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1、机电一体化课程设计码垛机器人课程名称：机电一体化课题名称：五自由度小型码垛机器人专 业： 机械设计制造及其自动化班 级：小组成员：指导教师：课设时间：2016年1月目录摘要1第一章 背景介绍 2第二章 机械结构总体设计 42.1 总体设计要求 42.2机械部分总体结构 42.3 电机的选择 62.4 底座的设计 72.5 腰部的设计 102.6 臂部的设计 122.6.1 大臂的设计与校核 122.6.2 小臂的设计与校核 142.7 腕部的设计 162.8 其他零件的设计与选择 18第三章 控制系统设计 23第四章 运动分析 284.1运动轨迹分析284.2 运动函数分析29参考文献 31摘
2、要近年来,机器人技术发展非常迅速,各种用途的机器人在各个领域 得到广泛的应用。于此同时,码垛技术也获得了飞速发展,尤其是机器 人码垛发展更为迅猛,这种发展趋势是与当今制造领域出现的多品种 小批量的发展趋势相适应的。本文围绕一个小型码垛机器人进行设计 和分析。首先根据设定的工作要求确定机器人的各项基本技术指标 ,为机 器人的结构设计提供依据。在参考多种相关机器人的基础上 ,设计了 机器人的整体方案和机械结构,码垛机器人是四自由度机器人,所有关 节均采用转动关节,确定了采用舵机传动的方案。通过计算对机器人 进行受力分析,目的是为了检验设计的机器人结构在强度和刚度上是 否能够满足工作的要求。本课程设
3、计将设计四自由度的抓取听装可乐 小型简单码垛机器人。关键词 ：码垛机器人 机器人技术 动态性能第一章 背景介绍自 20 世纪 80 年代，我国码垛机器人在国家支持下，通过“七五”、 “八五”科技攻关，经过几十年的发展，我国在机器人领域取得了很 大成就。按机器人的发展过程，分为三代机器人。第一代机器人，具 有视角再现功能或具有可编程的NC装置，但对外部信息不具备反馈 能力;第二代机器人，不仅具有内部传感器，能获取外部环境信息。 虽然没有应用人工智能技术，但是能进行机器人环境交互，具有在线 适应能力；第三代机器人，具有多种智能传感器，能感知和领会外部 环境信息。目前码垛机器人的应用主要在以下两个方
4、面。恶劣工作环 境，危险工作场合，这个领域的作业是一种有害于健康，并危及生命 或不安全因素很大而不宜与人去干的作业。例如在冲床上下料、采矿、 锻造等。在自动化生产领域，码垛机器人可用来上下料、码垛、卸货以及 抓取零件重新定向等作业。一个简单抓放作业机器人只需要较少的自 由度，一个给零件定向作业的机器人要求具有更多的自由度，增加其 灵巧性。工业机器人具有减少劳动力费用、提高生产效率、改进产品 质量、增加制造过程的柔性、减少材料浪费、控制和加快库存的周转、 降低成本、消除危险和劣势的劳动岗位。目前工业机器人的开发正处 在一个蓬勃发展的阶段，在先进的工业发达国家里，工业机器人的开 发与制造正在形成一
5、个庞大的产业，全世界每年的工业机器人销售额 可达 42 亿美元。尽管如此，工业机器人产业仍在不断拓展，不断向 新的领域进军。我国工业机器人的应用前景十分宽广。但是，由于我 国工业基础比较薄弱，劳动力比较丰富、低廉，给工业机器人的发展 和应用。工业机器人功能部件的标准化与模块化是提高机器人的运动 精度，运动速度，降低成本和提高可靠性的重要途径。近几年各国注 重发展组合式工业机器人。它是采用标准化的模块件或组合件拼装而 成。除了工业机器人用的各种伺服电机，传感器外，手臂、手腕和机 身也已标准化。随着机器人作业精度的提高和作业环境的复杂变化， 急需开发新型的微动机构来保证机器人的动作精准度，开发多关
6、节， 多自由度的手臂和手指及星星的行走机构，以适应日益复杂的作业需 求。第二章 机械结构总体设计2.1 总体设计要求本文研究的机器人为小型码垛机器人，旨在让其在桌面进行工 作。其工作过程简单描述为：无论工作前处于什么状态，工作开始后 回到原位，对桌面上的听装可乐等物体进行抓取，通过腰部旋转放到 指定位置。工作范围半径 350mm 圆内，垂直方向的极限位置 300mm。2.2 机械部分总体结构本文设计的机器人的机械结构主要部分由底座、大臂、小臂、腕 部和手爪装置组成（如图 2-2-1 所示）。底座是机器人的基础部分，执 行机构和驱动装置都安装在底座上。大臂和小臂是执行机构中的主要 运动部件，用来
7、支撑腕关节和手部，并使它们在工作空间内运动。腕 部是联结手臂与手爪的部件，用于调整手爪的方向和姿态。手爪装置般指夹持装置，主要用来传递工作。图 2-2-1 码垛机器人整体结构图图 2-2-2 码垛机器人线形图小臂舵机2舵机1图 2-2-3 码垛机器人结构简图2.3 电机的选择机器人的驱动可分为气压驱动、液压驱动及电机驱动等多种方式, 它们各自的优缺点不同,适用范围也不同。气压驱动能源成本较低,机械结构简单,但是定位精度比较差。液压驱动输出力可在很大的范围内调节,定位精度比较高,但是对 温度变化敏感,油液易泄露,噪声比较大。电机驱动机器人的效率比较高,运动速度以及位姿准确度超过启动及液压驱动,噪
