机器人行走机构及控制系统设计.docx

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机器人行走机构及控制系统设计

摘要

工业是指一种把自然物质原料加工成产品或成品的工业生产过程。

工业作为我国第二产业不可缺少的重要部分，也是我国国民经济的重要支撑部分。

伴随着工业化进程的加快和科学技术的持续增长，人们为了从繁琐劳累且单一的工作中解脱出来，便研发出功能强大的机器人来协助人们顺利完成工作。

机器人是工业化时代的产物，也是人类文明迈向科学技术的基石，机器人具有高科技的自动生产设备，能够独立且准确的完成人们交付的任务，且不会像人类一样产生生理上的疲乏。

本课题所研究的机器人行走机构有的也称作机器人第七轴轨道或者机器人地面轨道。

机器人行走机构可以看作是工业机器人的一个协助行走机构，由于其能够适用于多种工业场合，且在复杂的工业生产场合工作也不在话下，因此近几年来机器人行走机构也得以迅速发展。

机器人行走机构不仅能够大大减轻了人工劳作对单一繁琐工序的疲乏，也同时能够减轻重大工件对人工的重压。

我们也常说机器人行走机构只是工业机器人的一个行走辅助机构，其主要的功能作用是使得安装在机器人行走轨道之上的工业机器人能够被带动起来并且能够依照既定的路线进行来进行运动。

以此达到有效提高工业机器人的工作效率和拓展工业机器人的工作范围空间的目的。

鉴于此，本课题将开发设计出一套可以使工业机器人安装固定在其水平直线轨道上之上，同时需要设计可以驱动工业机器人在水平轨道上轻松的进行来回直线运动的机器人行走机构。

本课题的导轨采用线性滑轨可增加作业空间，并且通过安装在底部且相互啮合的一组齿轮齿条来传递驱动力，而动力源又是由伺服电机来提供的。

利用SolidWorks三维建模软件建立机器人行走机构的整体机构设计，在完成机构设计之后再利用西门子plc来进一步设计控制行走结构，这样一套完整的机器人行走机构能够设计出并可以满足实际要求。

关键词：

行走机构，工业机器人，plc，伺服电机

Robotwalkingmechanismandcontrolsystemdesign

ABSTRACT

Industryreferstotheworkandprocessofcollectingrawmaterialsandprocessingthemintoproducts.Industryisanimportantpartofthesecondaryindustryandthepillarofthenationaleconomy.Withthedevelopmentofscienceandtechnologyandthepromotionoflarge-scaleindustrialproduction,peoplehavedevelopedrobotstohelppeoplework.Robotsareahigh-techautomaticproductionequipmentdevelopedinrecentdecades.TheaccuracyofoperationsandthecompletionofoperationsintheenvironmentAbility,thebiggestadvantageoftherobotisthatitcandothesameactionrepeatedly,anditwillneverfeeltiredundernormalmechanicalconditions.

Therobotwalkingmechanismstudiedinthistopicisalsocalledtherobotgroundrailortheseventhaxisoftherobot.Asawalkingassistancemechanismforindustrialrobots,ithasalsodevelopedrapidly.Itiswidelyusedinoccasionswherethespaceiscomplexandtheworkpieceislarge,whichcangreatlyreducethefatigueofmanuallaboronasingletediousprocess,andcanalsoreducetheheavypressureonlaborofmajorworkpieces.Asanauxiliarymechanismofindustrialrobots,themainpurposeoftherobotwalkingmechanismistodrivetheindustrialrobotstomoveaccordingtoapredeterminedroute,therebyexpandingtheoperatingradiusoftherobotandgreatlyimprovingtheefficiencyoftherobot.Therefore,thissubjectwilldesignasetofrobotwalkingmechanism,specificallyawalkingsystemdeviceinwhichtherobotismountedonamovablebaseandmoveslinearlythroughaguideraildevice.Theguiderailadoptslinearsliderailstoincreasetheworkingspace,andthedrivingforceistransmittedthroughagroupofgearracksinstalledatthebottomandmeshingwitheachother,andthepowersourceisprovidedbytheservomotor.UseSolidWorks3Dmodelingsoftwaretoestablishtheoverallmechanismdesignoftherobotwalkingmechanism.Aftercompletingthemechanismdesign,useSiemensplctofurtherdesignthecontrolwalkingstructure.Suchacompletesetofrobotwalkingmechanismcanbedesignedtomeettheactualrequirements.

