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搬运机器人的设计方案大全

2019-05-21 浏览量:7

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  下面主要对搬运机器人的机械部分展开讨论,对原有的机械结构提出了新的改进方法,并把现在的新技术应用到本课题中,从而使得搬运机器人更加适用于现在的工业工作环境。通过详细了解搬运机器人在工业上的应用现状,提出了具体的搬运机器人设计要求,并根据搬运机器人各部分的设计原则,进行了系统总体方案设计以及包括:机器人的手部、腕部、臂部、腰部在内的机械结构设计。此搬运机器人的驱动源来自液压系统,执行元件包括:柱塞式液压缸、摆动液压缸、伸缩式液压缸等。通过液压缸的运动来实现搬运机器人的各关节运动,进而实现搬运机器人的实际作业。

  搬运机器人的组成

  搬运机器人由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。

  搬运机器人的设计原理

  该型搬运机器人为可移动门架式结构:

  手臂承载机构可沿着导轨进行移动,导轨安装与立柱上,位于被看管设备上方。

  该机器人共有五个自由度:

  1 手臂承载机构沿导轨移动,由安装于承载机构上的双作用气缸驱动装置,保证操作机手臂实现600mm的往复运动;

  2 手臂在肩关节中的转动,由安装于承载机构上的双作用气缸驱动装置,运动传递机构和安装于肩部的滚珠丝杠实现;

  3 手臂在肘关节中的转动,由安装于小臂上的双作用气缸驱动装置,运动传递机构实现;

  搬运机器人的总体设计的思路

  设计机器人大体上可分为两个阶段:

  1、系统分析阶段

  ①根据系统的目标,明确所采用机器人的目的和任务;

  ②分析机器人所在系统的工作环境;

  ③根据机器人的工作要求,确定机器人的基本功能和方案。如机器人的自由度、信息的存储量、计算机功能、动作精度的要求、所能抓取的重量、容许的运动范围、以及对温度、震动等环境的适应性。

  2、技术设计阶段

  ①根据系统的要求确定机器人的自由度和允许的空间工作范围,选择机器人的坐标形式;

  ②拟订机器人的运动路线和空间作业图;

  ③确定驱动系统的类型;

  ④选择各部件的具体结构,进行机器人总装图的设计;

  ⑤绘制机器人的零件图,并确定尺寸。

  搬运机器人的机械系统设计

  1搬运机器人的驱动方式

  机器人的方式有电动、液压和气动三种方式。一个机器人只有一种驱动方式,也可以有几种方式的联合。以下是三种驱动方式的特点:

  (1)液压传动。具有较大功率体积比,常用于大负载的场合;压力、流量均容易控制,可无级调速;反应灵敏,可实现连续轨迹控制,维修方便;但液体对温度变化敏感,油液泄漏易着火;中小型专用机械手或机器人都有应用,重型机械手多为液压驱动;液压元件成本较高,油路也比较复杂。

  (2)气压传动。气动系统简单,成本低,适合于节拍快、负载小且精度要求不高的场合,常用于点位控制、抓取、弹性握持和真空吸附,可高速,但冲击较严重,精确定位困难;维修简单,能在高温、粉尘等恶劣环境中使用,泄漏无影响;中小型专用机械手或机器人都有应用。

  (3)电动。有异步电机、直流电机、步进或伺服电机等电动驱动方式。适合于中等负载,特别是适合动作复杂、运动轨迹严格的工业机器人和各种微型机器人。

  2搬运机器人的关节驱动方式

  搬运机器人的关节驱动方式分为直接驱动和间接驱动两种方式。

  1).直接驱动

  直接驱动的机器人也叫DDR,一般指驱动电机通过机械接口直接与关节连接。关节直接驱动的特点是驱动电机和关节之间没有速度和转矩的转换。这种驱动方式具有一下特点:

  (1)机械传动精度高;

  (2)振动小,结构刚性好;

  (3)结构紧凑,可靠性高;

  (4)电机的重量会增加转动负担。

  2). 间接驱动

  大部分机器人是间接驱动方式。由于驱动器的输出转矩大大小于驱动关节所要求的转矩,所以必须要使用减速器。

  间接驱动的特点:

