搬運機器人的結構設計

搬運機器人的結構設計摘要：近年來，隨著發(fā)展中國家人口紅利的消失，企業(yè)用工成本逐漸加大，工業(yè)機器人在南方世界逐漸普及。企業(yè)為降低用工成本，廣泛地引進搬運機器人，焊接機器人，碼垛機器人等工業(yè)機器人設備取代工人以實現更快捷，更穩(wěn)定的制造和生產。在此大背景下，大批進行機械性簡單勞動的工種會被取代，對于機器人的需求將會逐漸增多，在未來十年二十年內達到最大?；诖朔N現狀，本文針對搬運機器人進行研究。關鍵詞：搬運機器人，RV減速機，伺服電機1緒論搬運機器人是工業(yè)機器人的一種，廣泛的用于搬運物料，碼垛，快遞分揀等工作，在經濟全球化的今天扮演著不可或缺的角色。它的誕生最早可追溯到I960年，那時二戰(zhàn)結束已有十多年，美國憑借著在兩次世界大戰(zhàn)中積累的經濟人才優(yōu)勢正朝著超級強國的方向邁進，在那風起云涌的時候各類高新技術不斷涌現，搬運機器人也在那時開始展露頭角。1967年，日本川崎重工從美國引進了機器人和技術，翌年生產出了第一臺日本產尤尼曼特機器人”。2000年后，日本已經成為全世界機器人銷量最高的國家，而中國由于機器人產業(yè)起步晚國內相關產業(yè)還未發(fā)展起來就迎來了經濟全球化，國內機器人市場被大量國外先進機器人占據。至近兩年由于中國互聯網經濟概念的提出，線上經濟讓國內AGV搬運機器人迎來了快速的發(fā)展，如今AGV搬運機器人廣泛用于快遞行業(yè)物聯網的構建。搬運機器人的總體設計方案自由度和坐標系的選擇基于五自由度串聯機器人可達到對人手臂的較好模擬，達到多種位姿，同時機構相對簡單，能實現良好搬運能力，而電機驅動可使搬運機器人擁有較好的響應特性與定位精度，是目前市場上靈活度實用度較強的機器人種類，且擁有較大的工作空間，故擬定設計一種電機驅動的五自由度串聯機器人實現搬運功能。2.2,搬運機器人的組成圖2-1搬運機器人總體建模如圖所示，設計的搬運機器人由底座，底盤，大臂，肘關節(jié)，小臂，腕部，末端操作器等主體部件以及防塵蓋，法蘭盤等零件組成。選型組件有RV精密擺線針輪減速機，行星減速機，伺服電機及三相步進電機等組件。為減輕機器人整體重量又保證應有剛度，主體部件的材料選用鋁合金，由于這些零件大都具有內部結構，且具有曲面，故加工方法選擇鑄造，部分孔軸配合面和法蘭連接面根據需要進行加工。搬運機器人的結構設計及計算末端操作器的設計搬運機器人在工作時要求具備較好的機動性能與柔性，能時刻保持工作過程的穩(wěn)定，保證被夾持物體的正確位姿。搬運機器人機械手部設計需滿足如下要求：（1） 設計結構簡潔，易于加工裝配，能夠實現機械手部夾持運動功能。（2） 夾緊過程運動平穩(wěn)，無沖擊，保證加持物體的整體形貌與結構。（3） 控制安全可靠，不發(fā)生夾持力不夠手部振動情況，擁有斷電剎車功能保證人員安全。（4）夾持物體迅速，滿足生產實際的效率需求。根據以上要求，設計了二指夾爪，如圖所示。圖3-1二指夾爪考慮到載荷的大小為3kg，以及氣壓液壓夾爪對氣源/液源和管路的要求，設計以電棚區(qū)動的二指夾爪，因為由電棚區(qū)動，該夾爪擁有傳動平穩(wěn)，響應特性優(yōu)良，夾持力大小可控等優(yōu)點。普通電機其機軸連接絲杠需要連接裝置且占用空間較大，軸因長度問題易導致剛度降低，易影響傳動平穩(wěn)性。故該操作器設計選用絲桿步進電機進行驅動，螺母選用滾珠絲杠螺母以降低絲杠傳動的摩擦。由于滾珠絲杠不能自鎖，故在設計夾指時，將前端夾指與絲杠螺母通過連桿進行連接，限制螺母繞軸向的轉動。