搬運(yùn)機(jī)器人設(shè)計(jì)計(jì)算說明書(譚)

1、搬運(yùn)機(jī)器人用于替代人工，將重復(fù)性、重體力和嚴(yán)苛環(huán)境中的轉(zhuǎn)運(yùn)環(huán)節(jié)所需的人員釋放出來。不同種類、規(guī)格的機(jī)器人用途不一，應(yīng)用側(cè)重不一，按照我公司的開發(fā)方向，機(jī)器人需要達(dá)到以下目的：使用盡量簡(jiǎn)單直接的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、功能單一、操作方便、成本低廉、易于維護(hù)等。通用性6關(guān)節(jié)機(jī)器人多用于非常規(guī)加工方面，例如焊接、激光切割、表面處理等，除要求位置精度外，對(duì)姿態(tài)的控制也有很直觀的需要，而且涉及到的學(xué)科較多，包括光電控制、電液驅(qū)動(dòng)、精密加工、插補(bǔ)算法等，開發(fā)成本對(duì)于中小型企業(yè)來說是非常沉重的負(fù)擔(dān)，故而考慮到公司的具體情況，將會(huì)盡量的簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，選擇提供單一功能的控制實(shí)現(xiàn)途徑，預(yù)留升級(jí)和換代的必要空間。1基本要求此搬運(yùn)機(jī)器

2、人將用于墻材（磚）的拆垛和碼垛，將用于3種磚型及其對(duì)應(yīng)的34種垛型的取料、轉(zhuǎn)運(yùn)和碼放等過程。具體見下表：磚型外形垛型備注標(biāo)磚240*115*53mm足厚取50mm720*720*1380mm960*960*1380mm小標(biāo)200*100*50mm本次設(shè)計(jì)初始任務(wù)為720*720*1380mm垛型，見圖1錯(cuò)誤!未找到引用源。:圖1參考垛型圖1.1工作任務(wù)定點(diǎn)取磚、轉(zhuǎn)運(yùn)、并碼成實(shí)心垛1.2本體構(gòu)造工業(yè)用6關(guān)節(jié)機(jī)器人本體可以分為兩個(gè)部分：第13關(guān)節(jié)用于機(jī)器人精確定位，第46關(guān)節(jié)用于機(jī)器人的姿態(tài)控制。搬運(yùn)機(jī)器人末端執(zhí)行器（下文稱為手爪）的姿態(tài)只需要一種，即：垂直取放：手爪基準(zhǔn)面垂直于Z軸；側(cè)面取放：手

3、爪基準(zhǔn)面垂直于X或Y軸；如不考慮手爪自身的運(yùn)動(dòng)和控制方式，正常情況下機(jī)器人本體（下文稱為本體）只需要4個(gè)關(guān)節(jié)。1.3控制方式單活動(dòng)關(guān)節(jié)一般需要一套執(zhí)行部件（電機(jī)、減速機(jī)、驅(qū)動(dòng)器）。本次設(shè)計(jì)的本體將已720*720*7380mm的磚垛進(jìn)行分析、測(cè)試和復(fù)核的等計(jì)算過程，并采用垂直取放形式。第13關(guān)節(jié)均需要獨(dú)立的執(zhí)行部件，第4關(guān)節(jié)可以采用平面四桿機(jī)構(gòu)對(duì)手爪姿態(tài)進(jìn)行限制，即，第4關(guān)節(jié)將作為一個(gè)被動(dòng)關(guān)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)，而不再需要單獨(dú)的執(zhí)行部件。本體定位和手爪姿態(tài)需要聯(lián)控，而手爪動(dòng)作則是本體就位之后的環(huán)節(jié)。（要實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能，需考慮下圖中注明的2個(gè)問題）2工作空間開放式的工作方式對(duì)本體限制最少，能夠盡量減少高速

4、聯(lián)動(dòng)對(duì)本體的影響，并且可以降低誤差插補(bǔ)的難度，而實(shí)際的應(yīng)用中，機(jī)器人的工作總是會(huì)受到一定的限制，例如設(shè)備排布、人員安全、廠房條件等。作為一臺(tái)墻材搬運(yùn)用途的機(jī)器人，場(chǎng)地和設(shè)備的限制對(duì)機(jī)器人很少，可以忽略不計(jì)，人員安全方面可以通過設(shè)置安全工作區(qū)域、警示標(biāo)志、安全教育等達(dá)到一定的效果。出于成本方面的考慮，不單獨(dú)設(shè)計(jì)安全系統(tǒng)。安全工作區(qū)域則參考通用型工業(yè)機(jī)器人的設(shè)置進(jìn)行設(shè)計(jì)。2.1圖解法本體包含3個(gè)主動(dòng)關(guān)節(jié)和1個(gè)被動(dòng)關(guān)節(jié)，被動(dòng)關(guān)節(jié)對(duì)工作空間的形成沒有影響。若本體基座高h(yuǎn)，大臂長(zhǎng)l，小臂長(zhǎng)l，機(jī)身回轉(zhuǎn)角0的范圍為卜,Y，大臂俯仰角0的范圍為1211229,a，小臂俯仰角0的范圍為D,p。本體工作空間的邊

