快件搬运机器人设计说明书解析Word格式文档下载.docx
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3.2“快件搬运机器人”后肢机构设计及优化................................19
1）.膝盖部分机构设计.................................................19
2）.机械脚机构设计...................................................21
3.3“快件搬运机器人”特色附件设计及优化................................23
1）.信号接收装置设计.................................................23
2）.机构运动的控制与驱动装置设计.....................................23
3.4行走和奔跑方案的设计及优化.........................................27
3.5避障机构的设计.....................................................27
4参考文献.................................................................28
1背景
搬运机器人在实际的工作中就是一个机械手，机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：
其一、它能部分的代替人工操作；
其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；
其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。
因而，受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用。
尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。
在我国近几年也有较快的发展，并且取得一定的效果，受到机械工业的重视。
机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强。
随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。
由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的应用。
机器人就是用机器代替人手，把工件由某个地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操纵工件进行加工。
机器人一般分为三类，第一类是不需要人工操作的通用机器人，也即我们所研究的对象。
它是一种独立的、不附属于某一主机的装置，可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定操作。
它是除具备普通机械的物理性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。
第二类是需要人工操作的，称为操作机。
它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机器人来进行探测月球等，工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。
第三类是专业机器人，主要附属于自动机床或自动生产线上，用以解决机床上下料和工件传送。
这种机器人在国外通常被称之为“MechanicalHand”，它是为主机服务的，由主机驱动。
除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。
机器人按照结构形式的不同又可分为多种类型，其中关节型机器人以其结构紧凑，所占空间体积小，相对工作空间最大，甚至能绕过基座周围的一些障碍物等这样一些特点，成为机器人中使用最多的一种结构形式，世界一些著名机器人的本体部分都采用这种机构形式的机器人。
要机器人像人一样拿取东西，最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和移动机构——执行机构；
