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搬运机器人
目录
1绪论…………………………………………………………………2
1.1机器人的论述…………………………………………………2
1.2机器人的历史现状……………………………………………4
1.3机器人的发展趋势……………………………………………5
2搬运机器人的总体设计……………………………………………6
2.1搬运机器人原理设计…………………………………………6
2.2搬运机器人的机械系统设计…………………………………6
3手臂设计及计算……………………………………………………9
3.1搬运机器人臂部的驱动计算…………………………………10
3.2臂部上零件的选型及其校核…………………………………13
4结论………………………………………………………………15
5参考文献………………………………………………………………16
1绪论
1.1机器人的论述
在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。
化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。
但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。
专用机床是大批量生产自动化的有效办法；程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。
但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。
机器人的出现并得到应用，为这些作业的机械化奠定了良好的基础。
“工业机器人”（IndustrialRobot）：
多数是指程序可变（编）的独立的自动抓取、搬运工件、操作工具的装置（国内称作工业机器人或通用机器人）。
机器人是一种具有人体上肢的部分功能，工作程序固定的自动化装置。
机器人具有结构简单、成本低廉、维修容易的优势，但功能较少，适应性较差。
目前我国常把具有上述特点的机器人称为专用机器人，而把工业机械人称为通用机器人。
简而言之，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，也即本文所研究的对象。
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（Manipulator）。
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，如图1-1所示。
图1-1机器人的一般组成
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。
它们之间的相互关系如图1-2所示。
图1-2机器人各组成部分之间的关系
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。
驱动－传动系统主要包括驱动机构和传动系统。
驱动机构提供机器人各关节所需要的动力，传动系统则将驱动力转换为满足机器人各关节力矩和运动所要求的驱动力或力矩。
有的文献则把机器人分为机系
统、驱动系统和控制系统三大部分。
1.2机器人的历史、现状
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（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（FlexibleManufacturingSystem）和柔性制造单元FMC（FlexibleManufacturingCell）中的重要一环。
随着工业机器人研究制造和应用领域不断扩大，国际性学术交流活动十分活跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。
国际工业机器人会议ISIR决定每年召开一次会议，讨论和研究机器人的发展及应用问题。
目前，工业机器人主要用于装卸、搬运、焊接、铸锻和热处理等方面，无论数量、品种和性能方面还不能满足工业生产发展的需要。
使用工业机器人代替人工操作的，主要是在危险作业（广义的）、多粉尘、高温、噪声、工作空间狭小等不适于人工作业的环境。
在国外机械制造业中，工业机器人应用较多，发展较快。
目前主要应用于机床、模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先制订的作业程序完成规定的操作，但还不具备传感反馈能力，不能应付外界的变化。
如发生某些偏离时，就将引起零部件甚至机器人本身的损坏。
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。
