码垛机器人设计说明书

机电一体化课程设计

课程名称：课题名称：专 业：班 级：小组成员：指导教师：课设时间：

码垛机器人

机电一体化 五自由度小型码垛机器人 机械设计制造及其自动化 2016年1月

目录

摘要………………………………………………………………………………………………………1 第一章 背景介绍 .................................................................................. 2 第二章 机械结构总体设计 ................................................................... 4 2.1总体设计要求 ............................................................................. 4 2.2机械部分总体结构 ...................................................................... 4 2.3电机的选择 ................................................................................. 6 2.4底座的设计 ................................................................................. 7 2.5腰部的设计 ............................................................................... 10 2.6臂部的设计 ............................................................................... 12 2.6.1大臂的设计与校核 ........................................................... 12 2.6.2小臂的设计与校核 ........................................................... 14 2.7腕部的设计 ............................................................................... 16 2.8其他零件的设计与选择 ............................................................ 18 第三章 控制系统设计 ......................................................................... 23 第四章 运动分析 ................................................................................ 28 4.1 运动轨迹分析…………………………………………………28 4.2 运动函数分析…………………………………………………29 参考文献 ............................................................................................... 31

摘要

近年来,机器人技术发展非常迅速,各种用途的机器人在各个领域得到广泛的应用。于此同时,码垛技术也获得了飞速发展,尤其是机器人码垛发展更为迅猛,这种发展趋势是与当今制造领域出现的多品种小批量的发展趋势相适应的。本文围绕一个小型码垛机器人进行设计和分析。

首先根据设定的工作要求确定机器人的各项基本技术指标,为机器人的结构设计提供依据。在参考多种相关机器人的基础上,设计了机器人的整体方案和机械结构,码垛机器人是四自由度机器人,所有关节均采用转动关节,确定了采用舵机传动的方案。通过计算对机器人进行受力分析,目的是为了检验设计的机器人结构在强度和刚度上是否能够满足工作的要求。本课程设计将设计四自由度的抓取听装可乐小型简单码垛机器人。

关键词 ：码垛机器人 机器人技术 动态性能

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第一章 背景介绍

自20世纪80年代，我国码垛机器人在国家支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，经过几十年的发展，我国在机器人领域取得了很大成就。按机器人的发展过程，分为三代机器人。第一代机器人，具有视角再现功能或具有可编程的NC装置，但对外部信息不具备反馈能力;第二代机器人，不仅具有内部传感器，能获取外部环境信息。虽然没有应用人工智能技术，但是能进行机器人环境交互，具有在线适应能力；第三代机器人，具有多种智能传感器，能感知和领会外部环境信息。目前码垛机器人的应用主要在以下两个方面。恶劣工作环境，危险工作场合，这个领域的作业是一种有害于健康，并危及生命或不安全因素很大而不宜与人去干的作业。例如在冲床上下料、采矿、锻造等。

在自动化生产领域，码垛机器人可用来上下料、码垛、卸货以及抓取零件重新定向等作业。一个简单抓放作业机器人只需要较少的自由度，一个给零件定向作业的机器人要求具有更多的自由度，增加其灵巧性。工业机器人具有减少劳动力费用、提高生产效率、改进产品质量、增加制造过程的柔性、减少材料浪费、控制和加快库存的周转、降低成本、消除危险和劣势的劳动岗位。目前工业机器人的开发正处在一个蓬勃发展的阶段，在先进的工业发达国家里，工业机器人的开发与制造正在形成一个庞大的产业，全世界每年的工业机器人销售额可达42亿美元。尽管如此，工业机器人产业仍在不断拓展，不断向

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新的领域进军。我国工业机器人的应用前景十分宽广。但是，由于我国工业基础比较薄弱，劳动力比较丰富、低廉，给工业机器人的发展和应用。工业机器人功能部件的标准化与模块化是提高机器人的运动精度，运动速度，降低成本和提高可靠性的重要途径。近几年各国注重发展组合式工业机器人。它是采用标准化的模块件或组合件拼装而成。除了工业机器人用的各种伺服电机，传感器外，手臂、手腕和机身也已标准化。随着机器人作业精度的提高和作业环境的复杂变化，急需开发新型的微动机构来保证机器人的动作精准度，开发多关节，多自由度的手臂和手指及星星的行走机构，以适应日益复杂的作业需求。

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第二章 机械结构总体设计

2.1总体设计要求

本文研究的机器人为小型码垛机器人，旨在让其在桌面进行工作。其工作过程简单描述为：无论工作前处于什么状态，工作开始后回到原位，对桌面上的听装可乐等物体进行抓取，通过腰部旋转放到指定位置。工作范围半径350mm圆内，垂直方向的极限位置300mm。