像肌肉那样使手臂运动的驱动－传动系统；
像大脑那样指挥手动作的控制系统。
这些系统的性能就决定了机器人的性能。
一般而言，机器人通常就是由执行机构、驱动－传动系统和控制系统这三部分组成，
对于现代智能机器人而言，还具有智能系统，主要是感觉装置、视觉装置和语言识别装置等。
目前研究主要集中在赋予机器人“眼睛”，使它能识别物体和躲避障碍物，以及机器人的触觉装置。
机器人的这些组成部分并不是各自独立的，或者说并不是简单的叠加在一起，从而构成一个机器人的。
要实现机器人所期望实现的功能，机器人的各部分之间必然还存在着相互关联、相互影响和相互制约。
机器人的机械系统主要由执行机构和驱动－传动系统组成。
执行机构是机器人赖以完成工作任务的实体，通常由连杆和关节组成，由驱动－传动系统提供动力，按控制系统的要求完成工作任务。
1.2工业机器人的现状及应用
机器人首先是从美国开始研制的，1958年美国联合控制公司研制出第一台机器人。
它的结构特点是机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。
日本是工业机器人发展最快、应用最多的国家。
自1969年从美国引进两种典型机器人后，大力从事机器人的研究。
目前工业机器人大部分还属于第一代，主要依靠人工进行控制；
控制方式则为开环式，没有识别能力；
改进的方向主要是降低成本和提高精度。
第二代机器人正在加紧研制，它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。
研究安装各种传感器，把感觉到的信息进行反馈，使机器人具有感觉机能。
第三代机器人则能独立地完成工作过程中的任务,它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中的重要一环。
随着现代化科学技术的飞速发展和社会的进步，针对于上述各个领域的机器人系统的应用和研究对系统本身也提出越来越多的要求。
制造业要求机器人系统具有更大的柔性和更强大的编程环境，适应不同的应用场合和多品种、小批量的生产过程。
计算机集成制造（CIM）要求机器人系统能和车间中的其它自动化设备集成在一起。
研究人员为了提高机器人系统的性能和智能水平，要求机器人系统具有开放结构和集成各种外部传感器的能力。
我国虽然开始研制工业机器人仅比日本晚5-6年，但是由于种种原因，工业机器人技术的发展比较慢。
目前我国已开始有计划地从国外引进工业机器人技术，通过引进、仿制、改造、创新，工业机器人将会获得快速的发展。
1.3机器人发展趋势
随着现代化生产技术的提高，机器人设计生产能力进一步得到加强，尤其当机器人的生产与柔性化制造系统和柔性制造单元相结合，从而改变目前机械制造的人工操作状态，提高了生产效率。
就目前来看，总的来说现代工业机器人有以下几个发展趋势：
a）提高运动速度和运动精度，减少重量和占用空间，加速机器人功能部件的标准化和模块化，将机器人的各个机械模块、控制模块、检测模块组成结构不同的机器人；
b）开发各种新型结构用于不同类型的场合，如开发微动机构用以保证精度；
开发多关节多自由度的手臂和手指；
开发各类行走机器人，以适应不同的场合；
c）研制各类传感器及检测元器件，如，触觉、视觉、听觉、味觉、和测距传感器等，用传感器获得工作对象周围的外界环境信息、位置信息、状态信息以完成模式识别、状态检测。
并采用专家系统进行问题求解、动作规划，同时，越来越多的系统采用微机进行控制。
2.“快件搬运机器人”的设计理念
2.1“快件搬运机器人”的设计目的
设计快件搬运机器人如下：
图2.1“快件搬运机器人”设计图
2.2“快件搬运机器人”的功能及完成相应功能的机械系统
2.3“快件搬运机器人”的基本性能参数
“快件搬运机器人”的材料及物理特性
名称
不锈钢，奥氏体
常规
质量密度
8.03g/cm^3
屈服强度
228MPa
极限拉伸强度
540MPa
应力
杨氏模量
190.3GPa
泊松比
0.305ul
切变模量
72.9119GPa
应力热膨胀
膨胀系数
0.0000174ul/c
热传导率
14W/（mK）
比热
456J/（kgc）
钢
7.85g/cm^3
207MPa
345MPa
210GPa
0.3ul
80.7692GPa
0.000012ul/c
56W/（mK）
460J/（kgc）
铝-6061
2.71g/cm^3
275MPa
310MPa
68.9GPa
