搬运机器人设计计算说明书(谭)

1、搬运机器人用于替代人工，将重复性、重体力和严苛环境中的转运环节所需的人员释放出来。不同种类、规格的机器人用途不一，应用侧重不一，按照我公司的开发方向，机器人需要达到以下目的：使用尽量简单直接的结构设计、功能单一、操作方便、成本低廉、易于维护等。通用性6关节机器人多用于非常规加工方面，例如焊接、激光切割、表面处理等，除要求位置精度外，对姿态的控制也有很直观的需要，而且涉及到的学科较多，包括光电控制、电液驱动、精密加工、插补算法等，开发成本对于中小型企业来说是非常沉重的负担，故而考虑到公司的具体情况，将会尽量的简化设计，选择提供单一功能的控制实现途径，预留升级和换代的必要空间。1 基本要求此搬运机

2、器人将用于墙材（砖）的拆垛和码垛，将用于3种砖型及其对应的34种垛型的取料、转运和码放等过程。具体见下表：砖型外形垛型备注标砖240*115*53mm足厚取50mm720*720*1380mm960*960*1380mm小标200*100*50mm本次设计初始任务为720*720*1380mm垛型，见Error! Reference source not found.Error! Reference source not found.：图 1 参考垛型图1.1 工作任务定点取砖、转运、并码成实心垛1.2 本体构造工业用6关节机器人本体可以分为两个部分：第13关节用于机器人精确定位，第46关节用

3、于机器人的姿态控制。搬运机器人末端执行器（下文称为手爪）的姿态只需要一种，即： 垂直取放：手爪基准面垂直于Z轴； 侧面取放：手爪基准面垂直于X或Y轴；如不考虑手爪自身的运动和控制方式，正常情况下机器人本体（下文称为本体）只需要4个关节。1.3 控制方式单活动关节一般需要一套执行部件（电机、减速机、驱动器）。本次设计的本体将已720*720*7380mm的砖垛进行分析、测试和复核的等计算过程，并采用垂直取放形式。第13关节均需要独立的执行部件，第4关节可以采用平面四杆机构对手爪姿态进行限制，即，第4关节将作为一个被动关节进行设计，而不再需要单独的执行部件。本体定位和手爪姿态需要联控，而手爪动作则

4、是本体就位之后的环节。（要实现预期的功能，需考虑下图中注明的2个问题）2 工作空间开放式的工作方式对本体限制最少，能够尽量减少高速联动对本体的影响，并且可以降低误差插补的难度，而实际的应用中，机器人的工作总是会受到一定的限制，例如设备排布、人员安全、厂房条件等。作为一台墙材搬运用途的机器人，场地和设备的限制对机器人很少，可以忽略不计，人员安全方面可以通过设置安全工作区域、警示标志、安全教育等达到一定的效果。出于成本方面的考虑，不单独设计安全系统。安全工作区域则参考通用型工业机器人的设置进行设计。2.1 图解法本体包含3个主动关节和1个被动关节，被动关节对工作空间的形成没有影响。若本体基座高，大

5、臂长，小臂长，机身回转角的范围为，大臂俯仰角的范围为，小臂俯仰角的范围为。本体工作空间的边界曲线见下：1) 在平面内的边界曲线是由工作空间与过轴的轴平面相交，以其轴截面的形状表示，见Error! Reference source not found.中部分；a) 当大臂处于左极限位置，小臂有上极限摆到下极限位置，形成圆弧；b) 当大臂处于右极限位置，小臂有上极限摆到下极限位置，形成圆弧；c) 当小臂处于下极限位置，大臂由左极限位置摆到右极限位置，形成圆弧；d) 当小臂处于上极限位置，大臂由左极限位置摆到右极限位置，形成圆弧；2) 在平面内的边界曲线是由工作空间中离轴最远点和最近点旋转而成，见E

6、rror! Reference source not found.平面部分。以参考垛型（Error! Reference source not found.中虚线部分）为例，工作空间必须能够完全覆盖取料区域、转运区域和放料区域。取料区域为上道工序的末端，将会以单件、或多件的形式定点放置需要堆垛的砖块。预设取料区域与放料区域沿轴旋转角度差为90、且取料区域包含于放料区域。那么，平面上的工作空间投影可以暂定为90（此角度只决定于第1关节的旋转），即。用图解法可以很方便的计算出适用于最小工作空间的各参数值（见Error! Reference source not found.）。 图 2 工作空间示