Keywords:

industrialrobot,walkingmechanism,plc,servomotor

机器人行走机构及控制系统设计

1绪论

1.1课题背景

机器人技术，在技术不断地变革中，作为一个目前正在高速崛起的新型行业，正在经历着飞速的发展。

机器人技术由于其多样性，因此可以运用在许多的行业及企业中，其适应性及发展前景可见一斑。

在我们的日常生活中，机器人也是慢慢地走入我们的视野，只是我们感觉不明显。

其实，我们的已经从最为传统的手工生产转型成为机械生产，其变化之大让人咋舌。

同时，机器人技术的程度也是能反应一个国家的经济实力以及军事能力的，也是对外宣扬国家能力的一种重要手段[1]。

在上世纪中期，机器人技术就已经开始逐渐并流行发展起来。

伴随着计算机的发展越来越好，同时工业农业自动化技术的普及，也是大大推动了机器人行业的前进步伐，同时也拓展了其涉足的领域[2]。

相辅相成，机器人在工业农业中的地位越来越高，人们越来越依赖机器人技术，同时也不断在进行着改进，优化机器人在专业领域的运用程度。

在现代机械产业中机器人技术已经成为一个不可缺少的部分。

机器人尤其的加速了工业生产过程中的机械自动化进程，具体表现为机器人能够提高工人手工劳作的效率同时提升产品的质量，能够在加速产品交换方面和优化工作条件方面起到十分重要的作用。

现如今机器人本身被更广泛地使用，特别是在高温，高压，灰尘，噪音，放射性和污染中等恶劣的环境中。

因此，它已被许多发达国家重视起来，同时投入了大量的物力，人力，财力进行科学应用研究。

工业机器人代表了在机电一体化方面的最高领域，是由于在机器人学术中的一个重要学术分支中，工业机器人占了很大比重。

工业机器人通常指的是在生产车间环境中完成物料运送，组件处理，加工和装配操作以满足自动化生产需求的一类机器人。

在国际标准化组织中，对于工业机器人还有一个比较明确的定义，即：

机器人是一种能够通过编程操控的全自动机械手，同时实时位置是被认为是接受控制的。

这种机器人的手臂安装有几个轴，这几个轴能够接收并解读编程指令去处理相应的指令任务，如搬运物料，加工零件，操控专用设备等，以执行人类安排的种种任务”。

现代多个先进科学领域的最新研究成果在机器人技术上体现的最为极致[3]。

这些先进科学领域包括自动化控制技术，机械电子技术，电子电工技术，光电技术，人工智能等，且机器人技术还代表了现如今光电一体化的最高成就。

伴随着工业化进程的加快以及人类科学研究达到一个新台阶，人们对机器人的要求不仅停留在外形要深得人心，其操作还要简单易懂，且更高的要求是具有更高的灵敏性，开放包容性和稳定性[4]。

机器人行走机构是工业机器人的一个行走辅助机构，现如今被各领域应用的十分广泛。

它是综合了控制理论和计算机理论，机械学科，现代科技和遥感技术，仿生学科以及人工智能等多种学科而形成的高新研究领域。

机器人行走机构的实际生产应用情况也作为衡量一个国家的工业自动化水平高低的标杆尺。

本文对机器人行走机构的结构进行了分析，发现此类行走机构能够满足生产自动化中的多种需求，包括装卸机床工件，传送物料，焊接，组装设备，喷涂材料，铸造，锻造，金属切削热处理，装卸工件，码垛等。

机器人能够通过安装在其身上的伺服系统来进行运动控制，且伺服系统定位的准确度很高，对于满足工业生产上的自动生产化完全不在话下。

1.2课题研究的目的及意义

工业生产中工人可能会执行某些单调，频繁和重复的长期操作，或者在危险恶劣的环境中完成工作任务，例如压力，压铸，热处理，焊接，喷漆和塑料制品成型等工作，而采用工业机器人来代替人工操作就可以解决以上问题，也不会造成人身安全。

此时人工劳作被工业机器人的机械加工和精准的装配过程所取代，在核工业和其他部门中完成危险货物的加工搬运或过程操作中危险担心将不复存在[5]。

工业机器人大规模投入生产应用当中不仅可以提升产品质量和扩大产品生产产量，重要的是可以保证人身安全，改善工作环境，减轻人工劳作强度，提高以往单一由人工劳作产生的生产率，而且可以节省原材料损耗并减少生产成本花销。

因此，促进包括工业机器人在内的各种用途的机器人的设计和研发应用具有利国利民的生产价值。

图1.1机器人行走机构

近年来，无论在我国还是在过国外，物料搬运逐渐呈现出系统化的规律，其中表现为物料搬运开始发展成开始成由开始的单一设备逐渐的走向成套设备，即是从单一走向系统化的过程[6]。