然而，目前商品化的机器人系统多采用封闭结构的专用控制器，一般采用专用计算机作为上层主控计算机，使用专用机器人语言作为离线编程工具，采用专用微处理器，并将控制算法固化在EPROM中，这种专用系统很难（或不可能）集成外部硬件和软件。
修改封闭系统的代价是非常昂贵的，如果不进行重新设计，多数情况下技术上是不可能的。
解决这些问题的根本办法是研究和使用具有开放结构的机器人系统。
美国工业机器人技术的发展，大致经历了以下几个阶段：
（1）1963-1967年为试验定型阶段。
1963-1966年，万能自动化公司制造的工业机器人供用户做工艺试验。
1967年，该公司生产的工业机器人定型为1900型。
（2）1968-1970年为实际应用阶段。
这一时期，工业机器人在美国进入应用阶段，例如，美国通用汽车公司1968年订购了68台工业机器人；1969年该公司又自行研制出SAM新工业机器人，并用21组成电焊小汽车车身的焊接自动线；又如，美国克莱斯勒汽车公司32条冲压自动线上的448台冲床都用工业机器人传递工件。
（3）1970年至今一直处于推广应用和技术发展阶段。
1970-1972年，工业机器人处于技术发展阶段。
1970年4月美国在伊利斯工学院研究所召开了第一届全国工业机器人会议。
据当时统计，美国大约200台工业机器人，工作时间共达60万小时以上，与此同时，出现了所谓了高级机器人，例如：
森德斯兰德公司（Sundstrand）发明了用小型计算机控制50台机器人的系统。
又如，万能自动公司制成了由25台机器人组成的汽车车轮生产自动线。
麻省理工学院研制了具有有“手眼”系统的高识别能力微型机器人。
其他国家，如日本、苏联、西欧，大多是从1967，1968年开始以美国的“Versatran”和“Unimate”型机器人为蓝本开始进行研制的。
就日本来说，1967年，日本丰田织机公司引进美国的“Versatran”,川崎重工公司引进“Unimate”，并获得迅速发展。
通过引进技术、仿制、改造创新。
很快研制出国产化机器人，技术水平很快赶上美国并超过其他国家。
经过大约10年的实用化时期以后，从1980年开始进入广泛的普及时代。
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搬运机器人总体设计
该搬运机器人参考3388型机器人为基础进行改型设计，该型机器人在生产中广泛应用，各种性能经过实践检验，因此以其为基础额改型设计具有较大可行性，且能够满足课题要求。
该型搬运机器人广泛应用于各种工艺要求的成组看管的设备上。
工业机器人保证旋转体毛坯的机床装料，以及搬运已加工的零件。
2.1搬运机器人原理设计
该型搬运机器人为可移动门架式结构：
手臂承载机构可沿着导轨进行移动，导轨安装与立柱上，位于被看管设备上方。
该机器人共有五个自由度：
1手臂承载机构沿导轨移动，由安装于承载机构上的双作用气缸驱动装置，保证操作机手臂实现600mm的往复运动；
2手臂在肩关节中的转动，由安装于承载机构上的双作用气缸驱动装置，运动传递机构和安装于肩部的滚珠丝杠实现；
3手臂在肘关节中的转动，由安装于小臂上的双作用气缸驱动装置，运动传递机构实现；
2.2搬运机器人的机械系统设计
2.2.1搬运机器人的驱动方式
机器人的方式有电动、液压和气动三种方式。
一个机器人只有一种驱动方式，也可以有几种方式的联合。
以下是三种驱动方式的特点：
（1）液压传动。
具有较大功率体积比，常用于大负载的场合；压力、流量均容易控制，可无级调速；反应灵敏，可实现连续轨迹控制，维修方便；但液体对温度变化敏感，油液泄漏易着火；中小型专用机械手或机器人都有应用，重型机械手多为液压驱动；液压元件成本较高，油路也比较复杂。
（2）气压传动。
气动系统简单，成本低，适合于节拍快、负载小且精度要求不高的场合，常用于点位控制、抓取、弹性握持和真空吸附，可高速，但冲击较严重，精确定位困难；维修简单，能在高温、粉尘等恶劣环境中使用，泄漏无影响；中小型专用机械手或机器人都有应用。
（3）电动。
有异步电机、直流电机、步进或伺服电机等电动驱动方式。
适合于中等负载，特别是适合动作复杂、运动轨迹严格的工业机器人和各种微型机器人。
根据三种驱动方式的比较，该搬运机器人选用气压传动。
2.2.2搬运机器人的关节驱动方式
搬运机器人的关节驱动方式分为直接驱动和间接驱动两种方式。
1.直接驱动
直接驱动的机器人也叫DDR，一般指驱动电机通过机械接口直接与关节连接。
关节直接驱动的特点是驱动电机和关节之间没有速度和转矩的转换。
这种驱动方式具有一下特点：
（1）机械传动精度高；
（2）振动小，结构刚性好；
（3）结构紧凑，可靠性高；
（4）电机的重量会增加转动负担。
2.间接驱动
大部分机器人是间接驱动方式。
由于驱动器的输出转矩大大小于驱动关节所要求的转矩，所以必须要使用减速器。