7、意图图 3 工作空间初步计算3 动作规划机器人的动作过程见Error! Reference source not found.图 4 机器人动作过程3.1 工作节拍机器人的工作效率可以从两方面进行核算，一是效率，二是成本。此两个主要因素在规划阶段必须兼顾，不同的使用环境和客户承受力导致会有不同的倾向。具体的成本核算将在会穿插在后续的章节中进行描述，目的是固定成本要少、运行费用少低、无障碍运行时间要长、维修费用要小。初步估算为1台机器人取代1个搬运人员。现场的人工计算方式很多，需要同时考虑人员的身体素质、人员的工作技巧和现场的工作环境，比较复杂。现将其简化：人员作业范围为以腰部为轴、无需步行，在

8、180范围内、半径为800mm搬运2块砖，人员不能过于劳累，需要保证工作的持续性。预计时间不低于3s，以3s计算，机器人工作时间为人员的2.5倍，即机器人工作节拍参考值可设置为7.5s。将Error! Reference source not found.中的失效时间（即判断不能满足工作要求，如无砖、未正常取料、中途丢料等）忽略，设置附属时间为：“取料判定”0.1s，“本体位置判定”0.1s，“取料状况判定”0.1s，“放料状况判定”0.1s， “下道工序判定”0.1s，控制系统判定所需总时间=0.6s；“手爪取料”0.3s，“手爪放料”0.3s，执行器工作时间=0.6s；本体移动时间=7.5

9、-0.6-0.6=6.3s，对于非循迹工作的机器人而言，预设去程和回城路径一致、方向相反，在轻载状况下，可以认为两段时间相等，即本体就位时间（去程）=本体转移时间（回程）=3.15s。3.2 本体自由度运动在试验验证海绵吸盘作为手爪拾取机构之前，手爪拾取机构为气动夹具，手爪姿态为见Error! Reference source not found.。图 5 手爪拾取示意图以Error! Reference source not found.中的手爪姿态为基础，“本体就位”过程可分为三个步骤：垂直提升（沿z轴向上）-大范围转移-垂直下降。此三个阶段分别设定工作时间为0.3s、2.55s、0.3s

10、。其中，1关节在极限位置的关节角最大（约114），见Error! Reference source not found.。可以初步设定1关节最大运动速度114/2.55s/2=89.4/s。按照机器人的工作方式（无论是否三轴联动），其他关节的空间角度和关节速度都小于1关节，即暂时可以将，可以暂时将89.4/s作为最高参考速度纳入校核范围。图 6 1关节极限位置图4 轨迹计算现在可以对具体的结构进行计算，并对前面章节中设定关节参数和工作空间范围进行校核。4.1 运动学分析一般使用D-H方法来描述相邻杆件间的运动关系，使用4x4的齐次变换矩阵来描述基于关节本身建立坐标系的相互关系。一般的4关节机器

11、人只需要建立5个坐标系，由于本体中增加的平面四杆机构、即增加了一个被动关节，此搬运机器人需要建立5个坐标系。参考坐标系（或叫基坐标系）为，第i关节对应的坐标系为。坐标系建立规则如下： 确定轴：轴沿关节i+1的轴向 确定原点：在过和轴的公法线上 确定轴：轴过和轴的公法线方向，从指向轴 确定轴：，遵从右手定则。描述坐标间相互关系的关节变量/参数为： ：绕轴（右手定则）由向轴的关节角； ：从第坐标系的原点到轴和的交点沿轴的距离； ：从到的交点到第坐标系原点沿轴的偏置距离（即和两轴间的最小距离）； ：绕轴（右手定则）由轴转向轴的偏角。坐标系见Error! Reference source not found.。图 7 D-H坐标系坐标系和坐标系的齐次变换矩阵：将第个坐标系表示的点在坐标系中表示，需建立坐标系和坐标系的齐次变换矩阵，需经过以下变换：1) 将坐标系绕转角，使轴与轴平行并指向同一方向；2) 将坐标系沿平移，使轴与的轴重合；3) 将坐标系沿轴平移距离，使两坐标系的原点重合；4) 将坐