Z轴；◊ 侧面取放：手爪基准面垂直于X或Y轴；如不考虑手爪自身的运动和控制方式，正常情况下机器人本体（下文称为本体）只需要4个关节 1.3控制方式单活动关节一般需要一套执行部件（电机、减速机、驱动器）本次设计的本体将已720*720*7380mm 的砖垛进行分析、测试和复核的等计算过程，并采用垂直取放形式第1~3关节均需要独立的执行部件， 第4关节可以采用平面四杆机构对手爪姿态进行限制，即，第4关节将作为一个被动关节进行设计，而不 再需要单独的执行部件本体定位和手爪姿态需要联控，而手爪动作则是本体就位之后的环节要实现预期的功能，需考虑下图中注明的2个问题）2工作空间开放式的工作方式对本体限制最少，能够尽量减少高速联动对本体的影响，并且可以降低误差插补的 难度，而实际的应用中，机器人的工作总是会受到一定的限制，例如设备排布、人员安全、厂房条件等 作为一台墙材搬运用途的机器人，场地和设备的限制对机器人很少，可以忽略不计，人员安全方面可以通 过设置安全工作区域、警示标志、安全教育等达到一定的效果出于成本方面的考虑，不单独设计安全系 统。

安全工作区域则参考通用型工业机器人的设置进行设计2.1图解法本体包含3个主动关节和1个被动关节，被动关节对工作空间的形成没有影响若本体基座高h，大臂长l，小臂长l，机身回转角0的范围为卜,Y ］，大臂俯仰角0的范围为1 2 1 1 2 29 ,a ］，小臂俯仰角0的范围为D,p ］本体工作空间的边界曲线见下：1 2 3 1 21） 在xOz平面内的边界曲线是由工作空间与过z轴的轴平面相交，以其轴截面的形状表示，见图2 中xOz部分；a） 当大臂处于左极限位置，小臂有上极限摆到下极限位置，形成圆弧S ；1b） 当大臂处于右极限位置，小臂有上极限摆到下极限位置，形成圆弧S ；2c） 当小臂处于下极限位置，大臂由左极限位置摆到右极限位置，形成圆弧S ；3d） 当小臂处于上极限位置，大臂由左极限位置摆到右极限位置，形成圆弧S ；42） 在xOy平面内的边界曲线是由工作空间中离z轴最远点和最近点旋转而成，见图2xOy平面部 分以参考垛型（图 2 中虚线部分）为例，工作空间必须能够完全覆盖取料区域、转运区域和放料区域 取料区域为上道工序的末端，将会以单件、或多件的形式定点放置需要堆垛的砖块预设取料区域与放料区域沿z轴旋转角度差为90°、且取料区域包含于放料区域。

那么，xOy平面上的工作空间投影可以暂定 为±90° （此角度只决定于第1关节的旋转），即b，丫 LL90112用图解法可以很方便的计算出适用于最小工作空间的各参数值（见图 3）ao.70Xo0图 2 工作空间示意图图 3 工作空间初步计算3 动作规划机器人的动作过程见图 4图 4 机器人动作过程3.1 工作节拍机器人的工作效率可以从两方面进行核算，一是效率，二是成本此两个主要因素在规划阶段必须兼 顾，不同的使用环境和客户承受力导致会有不同的倾向具体的成本核算将在会穿插在后续的章节中进行 描述，目的是固定成本要少、运行费用少低、无障碍运行时间要长、维修费用要小初步估算为1 台机器人取代1 个搬运人员现场的人工计算方式很多，需要同时考虑人员的身体素质 人员的工作技巧和现场的工作环境，比较复杂现将其简化：人员作业范围为以腰部为轴、无需步行，在 180°范围内、半径为800mm搬运2块砖，人员不能过于劳累，需要保证工作的持续性预计时间不低于 3s,以3s计算，机器人工作时间为人员的2.5倍，即机器人工作节拍参考值可设置为7.5s将图 4 中的失效时间（即判断不能满足工作要求，如无砖、未正常取料、中途丢料等）忽略，设置附 属时间为：“取料判定”——.1s, “本体位置判定”——.1s, “取料状况判定”——.1s, “放料状况判定” ――0.1s， “下道工序判定” 一一.1s，控制系统判定所需总时间=0.6s； “手爪取料” 一一.3s, “手爪放料” 0.3s，执行器工作时间=0.6s；本体移动时间=7.5-0.6-0.6=6.3s,对于非循迹工作的机器人而言，预设去程 和回城路径一致、方向相反，在轻载状况下，可以认为两段时间相等，即本体就位时间（去程）=本体转移时间（回程）=3.15s。