2.2机械部分总体结构

本文设计的机器人的机械结构主要部分由底座、大臂、小臂、腕部和手爪装置组成（如图2-2-1所示）。底座是机器人的基础部分，执行机构和驱动装置都安装在底座上。大臂和小臂是执行机构中的主要运动部件，用来支撑腕关节和手部，并使它们在工作空间内运动。腕部是联结手臂与手爪的部件，用于调整手爪的方向和姿态。手爪装置一般指夹持装置，主要用来传递工作。

图2-2-1 码垛机器人整体结构图

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图2-2-2 码垛机器人线形图

图2-2-3 码垛机器人结构简图

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2.3电机的选择

机器人的驱动可分为气压驱动、液压驱动及电机驱动等多种方式,它们各自的优缺点不同,适用范围也不同。

气压驱动能源成本较低,机械结构简单,但是定位精度比较差。 液压驱动输出力可在很大的范围内调节,定位精度比较高,但是对温度变化敏感,油液易泄露,噪声比较大。

电机驱动机器人的效率比较高,运动速度以及位姿准确度超过启动及液压驱动,噪声和污染都比较小。

综上所述,根据实际的需要,本机器人选用电机驱动。 目前机器人电机主要有以下几种

1） 步进电机：可直接实现数字控制,控制结构简单,控制性能好,成本低廉通常不需要反馈就能对位置和速度进行控制位置误差不会积累。步进电机具有自锁能力和保持转矩的能力,适用于传动效率不大的关节或小型机器人。

2） 直流伺服电机具有良好的调速特性,较大的启动力矩,相对功率大及快速响应等特点,并且控制技术成熟。但其结构比较复杂,成本较高。

3） 交流伺服电机结构简单,运行可靠,使用维修方便,价格较为昂贵。

4） 舵机：角度可以保持在驱动当中，稳定性好，结构紧凑，易于安装，控制简单，大扭力，成本低。

结合机器人的要求,本文选用舵机，舵机结构如图2-3-1所示。

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图2-3-1 舵机结构图

考虑到所需舵机的各方面要求，我们选取型号为SM-S4303R的6V舵机，具体参数如下表：

表2-3-1

2.4底座的设计

底座材料选择聚甲醛。聚甲醛是一种表面光滑、有光泽的硬而致密的材料，淡黄或白色，薄壁部分呈半透明，强度、刚度高，弹性好，减磨耐磨性好。其力学性能优异，比强度可达50.5MPa，比刚度可达2650MPa，与金属十分接近。

码垛机器人的底座承载了整个机身的重量，以及底座本身内部装有舵机等，考虑到自身的刚度和强度，又结合经济性和重量限制外形等因素，综合考虑，设计底座结构如图2-4-1所示：

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图2-4-1 码垛机器人底座结构图

底座零件图如下：

图2-4-2 底座主视图

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图2-4-3 底座左视图

图2-4-4 底座俯视图

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2.5腰部的设计

图2-5-1 腰部结构图

码垛机器人的腰部结构如图2-6所示，腰部承载着大臂、小臂以及其他部件的重量，安装在腰部一侧的舵机用来实现大臂的前后运动。腰部的旋转靠安装在底座中的舵机完成，舵机与腰部间的联轴器通过键连接与腰部联结。腰部中间部分设计成部分中空，目的是减轻机身重量。 腰部的三视图如下：

图2-5-2 腰部主视图

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图2-5-3 腰部左视图

图2-5-4 腰部俯视图

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2.6臂部的设计

码垛机器人的臂部主要由大臂、小臂及其他附件组成，考虑其运动特点及整体结构质量，材料选择铝合金6061。

铝合金6061的力学性能：

极限抗拉强度为124 MPa，受拉屈服强度 55.2 MPa，延伸率25.0 %，弹性系数68.9 GPa，弯曲极限强度228 MPa，泊松比0.330，疲劳强度 62.1 MPa，密度为2.8g/cm3。

2.6.1大臂的设计与校核 1) 大臂的结构设计

图2-6-1 大臂结构图

大臂主要做前后的摆动动作，通过与腰部连接的电机实现，主要结构如图2-6-1所示，横截面为矩形，一面与腰部相连，一面与小臂相连，此处舵机装在大臂上，方便控制小臂的运动。具体尺寸如图2-6-2和图2-6-3所示。

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图2-6-2 大臂主视图

图2-6-3 大臂俯视图

2) 大臂的弯曲强度校核

大臂受力方向与大臂夹角为53.74°（45°+8.74°），此处受力分析取为60°。

大臂的受力分析图及弯矩图如下：

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图2-6-4 大臂的受力分析及弯矩图

大臂的体积估算为v=4×2×20+π×22×2.8=195cm3 大臂的质量估算为m=ρv=2.8×195=546g σ

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6)+ G4·sin60°·L/(b·h2/6)=2max=MX/WX=2G3·sin60°·L/(b·h/