  (1)可以获得一个比较大的力矩;

  (2)可以减轻关节的负担;

  (3)可以把电机作为一个平衡质量;

  (4)增加了传动误差;

  (5)结构庞大。

  间接驱动方式的形式多样,一般通过钢丝、滑轮连杆等器件实现间接驱动。

  搬运机器人机械手

  工业机器人的手又称为末端执行器,它使机器人直接用于抓取和握紧(吸附)专用工具(如喷枪、扳手、焊具、喷头等)进行操作的部件。它具有模仿人手动作的功能,并安装于机器人手臂的前端。由于被握工件的形状、尺寸、重量、材质及表面状态等不同,因此工业机器人末端操作器是多种多样的,大致可分为以下几类:

  (1) 夹钳式取料手

  (2) 吸附式取料手

  (3) 专用操作器及转换器

  (4) 仿生多指灵巧手

  搬运机器人材料的选择

  选择机器人本体的材料,应从机器人的性能要求出发,满足机器人的设计和制造要求。一般搬运机器人材料的选择要遵循以下原则:

  (1)机器人的臂和机器人整体是运动的,则要求采用轻质材料。

  (2)精密机器人,则要求材料具有较好的刚性。

  (3)还要考虑材料的可加工性等。

  (4)机器人常用的材料有:碳素结构钢、铝合金、硼纤维增强合金、陶瓷等。

  搬运机器人的手部的设计

  1、手部的功能

  机器人的手部是机器人最重要的部件之一,从其功能和形态上看,分为工业机器人的手部和类人机器人的手部。目前前者应用较多,也较成熟,后者正在发展中。

  工业机器人的手部夹持器(亦称抓取机构)是用来握持工件或工具的部件,由于被握持工件的形状、尺寸、重量、材料及表面状态的不同。其手部结构也是多种多样的,大部分的手部结构都是根据特定的工件要求而专门设计的,按握持原理的不同,常用的手部夹持器分为如下两类:

  1)夹持式:包括内撑式与外夹式,常用的还有勾托式和弹簧式等。 2)吸附式:包括气吸式与磁吸式等。

  在设计机器人末端执行器时,应注意以下问题:

  1)机器人末端执行器是根据机器人作业要求来设计的。一个新的末端执行器的出现,就可以增加一种机器人新的应用场所。因此,根据作业的需要和人们的想象力而创造的新的机器人末端执行器,将不断的扩大机器人的应用领域。

  2)机器人末端执行器的重量、被抓取物体的重量及操作力的总和机器人容许的负荷力。因此,要求机器人末端执行器体积小、重量轻、结构紧凑。

  3)机器人末端执行器的万能性与专用性是矛盾的。万能末端执行器在结构上很复杂,甚至很难实现,例如,仿人的万能机器人灵巧手,至今尚未实用化。因为这种万能的执行器的结构复杂且造价昂贵。

  2、手部设计的基本要求:

  1)应具有适当的夹紧力和驱动力;

  2)手指应具有一定的开闭范围;

  3)应保证工件在手指内的夹持精度;

  4)要求结构紧凑,重量轻,效率高;

  根据任务要求并考虑到实际操作中手部的工作方式本次设计选择的手部夹持器为:双支点连杆杠杆式手部结构。

  3、手爪部分设计

  机械手部结构选择:

  设计手部时应该考虑的几个问题:

  具有足够的握力(即夹紧力)

  手指间应具有一定的开闭角

  应保证工件准确定位

  具有足够的强度和刚度

  应考虑被抓取对象的要求

  搬运机器人的腕部设计

  1、腕部设计的基本要求

  1)力求结构紧凑、重量轻

  腕部处于手臂的最前端,它连同手部的静、动载荷均由臂部承担。显然,腕部的结构、重量和动力载荷,直接影响着臂部的结构、重量和运转性能[5]。因此,在腕部设计时,必须力求结构紧凑,重量轻。