间接驱动的特点：
（1）可以获得一个比较大的力矩；
（2）可以减轻关节的负担；
（3）可以把电机作为一个平衡质量；
（4）增加了传动误差；
（5）结构庞大。
间接驱动方式的形式多样，一般通过钢丝、滑轮连杆等器件实现间接驱动。
2.2.3搬运机器人材料的选择
选择机器人本体的材料，应从机器人的性能要求出发，满足机器人的设计和制造要求。
一般搬运机器人材料的选择要遵循以下原则：
（1）机器人的臂和机器人整体是运动的，则要求采用轻质材料。
（2）精密机器人，则要求材料具有较好的刚性。
（3）还要考虑材料的可加工性等。
（4）机器人常用的材料有：
碳素结构钢、铝合金、硼纤维增强合金、陶瓷等。
3手臂设计及计算
臂部的机构形式必须根据机器人的运动形式、抓取重量、动作自由度、运动精度等因素来确定的。
同时，设计必须要考虑到手臂的受力情况，气缸及导向装置的布置，内部管路与手腕的连接形式等因素。
因此设计臂部时一般要注意下述要求。
1.刚度要大。
为防止臂部在运动过程中产生过大的变形，手臂截面形状的选择要合理。
工字形截面弯曲刚度一般要比圆截面大；空心轴的弯曲刚度和扭转刚度都比实心轴大得多。
2.导向性要好。
为防止手臂在直线运动中沿轴线发生相对转动，或设置导向装置，或设计方形，花键等形式的臂杆。
3.偏重力矩要小。
所谓偏重力矩就是指臂部的重量对气支承回转轴所产生的静力矩。
为提高机器人的运动速度，要尽量减少臂部运动部分的重量，以减少偏重力矩和整个手臂对回转机构的转动惯量。
4.运动要平稳，定位精度要高。
由于臂部运动速度越高，重量越大，惯性力引起的冲击就越大，使运动不平稳，定位精度不高。
故应尽量减少鼻部运动部分的重量，使结构紧凑，重量轻，同时要采取一定形式的缓冲措施。
手臂是工业机器人执行机构中最重要的部件。
它的作用是支承手部和腕部，并改变手部在空间的位置。
因此工业机器人的手臂一般有2～3个自由度，即手臂的伸缩、回转和升降（或俯仰）运动；专用机械手的臂部一般具有1～2个自由度，即伸缩、回转或直移。
手臂回转和升降运动是通过机座的立柱实现的，立柱的横向移动即为手臂的横移。
手臂的各种运动通常由驱动装置、各种传动装置、导向定位装置、支承连接件和位置检测元件等来实现，因此它受力一般比较复杂，其自重较大，同时直接承受腕部、手部和被抓取工件的静、动载荷，尤其在高速运动时，将产生较大的惯性力，引起冲击，影响定位的准确性。
臂部运动部分零部件的重量直接影响着臂部结构的刚度和强度。
专用机械手的臂部一般直接安装在主机上；工业机器人的臂部一般与控制系统和驱动系统一起安装在机身上，机身可以是固定的，也可以是行走的。
手臂的结构、工作范围、灵活性、抓重大小（即臂力）和定位精度都直接影响机器人的工作性能，所以须根据机器人的抓取重量、运动形式、自由度数、运动速度以及定位精度的要求来设计手臂的结构形式。
同时设计师必须考虑到手臂的受力情况，油（气）缸的导向装置的布置、内部管路与手腕的连接形式等因素。
因此设计时应注意手臂的刚度、导
向性、偏重力矩、运动平稳性和定位精度等因素。
按手臂的结构形式区分，手臂有单臂、双臂及悬挂式。
按坐标系区分，手臂有圆柱坐标型、极坐标型、直角坐标型和多关节型等。
按手臂的运动形式区分，手臂有直线运动的，如手臂的伸缩、升降及横向移动；有回转运动的，如手臂的左右回转、上下摆动（即俯仰）；有复合运动的，如直线运动和回转运动的组合、两直线运动的组合、两回转运动的组合。
3.1搬运机器人臂部的驱动计算
3.1.1臂水平伸缩运动驱动力的计算
手臂做水平伸缩运动时，首先要克服摩擦阻力，包括气缸与活塞之间的摩擦力及导向杆与支承滑套之间的摩擦阻力等，还要克服启动过程中的惯性力。
其驱动力Fq可按下式计算
Fq=Fm+Fg（N）
式中Fm—各支承处的摩擦阻力；
Fg—启动过程中的惯性力，其大小可按下式估算
Fg=Wa/g（N）
式中W—手臂伸缩部件的总重量（N）；
g—重力加速度（10m/
）
a—启动过程中的平均加速度（m/）
而a=/
—速度变化量（m/s）。
如果手臂从静止状态加速到工作速度v时，
则这个过程的速度变化量就等于手臂的工作速度；
—启动过程所用时间（s），一般为0.01～0.5（s），取为0.5s。
当Fm=100（N）,W=2000（N），=0.5m/s时，
Fq=100+
×
=100+200=300（N）。
3.1.2臂垂直伸缩运动驱动力的计算
手臂作垂直运动时，除了要克服摩擦阻力Fm和惯性力Fg外。
还要克服臂部运动部件的重力，故其驱动力Fg可按下式计算：
Fq=FmFg
W（N）
式中，Fm—各支承处的摩擦阻力（N）；
Fg—启动过程中的惯性力（N）；
W—臂部运动部件的总重量（N）；
—上升时为正，下降时为负。
当Fm=100N，Fg=150N,W=2000N，上升时：
Fg=100+150+2000=2250（N）；