3.2本体自由度运动在试验验证海绵吸盘作为手爪拾取机构之前，手爪拾取机构为气动夹具，手爪姿态为见图5图5手爪拾取示意图以图5中的手爪姿态为基础，“本体就位”过程可分为三个步骤：垂直提升（沿z轴向上）----＞大范围 转移-—＞垂直下降此三个阶段分别设定工作时间为o.3s、2.55s、0.3s其中，1关节在极限位置的关节角 最大（约114°）,见图6可以初步设定1关节最大运动速度＞114° /2.55s/2=89.4° /s按照机器人的工作 方式（无论是否三轴联动），其他关节的空间角度和关节速度都小于1关节,即暂时可以将，可以暂时将89.4° /s作为最高参考速度纳入校核范围取料台图 61 关节极限位置图4 轨迹计算现在可以对具体的结构进行计算，并对前面章节中设定关节参数和工作空间范围进行校核4.1 运动学分析一般使用D-H方法来描述相邻杆件间的运动关系，使用4x4的齐次变换矩阵来描述基于关节本身建立坐标系的相互关系一般的4 关节机器人只需要建立5个坐标系，由于本体中增加的平面四杆机构、即增加了一个被动关节，此搬运机器人需要建立5个坐标系参考坐标系（或叫基坐标系）为Oxyz 第.关节 ，第 i 关节对应的坐标系为-1 Xi-1 -1 Zi-1。

坐标系建立规则如下：zz◊ 确定i轴：i轴沿关节i+1的轴向O O z z◊ 确定原点i: i在过i-1和i轴的公法线上◊ 确定Xi轴：Xi轴过Zi-1和Zi轴的公法线方向，从Zi-1指向Zi轴◊ 确定y轴：y = z x%，遵从右手定则i i i i描述坐标间相互关系的关节变量/参数为：◊ 0 :绕z轴（右手定则）由x向x轴的关节角；i i-1 i-1 i◊ d :从第i-1坐标系的原点到z轴和x的交点沿z轴的距离；i i -1 i i -1◊ a :从z到x的交点到第i坐标系原点沿%轴的偏置距离（即z和z两轴间的最小距离）；i i-1 i i i-1 i◊ a :绕x轴（右手定则）由z轴转向z轴的偏角i i i-1 i坐标系见图 7图 7D-H 坐标系i坐标系和i —1坐标系的齐次变换矩阵：将第i个坐标系表示的点厂在i -1坐标系中表示，需建立i坐标系和i -1坐标系的齐次变换矩阵，需经 i过以下变换：1） 将坐标系o严y』绕z转e角，使x轴与x轴平行并指向同一方向；i—1 i—1 i—1 i—1 i —1 i i —1 i2） 将坐标系O x y z沿z平移d.，使x轴与Ox.yz.的x轴重合；i—1 i—1 i—1 i—1 i —1 i i —1 i i i i i3） 将坐标系O x y z沿x轴平移距离a，使两坐标系的原点重合；i—1 i—1 i—1 i—1 i —1 i4） 将坐标系O x y z绕x轴转«角，使两坐标系完全重合。

i—1 i—1 i—1 i—1 i —1 i从而，i坐标系和i-1坐标系的齐次变换矩阵i-1A可以根据矩阵的合成规则得到，i-1A称为相邻坐标系 iii和i -1的D-H变换矩阵D-H 变换矩阵如下：i-i A = R T T Ri z ,9 z ,dcos0isin 9= i00cos9isin 9= i00x ,a x-sin 9 0 0icos9 0 0i0 1 00 0 1-cos a sin 9iicosa cos9ii sinai010 0 00 10 00 0 1 di0 0 0 1sina sin9ii- sina cos9iicosai01 0 00 1 0001000a cos9iia sin 9iidi00cosasinai000- sina 0cosa 0i01对于在第i坐标系中的点P在第i-1坐标系中表示为：P =i-1AP i i -1 i i关节参数见表 1。