  2)结构考虑,合理布局

  腕部作为搬运机器人的执行机构,又承担连接和支撑作用,除保证力和运动的要求外,要有足够的强度、刚度外,还应综合考虑,合理布局,解决好腕部与臂部和手部的连接。

  3)必须考虑工作条件

  对于本次设计,搬运机器人的工作条件是在工作场合中搬运质量为20Kg的物体,因此不太受环境影响,没有处在高温和腐蚀性的工作介质中,所以对搬运机器人的腕部没有太多不利因素。

  2、腕部结构的选择

  典型的腕部结构

  a)具有一个自由度的回转驱动的腕部结构它具有结构紧凑、灵活等优点而被广腕部回转,总力矩M,需要克服以下几种阻力:克服启动惯性所用,回转角由动片和静片之间允许回转的角度来决定(一般小于270°)。

  b)齿条活塞驱动的腕部结构在要求回转角大于270°的情况下,可采用齿条活塞驱动的腕部结构。这种结构外形尺寸较大,一般适用于悬挂式臂部[6]。

  c)具有两个自由度的回转驱动的腕部结构它使腕部具有水平和垂直转动的两个自由度。 d)机-液结合的腕部结构。

  搬运机器人的手臂设计

  1、臂部设计的基本要求

  1).刚度要大。为防止臂部在运动过程中产生过大的变形,手臂截面形状的选择要合理。工字形截面弯曲刚度一般要比圆截面大;空心轴的弯曲刚度和扭转刚度都比实心轴大得多。

  2).导向性要好。为防止手臂在直线运动中沿轴线发生相对转动,或设置导向装置,或设计方形,花键等形式的臂杆。

  3).偏重力矩要小。所谓偏重力矩就是指臂部的重量对气支承回转轴所产生的静力矩。为提高机器人的运动速度,要尽量减少臂部运动部分的重量,以减少偏重力矩和整个手臂对回转机构的转动惯量。

  4).运动要平稳,定位精度要高。由于臂部运动速度越高,重量越大,惯性力引起的冲击就越大,使运动不平稳,定位精度不高。故应尽量减少鼻部运动部分的重量,使结构紧凑,重量轻,同时要采取一定形式的缓冲措施。

  手臂的典型机构及结构的选择

  1)手臂的典型运动机构

  常见的手臂伸缩机构有以下几种:

  a)双导杆手臂伸缩机构;

  b)手臂的典型运动形式有:直线运动,如手臂的伸缩,升降和横向移动;回转运动,如手臂的左右摆动,上下摆动;符合运动,如直线运动和回转运动组合,两直线运动的双层液压缸空心结构;

  c)双活塞杆液压缸结构;

  d)活塞杆和齿轮齿条机构。

  2)手臂运动机构的选择

  通过以上,综合考虑,本次设计选择液压缸伸缩机构,使用液压驱动,水平伸缩液压缸选用伸缩式液压缸。

  搬运机器人的机身设计

  机身是直接支撑和驱动手臂的部件。一般实现手臂的回转和升降运动,这些运动的传动机构都安在机身上,或者直接构成机身的躯干与底座相连。因此,臂部的运动越多,机身的机构和受力情况就越复杂。机身是可以固定的,也可以是行走的,既可以沿地面或架空轨道运动。

  按照设计要求,机械手要实现手臂180的回转运动,实现手臂的回转运动机构一般设计在机身处。为了设计出合理的运动机构,就要综合考虑分析。

  机身承载着手臂,做回转,升降运动,是机械手的重要组成部分。常用的机身结构有以下几种:

  1)回转缸置于升降之下的结构。这种结构优点是能承受较大偏重力矩。其缺点是回转运动传动路线长,花键轴的变形对回转精度的影响较大。

  2)回转缸置于升降之上的结构。这种结构采用单缸活塞杆,内部导向,结构紧凑。但回转缸与臂部一起升降,运动部件较大。

  3)活塞缸和齿条齿轮机构。手臂的回转运动是通过齿条齿轮机构来实现:齿条的往复运动带动与手臂连接的齿轮作往复回转,从而使手臂左右摆动。

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