0.33ul
25.9023GPa
0.0000236ul/c
167W/（mK）
1256.1J/（kgc）
不锈钢，440C
7.75g/cm^3
689MPa
861.25MPa
206.7GPa
0.27ul
81.378GPa
0.0000104ul/c
24.23W/（mK）
160.57J/（kgc）
下面，我给机器人施加外力，来分析其应力变化情况。
质量：
m=317.88kg
力：
F
=－409.968N
F
=－496.074N
=－459.911N
图2.3机器人受空间力系
图2.4Mises等效应力
图2.5第一主应力
图2.6第三主应力
图2.7安全系数
图2.8接触压力
通过上面的分析，我们知道，机器人在受到规定范围内的力时，各项指标均在范围内，不会产生大的变形和其他一些不良的症状，故设计符合要求。
2.4“快件搬运机器人”的主要创新点
1）.快速识别二维码和障碍物
该快件搬运机器人本身所装置的工业摄像机，利用自身的摄像头来进行扫取货物的条形码，还可以在运送货物的过程中，利用自身特殊的机械结构避开障碍物，从而可以保证动态、快速和高效率的机器人导航，完成规定的快件运送任务。
2）.纵向和横向行走变换
由于四肢与身体连接部分是由铰链组成，这就大大的提高了机器人行走时的灵活性，它可以实现纵向行走和横向行走之间快速的转换，使其越障能力大大的提高。
3）.手脚变换的功能
通过机械手与机械脚的换用，能够实现“快件搬运机器人”从双足直立行走状态转换与四足奔跑状态之间的转换，双足直立状态使得机器人具有更多的空间工作范围，而四足奔跑状态使得机器人能够实现快速移动，在最短的时间范围内到达预定的目的地。
3.“快件搬运机器人”的机构设计及其优化
3.1“快件搬运机器人”前肢机构设计及优化
1）.两爪机械手机构设计
A.机构的选型及优化
方案一：
双摇杆机构（单指）
如图所示，机械手的单指采用平行四边形机构，这样可以实现单指平动，当双指同步运动时，就能够实现机械手指相对平行闭合与张开，这样有利于机械手较为平稳的抓取比较规则的物体。
方案二：
复合铰链机构
如图所示，该机构是通过单指转动来实现运动，当双指同时运动时，能够像剪子一样加住物体，同时会产生向外的推力，不易固定物体。
通过上面比较我们不难看出，平行四边形机构优点显著，而且平稳的抓起物体也是我们机器人的基本本领之一。
现在我们对平行四边形机构进行优化设计，使之能够更加完美。
图3.3优化后的双摇杆机构JIJIGOUJIGOU机构
如图所示，我们对其进行了优化，将双指的运动关联了起来，这样便于对其控制。
B.机构的设计计算
设计要求：
指间距离
0—257mm
指长
100mm
杆AB与机架AM所需要的旋转角度范围：
70°
--163°
根据设计要求，计算得出的基本参数：
杆AM
95mm
杆AB=杆BC=杆CD=杆AD
105mm
杆LM=杆LK=杆KJ=杆MJ
杆DJ
200mm
杆DE=杆HJ
40mm
杆EF=杆GH
60mm
Dad
91mm
Dde
24.55mm
下面进行受力分析：
材料：
合金钢
1.01kg
重力加速度g=9.8m/s^2
最大承受力：
F1=100N
F2=–100N
F3=100N
下面，我们添加外力，对其进行应力分析。
图3.5爪受力F1=100N
图3.6爪受力F2=-100N
图3.7爪受力F3=100N
图3.8Mises等效应力
图3.9第一主应力
图3.10第三主应力
图.11安全系数
图3.12等效应变
图3.13接触压力
由上面分析可得，两爪机械手在受规定的力后各方面均安全，没有出现超出安全系数的现象，故设计满足设计要求。
2）.手腕机构设计
气压式三杆机构
该机构通过气压控制单杆的伸缩和铰链的旋转来实现手腕部分的运动，该机构能够不仅能够实现空间的转动和移动，而且运动的稳定性和精确度高。
如图所示是单杆的机构运动简图。
球面副旋转机构
该机构能够实现手腕在空间三个自由度的转动，但不能实现移动，且球面副较难控制。
通过上面比较，我们发现气压式三杆机构灵敏性较好，而且比较容易控制。
所以我们选择方案一。
通过讨论分析，我们认为当LBC略小于LAD时，机构更加紧凑。
优化后如图所示。
可转动的角度范围：
X方向：
Y方向：
Z方向：
0°
—150°
单杆伸缩长度：
0—30mm
机构的基本参数:
杆AD
75mm
杆BC
50mm
杆AB
80—110mm
3）.机械臂机构设计
双摇杆机构