由于JIT，FMS，CIMS等先进现代制造技术的发展，在制造行业中也对原先的物料搬运系统产生了一个全新的要求。

这个要求便是，减少货物量的积压，减少运送货物时间，使得多个品种，多个品牌的物料能够按时按需到达目的地。

这个趋势采用了如今先进的物料搬运系统，也同时促进了机械行业在技术和生产水平方面取得巨大飞跃，因此这一趋势在机械工业方面逐渐被广泛应用起来。

本课题所研究的机器人行走机构通俗讲就是在工业机器人的一个底座上增加一个附加轴，使之成为工业机器人的一个行走辅助机构。

在某些需要准确操控的作业场合下例如某些焊接场合，由于工件的体积过大或空间几何形状过于复杂，导致工业机器人的焊枪无法精确到达所指定的焊缝方位，考虑到工业机器人的手臂作业半径具有一定局限性，为此我们将考虑能否为工业机器人另外增加一个协助机构，扩大机器人活动的自由度继同时也拓展了机器人的作业空间，以此达到多角度自由焊接的目的，从而提高了生产效率还提高作业精准度。

在一些实际生产过程中，有时候会产生很长工作周期的工位，而若是采用一个工位让一个机器人来进行管理的原则的话，那么不仅需要的机器人数量将会无限增大，而且产生的生产成本也是难以计数的，最重要的是，即使在不考虑成本的情况下将产品生产出来了，此时的产品也将失去市场竞争力，那样将得不偿失。

为了解决这个问题，本课题将考虑在工业机器人的外部设计添加一个辅助的行走机构，也就是本课题所要研究的机器人行走机构。

这时机器人可以实现管理完一个工位再运动到另外一个工位，所以就算是有许多工位的生产线，一个机器人就能完成管理的任务。

这样不仅能够大幅度的减少生产成本，增加产品竞争力，而且能够实现工厂的智能柔性化生产方式。

1.3机器人行走机构的国内外研究现状

从二十世纪七十年代未逐步发展至今的机器人行走机构,由于特殊的优异之处及受各企业欢迎，为工业生产自动化的进步作出了极大的贡献。

在早期，机器人的出现是为了协助工人完成一些复杂的工作。

随着科学技术的不断飞跃，机器人的轴数也在逐渐的增加起来,尤其是发展到现如今的机器人行走机构，也因可靠性使用寿命极高等优点，在常见的工业制造生产自动化中开始逐渐被应用起来，例如机器人行走机构就经常应用于焊接、喷涂、清扫等工位。

与人工劳动力相比，机器人行走机构具有高效率，工作时间不受限制等优点，就算昼夜也不停使用。

而且在投入使用时需要维护和保养的次数并不多，能够满足现代企业生产自动化的需求。

最重要的是,机器人行走机构在很大程度地拓展了工业制造的模式及范畴，原因是其基于可编程控制技术,能够满足生产制造中的个性化需求。

工业机器人的概念自早在1954年美国戴沃尔就最先提出了，发展到现在一直在不断地进步。

总结性的概述工业机器人的发展史大致可分为三个阶段；第一阶段:

是不具备反馈功能的示教再现型机器人[7]。

如挖掘机手柄，该机构能够实现示教再现的动作还同时具有结构简单的自动操作机构，但不具备反馈功能。

第二阶段:

具有知觉且同时具备外部传感器的机器人。

这类机器人能获取外部环境信息的原因是体内装有传感器。

比如蛇形机器人即使在环境不确定情况下也依然具备有一定的运动能力，究其原因是其具备外部测力的传感器和内部测转速的传感器。

第三阶段:

装有自动控制系统，能解读相应命令的机器人。

它可以感知外部环境，智能识别外来物，并且可以自身操作程序规划来完成指令任务”。

学者JohnVannoy等人曾采用实时的能主动设计路线PUMA560机械臂，它具有可适应性的运动规划算法去完成设定目标，能自动鉴别在复杂变动的环境中来自不同位置的静止不动或运动中的障碍物。