8、声和污染都比较小。综上所述,根据实际的需要,本机器人选用电机驱动。目前机器人电机主要有以下几种1) 步进电机：可直接实现数字控制,控制结构简单,控制性能好,成本低廉通常不需要反馈就能对位置和速度进行控制位置误 差不会积累。步进电机具有自锁能力和保持转矩的能力,适用 于传动效率不大的关节或小型机器人。2) 直流伺服电机具有良好的调速特性 ,较大的启动力矩 ,相对 功率大及快速响应等特点,并且控制技术成熟。但其结构比较 复杂,成本较高。3) 交流伺服电机结构简单 ,运行可靠,使用维修方便,价格较为 曰虫昂贵。4) 舵机：角度可以保持在驱动当中，稳定性好，结构紧凑，易于安装，控制简单，大扭力，成本低
9、。结合机器人的要求,本文选用舵机，舵机结构如图2-3-1 所示。BDA图 2-3-1 舵机结构图考虑到所需舵机的各方面要求，我们选取型号为 SM-S4303R 的6V 舵机，具体参数如下表：2.4 底座的设计底座材料选择聚甲醛。聚甲醛是一种表面光滑、有光泽的硬而致 密的材料，淡黄或白色，薄壁部分呈半透明，强度、刚度高，弹性好, 减磨耐磨性好。其力学性能优异，比强度可达50.5MPa，比刚度可 达2650MPa，与金属十分接近。码垛机器人的底座承载了整个机身的重量，以及底座本身内部装 有舵机等，考虑到自身的刚度和强度，又结合经济性和重量限制外形 等因素，综合考虑，设计底座结构如图 2-4-1 所
10、示：图 2-4-1 码垛机器人底座结构图底座零件图如下：图 2-4-2 底座主视图图 2-4-3 底座左视图R30丿2.5 腰部的设计图 2-5-1 腰部结构图 码垛机器人的腰部结构如图2-6 所示，腰部承载着大臂、小臂以 及其他部件的重量，安装在腰部一侧的舵机用来实现大臂的前后运 动。腰部的旋转靠安装在底座中的舵机完成，舵机与腰部间的联轴器 通过键连接与腰部联结。腰部中间部分设计成部分中空，目的是减轻 机身重量。腰部的三视图如下：6049R54x02R503o图 2-5-2 腰部主视图4941腰部俯视图图 2-5-3腰部左视图图 2-5-4三0.C1832.6 臂部的设计码垛机器人的臂部主要
11、由大臂、小臂及其他附件组成，考虑其运 动特点及整体结构质量，材料选择铝合金6061。铝合金6061的力学性能：极限抗拉强度为124 MPa,受拉屈服强度55.2 MPa，延伸率25.0 %，弹性系数68.9 GPa，弯曲极限强度228 MPa，泊松比0.330, 疲劳强度62.1 MPa，密度为2.8g/cm32.6.1大臂的设计与校核结构如图 2-6-1所示，横截面为矩形，一面与腰部相连，一面与小臂相连，此处舵机装在大臂上，方便控制小臂的运动。具体尺寸如图图 2-6-2 大臂主视图图 2-6-3 大臂俯视图2) 大臂的弯曲强度校核大臂受力方向与大臂夹角为 53.7445+8.74)，此处受力
12、分析取为 60。大臂的受力分析图及弯矩图如下：G3x图 2-6-4 大臂的受力分析及弯矩图大臂的体积估算为v=4X2X20+ nX22X2.8=195cm3大臂的质量估算为m= P v=2.8X 195=546go =M/W=2G3 sin60 L/(b h2/6)+ G4 sin60 L/(b h2/6)=2 max X XX(0.3+0.546)X(1.732/2)X9.8X10/(4X22/6)+ 0.546X(1.732/2)X9.8X 10/(4 X 22/6)= 71.23MPa o 大臂的设计符合弯曲强度要求。2.6.2 小臂的设计与校核小臂的结构相较于大臂稍简单，两端呈对称结构
13、，如图 2-14 所示，两端分别与相应的舵机相连，除了与大臂相连的一端，另一端与腕部相连。图 2-6-6 小臂主视图图 2-6-7 小臂俯视图G22) 小臂的弯曲强度校核小臂的受力分析图及弯矩图如下 小臂賢力图I图 2-6-8 小臂受力分析及弯矩图小臂的体积估算为v=4X2X20+ nX22X2.8=195cm3小臂的质量估算为m二P v=2.8X195=546go =M/W=2G1 L/(b h2/6)+ G2 L/(b h2/6)=2X0.3X9.8X 10/(4 max X XX22/6)+ 0.546X9.8X10/(4X22/6)=42.12MPa o 小臂的设计符合弯曲强度要求。2.7 腕部的设计图 2-7-1 腕部结构图腕部的主要作用是利用舵机控制手爪的工作，并有自己的工作范 围。主要结构图如图 2-7-1。60图 2-7-2 腕部主视图82636图 2-7-3 腕部左视图221049图 2-7-4 腕部俯视图2.8其他零件设计与选择（1）底座用吸盘的选择：D$（9800MS/nnp）吸盘内的真空度约为-67.15kpaD：需要的吸盘直径（mm）图2.8.1吸盘结构图M：工件重量（KG）S：安全系数（水平起吊S=4,垂直起吊S=8）n吸盘的个数P：真空压力（-Kpa）考虑到吸附工件