5、界曲線見下：123121）在xOz平面內(nèi)的邊界曲線是由工作空間與過z軸的軸平面相交，以其軸截面的形狀表示，見圖2中xOz部分；a）當(dāng)大臂處于左極限位置，小臂有上極限擺到下極限位置，形成圓弧S；1b）當(dāng)大臂處于右極限位置，小臂有上極限擺到下極限位置，形成圓弧S；2c）當(dāng)小臂處于下極限位置，大臂由左極限位置擺到右極限位置，形成圓弧S；3d）當(dāng)小臂處于上極限位置，大臂由左極限位置擺到右極限位置，形成圓弧S；42）在xOy平面內(nèi)的邊界曲線是由工作空間中離z軸最遠(yuǎn)點(diǎn)和最近點(diǎn)旋轉(zhuǎn)而成，見圖2xOy平面部分。以參考垛型（圖2中虛線部分）為例，工作空間必須能夠完全覆蓋取料區(qū)域、轉(zhuǎn)運(yùn)區(qū)域和放料區(qū)域。取料區(qū)域?yàn)樯?/p>

6、道工序的末端，將會(huì)以單件、或多件的形式定點(diǎn)放置需要堆垛的磚塊。預(yù)設(shè)取料區(qū)域與放料區(qū)域沿z軸旋轉(zhuǎn)角度差為90、且取料區(qū)域包含于放料區(qū)域。那么，xOy平面上的工作空間投影可以暫定為90（此角度只決定于第1關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)），即b，丫LL90。,90。112用圖解法可以很方便的計(jì)算出適用于最小工作空間的各參數(shù)值（見圖3）。ao.70Xo0圖2工作空間示意圖圖3工作空間初步計(jì)算3動(dòng)作規(guī)劃?rùn)C(jī)器人的動(dòng)作過程見圖4圖4機(jī)器人動(dòng)作過程3.1工作節(jié)拍機(jī)器人的工作效率可以從兩方面進(jìn)行核算，一是效率，二是成本。此兩個(gè)主要因素在規(guī)劃階段必須兼顧，不同的使用環(huán)境和客戶承受力導(dǎo)致會(huì)有不同的傾向。具體的成本核算將在會(huì)穿插在后續(xù)的

7、章節(jié)中進(jìn)行描述，目的是固定成本要少、運(yùn)行費(fèi)用少低、無障礙運(yùn)行時(shí)間要長(zhǎng)、維修費(fèi)用要小。初步估算為1臺(tái)機(jī)器人取代1個(gè)搬運(yùn)人員?，F(xiàn)場(chǎng)的人工計(jì)算方式很多，需要同時(shí)考慮人員的身體素質(zhì)人員的工作技巧和現(xiàn)場(chǎng)的工作環(huán)境，比較復(fù)雜。現(xiàn)將其簡(jiǎn)化：人員作業(yè)范圍為以腰部為軸、無需步行，在180范圍內(nèi)、半徑為800mm搬運(yùn)2塊磚，人員不能過于勞累，需要保證工作的持續(xù)性。預(yù)計(jì)時(shí)間不低于3s,以3s計(jì)算，機(jī)器人工作時(shí)間為人員的2.5倍，即機(jī)器人工作節(jié)拍參考值可設(shè)置為7.5s。將圖4中的失效時(shí)間（即判斷不能滿足工作要求，如無磚、未正常取料、中途丟料等）忽略，設(shè)置附屬時(shí)間為：“取料判定”.1s,“本體位置判定”.1s,“取料狀

8、況判定”.1s,“放料狀況判定”0.1s，“下道工序判定”一一.1s，控制系統(tǒng)判定所需總時(shí)間=0.6s；“手爪取料”一一.3s,“手爪放料”0.3s，執(zhí)行器工作時(shí)間=0.6s；本體移動(dòng)時(shí)間=7.5-0.6-0.6=6.3s,對(duì)于非循跡工作的機(jī)器人而言，預(yù)設(shè)去程和回城路徑一致、方向相反，在輕載狀況下，可以認(rèn)為兩段時(shí)間相等，即本體就位時(shí)間（去程）=本體轉(zhuǎn)移時(shí)間（回程）=3.15s。3.2本體自由度運(yùn)動(dòng)在試驗(yàn)驗(yàn)證海綿吸盤作為手爪拾取機(jī)構(gòu)之前，手爪拾取機(jī)構(gòu)為氣動(dòng)夾具，手爪姿態(tài)為見圖5。圖5手爪拾取示意圖以圖5中的手爪姿態(tài)為基礎(chǔ)，“本體就位”過程可分為三個(gè)步驟：垂直提升（沿z軸向上）-大范圍轉(zhuǎn)移-垂直下