当Fm=100N，Fg=150N,W=2000N，下降时：
Fg=100+150-2000=－1750（N）。
3.1.3臂部回转运动驱动力矩的计算
臂部回转运动驱动力矩应根据启动时产生的惯性力矩与回转部件支承处的摩擦力矩来计算。
由于启动过程一般不是等加速运动，故最大驱动力矩要比理论平均值大些，一般取平均值的1.3倍。
故驱动力矩Tq可按下式计算。
Tq=1.3（Tm+Tg）（N·m）
式中，Tm—各支承处的总摩擦阻力矩；
Tg—启动时的惯性力矩，可按下式计算
Tg=Jw/
式中，J—手臂部件对其回转轴线的转动惯量；
w—回转臂的工作角速度；
—回转臂启动时间。
如果零件作为质点，它对回转轴线的转动惯量为
Ja=G/g
如果零件重心位置与回转轴线不重合，则它对回转轴线的转动惯量为
Ja=J0+（G/g）
式中，J—零件对其重心的转动惯量；
p-零件的重心位置到回转轴线的距离；
G—零件的重量；
g—重力加速度（10m/）
当Tm=1500，p=400mm,w=60时有：
Ja=
Tg=
Tq=
3.1.4偏重力矩的计算和升降立柱不卡死的条件
3.1.4.1偏重力矩的计算
各零部件的重量可根据其结构形状、材料比重进行粗略计算，由于大多数零件采用对称形状的结构，其中心位置就在几何截面的几何中心上。
根据静力学原理，可求出手臂总重量的重心位置距回转轴的距离L，其大小为：
L
则偏重力矩为
Tp=WL
式中，—各零部件的重量；
—各零件的重心分别到回转轴的距离；
W—各零部件的总重量。
Tp=
3.1.4.2升降立柱不卡死的条件
手臂在总重量W的作用下，有一种顺时针方向倾斜的力矩，而立柱支承导套有阻止手臂倾斜的力矩，显然偏重力矩对升降运动的灵活性有很大影响。
如过偏重力矩过大，可能会使手臂立柱被卡死在导套内而不能作升降运动，故必须根据偏重力矩的大小决定立柱导套的长短。
根据升降立柱力的平衡条件得知：
N1=N2
N1h=WL
所以
N1=N2=
要使升降立柱在导套内升降自由，臂部总重量W大于导套与立柱之间的摩擦力，即升降立柱不至卡死的条件为
WFm1+Fm2=Fm总=2N1f=
化简后得
h2fL
式中，h—导套的长度；
f—导套与立柱之间的摩擦系数，f=0.10.015，一般去较大值；取f=0.1
L—偏重力矩。
所以有：
h
3.2臂部上零件的选型及其校核
3.2.1臂部花键轴的外形尺寸确定
臂部花键轴所受力
，FX，FY为该轴所受到的水平与竖直方向分力。
当小臂处于静态时，F静1=1800.05N，F静2=1315.4N。
当小臂处于动态时，F动1=950.4N，F动2=2540.2N。
F动2>F静1>F静2>F动1，所以取F=F动2，对花键轴受力进行设计。
花键轴，受力Fs=2540.2N。
该轴选用45钢，调质处理，材料许用剪切应力[τ]=150MPa，许用安全系数S=1.5。
根据剪切强度条件：
可算出花键轴最小截面积A，
，带入数值，可得
，即花键轴的直径
。
故选花键轴轴直径D=11mm。
3.2.2臂部花键轴上的轴承选型
臂部花键轴直径D=11mm，轴受力F=2540.2N，臂部为增加运动柔顺度，
由于该轴承只承受很小的轴向力，故可选用固定带轴承。
由以上各条件，可选用6120GB/T276—94，02系列，6204型轴承，该轴承d=20mm，额定动、静载荷分别为9.88kN、6.95kN。
轴承受力F=2540.2N，轴承最大转速n=5r/min。
轴承寿命可由下式进行计算：
式中，C—轴承径向载荷；
P—当量动载荷；
ε—寿命系数。
球轴承：
ε=3；
N—轴承的转速，r/min。
该轴承只承受径向力，故P=2540.2N，将各值带入公式中，得轴承寿命为：
4结论
本次课程设计查找许多关于机器人的资料，本次课程设计针对搬运机器人关键部件的手臂进行设计。
根据功能原理展开手臂结构设计，以3388型工业机器人为参考，其中包含手臂的伸缩机构和回转机构。
根据所查找的资料对手臂的伸缩机构和回转机构进行具体的设计。
包括双作用气缸的设计、拉杆的设计、活塞杆的设计、花键轴、机体。
通过搬运机器人臂部的驱动运算、臂部回转运动驱动力矩的计算、臂垂直伸缩运动驱动力的计算、偏重力矩的计算、升降立柱不卡死的条件以及手臂臂上的花键轴的尺寸设计和花键轴上的固定带轴承的校核。
通过一系列的计算及校核满足搬运机器人手臂部件的功能要求，实现本次课程设计的目的。
5参考文献
[1]索罗门采夫.《工业机器人图册》.北京机械工业出版社，1993
[2]周伯英.《工业机器人设计》.北京机械工业出版社，1995
[3]刘文波.《工业机器人》.东北大学出版社，2007
[4]巩云鹏.《机械设计课程设计》.东北大学出版社，2000
[5]马星国《机械设计》..科学出版社，2005
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