双摇杆机构不仅能够实现机械臂的平动和转动，当以AD边为固定杆时，实现BE端的平动，当以A点为固定点时，实现的是BE端的转动，而且便于控制，是较佳的选择。
铰链机构
用一个铰链来实现机械臂的转动，这种机构过于简单，且不能实现平动。
通过比较我们发现，双摇杆机构是比较好选择。
下面我们来实现机构的优化。
可以双摇杆机构的不相邻两条边相等，构成平行四边形机构，这样能够有效地简化计算和机构的控制。
转动的角度范围：
平动距离：
机构的基本参数：
杆AB=杆CD
640mm
杆AD=杆BC
160mm
杆BE
155mm
显然，该机构不会出现死点，且该机构的转动角度较小，没必要对其进行解析计算。
3.2“快件搬运机器人”后肢机构设计及优化
1）.膝盖部分机构设计
方案一:
人工膝关节机构
如图所示，人工膝关节机构，巧妙的模仿了人类膝关节的运动，是该机器人设计的一大亮点。
该机构能够平稳的运动并且是膝盖有较大的活动范围。
曲柄摇杆机构
在曲柄摇杆机构ABCD.ABCG中，极位夹角为20。
，所以机构存在急回运动。
而膝关节不易用有急回特性的机构。
通过上面的比较，我们发现，人工膝关节机构能够比较巧妙地实现我们所需的运动。
故我们选择方案一，现在我们来优化该机构。
可以对其进行尺寸的调整，使之更完美的符合我们的需要。
具体如下：
90mm
80mm
杆CD
杆DE
120mm
杆EF
96mm
杆FG
杆CF
180mm
杆GF可转动的角度范围：
—40°
杆DE可移动的距离：
2）.机械脚机构设计
铰链摆杆机构
通过气压装置来控制杆AB的伸缩，从而改变三角形的三个内角，来实现脚部BC的运动。
该机构简单，容易控制动作能够，尤其三角形的形状决定它具有较强的稳定性和负载变形较小的特点。
图3.22铰链摆杆机构
并联式机器脚
并联式机器脚的设计，如图是以六连杆机构的设计配合滑行对，并结合滑动机构来变换跨距，再配合髋部的旋转机构使只脚具有三个自由度。
并联机构是一种并行的三连杆机构，它由3个驱动器直接驱动机器人腿的3个自由度（大腿.小腿的抬放和侧向转动）。
该机构可以实现全方位运动，但因为每条腿上有三个自由度，需要三个驱动器分别直接驱动，控制系统较为复杂。
优点是利用较少的连杆，达到一良好的封闭曲线。
而5连杆连分别为：
大腿（L1）.小腿（L4）.腱（L3），曲柄（L2）及固定底座（L0）等5个杆件所组成。
在大腿上有滑动键结，供曲柄与腱的接触点滑行，而拉动小腿，使形成一封闭曲线的移动。
通过比较，容易发现，方案二过于复杂，而脚本不需要太多的运动，故方案一有一定的优越性。
我们这里选择方案一。
下面我们对其进行优化设计。
由于机器人遇到的环境可能会比较复杂，有可能是崎岖的山路，也有可能是平坦的街道，不管怎样，都要求脚部要有一定承受震荡和冲击的能力，这里，我们采用了弹性钢片来解决这个问题。
如图所示，我们在脚上安装了弹性钢片，弹性钢片与地面接触，可以有效地减少震荡和冲击。
另外，这一设计还有一个特别的用处，当遇到悬挂楼梯等，可以勾住的物体时，前肢的脚将会发挥特有的功效，它可以勾住任何可以勾的物体然后进行攀爬，这一特性，灵感来源于大猩猩。
3.3“快件搬运机器人”特色附件设计
1）.信号接收装置设计
能够进行远距离信息的发送与接收。
图3.25信号接收装置
2）.机构运动的控制与驱动装置设计
机器人通过主控芯片对各个机构的运动进行控制与驱动，下面是控制原理。
图3.26主控芯片与各个系统之间的协调关系
图3.27主控芯片对视频信号处理的工作循环图
图3.28主控芯片对电机控制的工作循环图
图3.29主控芯片对气压系统控制的工作循环图
图3.30主控芯片对信号传输控制的工作循环图
我们主要采用两种驱动方式，第一种电机驱动，这种驱动方式主要是针对旋转机构，第二种是气压驱动，主要是针对伸缩机构。
通过两种驱动方式的巧妙配合可以完美的实现机器人的各种动作。
两爪机械手气压装置需要的最大伸缩距离：
39.3mm
三爪机械手气压装置需要的最大伸缩距离：
51.6mm
手腕气压装置需要的最大伸缩距离：
30mm
腰部气压装置需要的最大伸缩距离：
脚部气压装置需要的最大伸缩距离：
机械手连接部分需要的额定电机功率：
320W
手腕旋转部分需要的额定电机功率：
机械臂旋转部分需要的额定电机功率：
400W
头部及支杆旋转部分需要的额定电机功率：
腰部旋转部分需要的额定电机功率：
800W
膝关节旋转部分需要的额定电机功率：
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