9、降。此三個(gè)階段分別設(shè)定工作時(shí)間為o.3s、2.55s、0.3s。其中，1關(guān)節(jié)在極限位置的關(guān)節(jié)角最大（約114）,見圖6?？梢猿醪皆O(shè)定1關(guān)節(jié)最大運(yùn)動(dòng)速度114/2.55s/2=89.4/s。按照機(jī)器人的工作方式（無論是否三軸聯(lián)動(dòng)），其他關(guān)節(jié)的空間角度和關(guān)節(jié)速度都小于1關(guān)節(jié),即暫時(shí)可以將，可以暫時(shí)將89.4/s作為最高參考速度納入校核范圍。取料臺(tái)圖61關(guān)節(jié)極限位置圖4軌跡計(jì)算現(xiàn)在可以對(duì)具體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)前面章節(jié)中設(shè)定關(guān)節(jié)參數(shù)和工作空間范圍進(jìn)行校核。4.1運(yùn)動(dòng)學(xué)分析一般使用D-H方法來描述相鄰桿件間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，使用4x4的齊次變換矩陣來描述基于關(guān)節(jié)本身建立坐標(biāo)系的相互關(guān)系。一般的4關(guān)節(jié)機(jī)器人只

10、需要建立5個(gè)坐標(biāo)系，由于本體中增加的平面四桿機(jī)構(gòu)、即增加了一個(gè)被動(dòng)關(guān)節(jié)，此搬運(yùn)機(jī)器人需要建立5個(gè)坐標(biāo)系。參考坐標(biāo)系（或叫基坐標(biāo)系）為Oxyz第.關(guān)節(jié)，第i關(guān)節(jié)對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)系為-1Xi-1-1Zi-1。坐標(biāo)系建立規(guī)則如下：zz確定i軸：i軸沿關(guān)節(jié)i+1的軸向OOzz確定原點(diǎn)i:i在過i-1和i軸的公法線上確定Xi軸：Xi軸過Zi-1和Zi軸的公法線方向，從Zi-1指向Zi軸確定y軸：y=zx%，遵從右手定則。TOC o 1-5 h ziiii描述坐標(biāo)間相互關(guān)系的關(guān)節(jié)變量/參數(shù)為：0:繞z軸（右手定則）由x向x軸的關(guān)節(jié)角；ii-1i-1id:從第i-1坐標(biāo)系的原點(diǎn)到z軸和x的交點(diǎn)沿z軸的距離；ii-

11、1ii-1a:從z到x的交點(diǎn)到第i坐標(biāo)系原點(diǎn)沿%軸的偏置距離（即z和z兩軸間的最小距離）；ii-1iii-1ia:繞x軸（右手定則）由z軸轉(zhuǎn)向z軸的偏角。iii-1i坐標(biāo)系見圖7。圖7D-H坐標(biāo)系i坐標(biāo)系和i1坐標(biāo)系的齊次變換矩陣：將第i個(gè)坐標(biāo)系表示的點(diǎn)廠在i-1坐標(biāo)系中表示，需建立i坐標(biāo)系和i-1坐標(biāo)系的齊次變換矩陣，需經(jīng)i過以下變換：1）將坐標(biāo)系o嚴(yán)y繞z轉(zhuǎn)e角，使x軸與x軸平行并指向同一方向；TOC o 1-5 h zi1i1i1i1i1ii1i2）將坐標(biāo)系Oxyz沿z平移d.，使x軸與Ox.yz.的x軸重合；i1i1i1i1i1ii1iiiii3）將坐標(biāo)系Oxyz沿x軸平移距離a，使兩坐標(biāo)系的原點(diǎn)重合；i1i1i1i1i1i4）將坐標(biāo)系Oxyz繞x軸轉(zhuǎn)角，使兩坐標(biāo)系完全重合。i1i1i1i1i1i從而，i坐標(biāo)系和i-1坐標(biāo)系的齊次變換矩陣i-1A可以根據(jù)矩陣的合成規(guī)則得到，i-1A稱為相鄰坐標(biāo)系iii和i-1的D-H變換矩陣。D-H變換矩陣如下：i-iA=RTTRiz,9z,dcos0isin9=i00cos9isin9=i00 x,ax-sin900ic