目前，焊接轨道基本上在国内和海外国家都有广泛使用，实际上，德国和日本的许多机床也都具有焊接底板，并且与相关技术密切相关。

在国内，许多大型机床生产厂家也考虑采用焊接床身，但大部分都是不成功的。

一是因为精度不高，二因为在使用过程中容易变形，调整难度非常大。

其实也是因为国内的焊接技术，材料、和机械加工工艺以及设备，与德国和日本有着许多的技术不对等。

同时因为机器人行走机构具有较长的有效行程，要想达到理想的精度和使用寿命，在国内目前是很难做到的。

在国外，工业机器人已经变成一种标准化设备在机械行业日趋流行起来并被广泛投入生产应用中[3]。

也因此一大批具有显著影响力的工业机器人公司如雨后春笋般开始创立起来，它们逐渐发展成为在所在地区的支柱性产业的公司，它们是:

瑞典的ABBRobotics;日本的FANUC、Yaskawa,德国的KUKARoboter，美国的AdeptTechno1ogy、AmericanRobot、EmersonIndustrialAutomation、S-TRobotics。

据国际机器人联合会和联合国欧洲经济委员会（UNECE）和（IFR）的相关数据调查显示，自上世纪下半叶以来世界机器人市场前景发展迅猛，并且机器人相关产业一直保持着持续增长的良好状态。

根据国外专家的推测，机器人产业将是继计算机产业和汽车产业之后的一种新兴大型高新科技产业。

工业机器人自动化生产线的成套设备已成为该过程的主要设备，并且这个趋势在发达国家中逐渐开始扩散开来。

为了在提高生产效率的同时产品质量又得到保障，最重要的是为了避免不必要的人员伤亡，在国外的一些相关行业，如汽车行业、计算机行业、机械制造等行业中工业机器人已经在自动化生产线广泛投入生产应用[3]。

现如今日本、意大利、德国、欧盟、美国等国家工业机器人数量的生产量处于世界前列。

根据约半个世纪以来工业机器人在全球大部分国家的的实际使用情况发现，工业机器人的应用的普及，使工业实现了自动化生产，而且加快社会生产力和企业的生产应用水平，整个社会生产效率也随之提升。

就如众人所熟知的那样，机器人行走机构是现代制造行业中重要的自动化生产设备，它是集诸多学科和先进科学技术于一体的机械装备。

聚集了机械学科、计算机控制、伺服控制、传感器、人工智能等，是一种能够带动六轴机器人能在不同生产工位完成工作的工业机器人的行走辅助机构。

机器人行走机构的应用可以解决企业的成本顾虑，如一些工位工作周期长,一个工位只用一台机器人来管理就会产生较高的成本。

机器人行走机构还有着传统工业机器人无可比拟的优点，也逐渐成为人们探讨的话题中心，越来越多的研究也开展在其身上，虽然说相比传统的机器人在在行业的应用和普及上或是销售额上仍然具有一定差距。

另外，由于机器人行走机构有着巨大的发展优势，我国如雨后春笋般出现了一大批的机器人行走机构的生产厂家。

即使由于大批的生产制造商的涌入，可能会导致一些伪劣产品的产生，但也有些良心企业坚持走高品质路线在质量方面坚持严格把关,追求每个机器人行走机构的方案做到完美。

例如库比克公司，该公司拥有众多技术娴熟的研发设计团队和生产人员;拥有负责人，讲业绩的销售服务人员；同时集中了数年在机械行业、自动化领域努力的技术成果和管理经验。

伴随我国工业化进程在不断的加快，机器人行走机构在国内的发展应用也在稳步的提升。

1.4本课题的主要内容

本课题对机器人行走机构进行机械结构的建模采用的软件为solidworks建模软件。

主要的设计部分包括行走导轨，行走底座以及在水平导轨上移动的动力机构，运动机构，传动机构等。

本课题的行走导轨顶端设置有能带动机器人运动的滑块和移动座，移动座安装于滑块之上套接在两根水平的行走导轨表面，移动座下面设置有驱动电机和行星齿轮减速器，行星齿轮减速器通过外伸的旋转轴驱动一组相互啮合的齿轮齿条，从而带动安装于移动座之上的机器人。

在对机器人行走机构机构设计的过程中我们还要明确以下原则:

a.机构尺寸要满足设计要求:

b.零部件便于加工、测量:

c.机构零部件的设计要在机构的强度和刚度要求的数值范围之内;d.设计的机构便于安装、调试和修理:

e.机器人的移动平台要为将来的传感器、功能元件如伺服电机等预留安装空间和位置。

f.保证各个装配部件以及装配组件便于拆装，且保证机构满足设计运动要求，互不干扰。

本课题需要设计一套机器人行走机构，包括以下拟解决的关键问题：

a）机器人导轨底座设计（要考虑承受的质量范围）

b）驱动机构设计（由齿轮齿条驱动）

c）行走导轨设计（需考虑导轨直线度，最大有效行程）

d）PLC控制系统设计

1.5本课题的研究方法

首先查阅文献资料，从文献资料中掌握一些关于机器人行走机构的基本知识，如工作原理和相关设计原则，从而确定研究方案。

然后再分析行走机构的各部分细节构造，定出各零部件的尺寸形状，制作机器人行走机构的装配图和零件图,利用仿真模块进行运动仿真模拟。

本课题主要采用系统化设计方法来对机器人行走机构进行研究：

（1）先拟定本次研究的整体设计方案，拟定机器人行走机构的主要板块和机械结构；

（2）初步确定机器人行走机构的整体尺寸；（3）选取机器人行走机构的标准件型号。

本设计主要通过分析具体构架，结合高等代数、机械原理、PLC等相关知识以及利用互联网资源对机器人行走机构进行合理的分析与设计。

从另一个角度上看，本课题的所要研究的机器人行走机构主要集中在研究分析其运动机构上。

更进一步说，对于机器人行走机构的结构方面，运动机构的设计不能太过繁琐，太过繁琐的运动结构可能会使得传动和整体机构的实现超出自己所能设计的范围。

因此可以把对机器人行走机构的设计要求归纳为如下所示：

（1）实现运动的要求；

（2）承载能力的要求；（3）结构实现和方便控制的要求。

（4）驱动机构设计（齿轮齿条）如封闭式齿条装在内面一侧，而导轨一般是装在基座的两边外侧面。

1.6本章小结

通过了解和翻阅各种文献资料之后，使我了解到了机器人行走机构的国内外研究现状，明确了本课题的背景和目的及意义。

这一章主要论述的包括机器人行走机构的课题背景，课题研究的目的及意义及国内外对机器人行走机构的研究现状。

本课题中研究的机器人行走机构简单说属于一种典型的工业机器人行走辅助机构的优化设计。

针对传统机器人在机械方面自身具有的局限型，本课题将考虑增加在工业机器人的外部增加一个行走机构，以此来设计出环境适应能力较强的且工作范围更加自由灵活的机器人行走机构。

基于如今已投入生产应用的工业机器人来设计机器人行走机构的机械结构。

机器行走机构机械结构和自由度数以及驱动方式等的直接影响了整体的运动传动方式。

在本章节中，我也明确了机器人行走机构的设计最重要的就是行走结构部分，行走结构决定了整体结构，明确了设计重点为接下来的行走机构设计奠定一定基础。

2机器人行走机构的结构设计

2.1工业机器人的结构特点

工业机器人的基本结构决定了其是否能实现所设定的功能的基础。

为了解决现代企业中劳动力匮乏的窘境，提高企业的实际生产效率，工业机器人得以应运而生。

它主要面向工业领域，具有多自由度同时具有多关节的机械手臂。

机械部分和驱动部分组成了大部分现代工业机器人的结构。

机械部分也即是我们常说的机器人的身体部分，或是我们常说的机器人的躯体部分。

机器人要能够实现运动，各个关节中传感装置和传动装置必不可少，它们相互配合起来才能驱动机器人,这就是驱动系统。

它的作用是向机器人各部分和各关节提供动作的原动力。

驱动系统传动部分可以分成几种系统结合相互起来的综合传动系统，包括液压传动系统、电动传动系统和气动传动系统等。

四个主要部分构成工业机器人的主要机械结构，它们分别是:

机身、手臂、腕部和手指关节。

每一个机械结构都具有许多的自由度,整体构成一个具有多自由的机械系统。

直接安装在手腕上的末端操作器便是一个重要的部件，可以安装喷漆枪或者多手指的手爪等操作器件。

图2.1工业机器人

2.2机器人行走机构的结构特点

随着生产自动化和智能制造的发展，机器人行走机构几乎到处可见，并且使用率越来越高，应用领域也越来越广。

在工业制造中的许多行业总能找到它的身影，如喷涂、焊接、机械加工、搬运、上下料等。

机器人行走机构，又叫机器人第七轴，机器人外部行走轴，它是可以按事先规划好的路线来进行移动的机器人，同时能够扩展传统工业机器人的使用范围，扩大传统工业机器人作业空间，在进一步提高机器人使用效率同时，能够降低企业机器人的使用成本，企业的自动化生产管理实现起来也十分容易。

伴随工业机器人广泛投入使用，机器人行走机构作为机器人的外部辅助行走机构也受到了来自各大企业的关注。

机器人行走机构在一些工作周期很长、工作半径很大、需要多个机器人同时管理一个工位的场合非常适用。

在生产应用中