通過電機驅動螺桿進行轉動達到螺母沿軸向的上下移動，以實現夾爪張閉，夾持搬運物體。當夾爪夾持物體即螺母受到沿軸向載荷時，步進電機的靜力矩可使螺母固定在當前位置，保持夾爪的開合程度。各關節(jié)傳動方案的設計腰部，肩部及肘部三個關節(jié)是五自由度機器人負載最大，運動最多，損耗較大也是最易產生問題的三個關節(jié)。在這三個關節(jié)電機的選擇上，開環(huán)控制的步進電機首先在控制精度上劣于伺服電機，其次步進電機是恒功率電機，受其距頻特性影響其轉速越快，其扭矩越低，難以在高速運轉時獲得較大的扭矩，且其轉子轉動慣量普遍大于伺服電機，動態(tài)特性一般，雖然其具有價格優(yōu)勢，且不會進行誤差累計，但是步進電機在體積和重量上沒有優(yōu)勢。搬運機器人控制方案設計4.1.控制器和驅動器的選型在搬運機器人的結構設計中提到重載關節(jié)驅動選型為伺服電機，輕載關節(jié)選型為步進電機，而控制電機的方式考慮到單片機在工業(yè)環(huán)境下抗干擾能力較差，因此我們選擇PLC作為電機控制系統(tǒng)的控制器，選擇步進驅動器來驅動步進電機。

董晰■00-董晰■00-PUL-Chdir*aDIR-OENA+OEmaoc-DC+石問侑號g;樣H偶號"抽匡■蘭正.Mcg悔呂員方向信號正圖4-1YK3605SA三相步進電機驅動器圖4-2該驅動器連線示意圖石問侑號g;樣H偶號"抽匡■蘭正.Mcg悔呂員方向信號正根據選型步進電機型號分別為60系列和86系列，選擇YK3605SA步進電機驅動器，該驅動器可以驅動所選擇的57，60和86系列步進電機，具有過壓、欠壓報警，相電流過流保護等功能，其具有光隔離差分信號功能，輸入脈沖頻率最大200kHz，滿足我們使用要求?？刂破鬟x擇西門子S-226PLC,該系列PLC具有較多的I/O口可適應多個電機的控制需求。而且該PLC型號經久耐用，價格適中，業(yè)界口碑良好，經過多年實踐證明壽命較長，可以滿足設計的經濟性和使用性要求。4.2.控制方案設計在機械臂中以傳感器做限位開關來控制電機以對機械臂進行軌跡規(guī)劃這種方案很明顯要劣于控制器通過驅動器直接驅動步進電機。前者需要在機械臂上安裝大量的傳感器，而傳感器的安裝位置要與實際的生產相聯系，大量的線路會影響周圍的磁場環(huán)境也會對機械臂的位姿造成限制。后者則是通過步進電機的脈沖計數，只要步進電機在運轉過程中不發(fā)生失步，其誤差就不會產生累計。相比較，第二種控制方式明顯優(yōu)于第一種方式，本文的控制設計也是采用此種控制方法。PULSE1GPULSE1G心脈Hwecm#："e.2圖4-4步進電機控制接線圖[9]如圖4-4所示，PLC的輸出端主要輸出3個信號，脈沖信號，方向信號，使能信號。其中PLC脈沖輸出端通過控制兩個輸出弓I腳的電平來發(fā)送脈沖信號，當兩弓I腳電平使二極管接通時步進驅動器得到脈沖并根據驅動器的設置來分配脈沖驅動步進電機使步進電機轉動一個步距角。由于搬運機器人對精度要求較高，故設置細分電路減小電機步距角。同理，PLC輸出的方向信號，使能信號也是一樣，通過兩輸出端電平差給步進驅動器二極管信號，使其控制步進電機正轉，反轉，運行，制動。5結論其中綜合考慮來看搬運機器人的電機選用全部選用伺服電機應該是一種趨勢，蓋因其優(yōu)秀的響應特性與閉環(huán)控制，然而選用伺服電機其控制系統(tǒng)硬件不可避免的增加，伺服電機成本相對來說還是相對較高。就目前市場而言，根據搬運需求大小，綜合考慮選型零件的性價比進行選用是相對合理。一味追求控制精度的提高不僅增大成本，也并不會給實際生產結果帶來更高的收益。日前，國內市場機器