×（0.3+0.546）×(1.732/2)×9.8×10/(4×22/6)+ 0.546×(1.732/2)×9.8×10/(4×22/6)= 71.23MPa﹤[σ] ∴ 大臂的设计符合弯曲强度要求。

2.6.2小臂的设计与校核

1) 小臂的设计

图2-6-5 小臂结构图

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小臂的结构相较于大臂稍简单，两端呈对称结构，如图2-14所示，两端分别与相应的舵机相连，除了与大臂相连的一端，另一端与腕部相连。

图2-6-6 小臂主视图

图2-6-7 小臂俯视图

2) 小臂的弯曲强度校核 小臂的受力分析图及弯矩图如下：

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图2-6-8 小臂受力分析及弯矩图

小臂的体积估算为v=4×2×20+π×22×2.8=195cm3 小臂的质量估算为m=ρv=2.8×195=546g σ

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6)+ G2·L/(b·h2/6)=2×0.3×9.8×10/(4max=MX/WX=2G1·L/(b·h/

×22/6)+ 0.546×9.8×10/(4×22/6)=42.12MPa﹤[σ] ∴ 小臂的设计符合弯曲强度要求。

2.7腕部的设计

图2-7-1 腕部结构图

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腕部的主要作用是利用舵机控制手爪的工作，并有自己的工作范围。主要结构图如图2-7-1。

图2-7-2 腕部主视图

图2-7-3 腕部左视图

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图2-7-4 腕部俯视图

2.8其他零件设计与选择

（1）底座用吸盘的选择：

D≥（9800MS/πnp）

吸盘内的真空度约为-67.15kpa

D：需要的吸盘直径（mm) 图2.8.1 吸盘结构图 M：工件重量（KG） S：安全系数（水平起吊S=4，垂直起吊S=8） n：吸盘的个数 P：真空压力（-Kpa)

考虑到吸附工件的可吸附尺寸（面），所选的吸盘直径应设定为大于根据目录所得出的所需吸盘直径（D）。因为吸盘在吸附工件时

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以C2为原点半径200做个圆，再以A为原点半径200做个圆，得出两圆交点，既图中B1点，则当从C到C2时，必须同时让B到B1处，设两臂的旋转时间定为某一相等时间，则只需要知道两臂各自的摆动角度即可得出两臂的旋转速度，而此两个角度通过计算机绘图仿真即可测出，如图中所测。知道两臂各自旋转的角度，这时假设CD时不转的，则CD被自然旋转的角度为两臂旋转的角度和，于是在两臂旋转的同一时间内将腕部CD反转，旋转角度大小为两臂旋转角度之和，如此即可保证腕部CD时刻处于竖直状态。

4.2 运动函数分析

本次函数分析是基于UG运动仿真中的STEP函数进行分析，假设从D点运动到D1点处的时间为5秒，则此时可计算出A点处电机的速度为

Va=8.74°/5s=1.748°/s B点处电机的速度为

Vb=17.00°/5s=3.4°/s

C点处电机的速度为

Vc=-25.74°/5s=-5.148°/s

由此可得出在这5秒内控制各个电机的STEP函数为

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A处电机：

STEP( x, 0, 0, 0.001, 1.748)+STEP( x, 5, 0, 5.001, -1.748)

B处电机：

STEP( x, 0, 0, 0.001, 3.4)+STEP( x, 5, 0, 5.001, -3.4)

C处电机：

STEP( x, 0, 0, 0.001, -5.148)+STEP( x, 5, 0, 5.001, 5.148)

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参考文献

[1]刘涛.层码垛机器人结构设计及动态性能分析.兰州理工大学硕士学位论文.2010.5.

[2] 曹志民.四自由度码垛机器人设计、承载能力分析与优化研究.武汉科技大学硕士学位论文.2014.5.

[3]吴宗泽，罗圣国.机械设计课程设计手册（第三版）.

[4]杨世明.机械设计（下册）——机械零件设计.北京.电子工业出版社2014.1.

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会产生变形，所以吸盘的外径大小要增大10%左右。求出的吸盘直径如果超出目录上的数值时，按2个以上计算。

带入所需数据得出D≧16.7mm，根据需求选择D=20mm的真空吸盘四个。

（2）底座与腰部连接轴一设计

图2-8-2 轴一整体结构图

其设计尺寸如下图所示：

图2-8-3 轴一主视图

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图2-8-4 轴一左视图

（3）轴二的设计

图2-8-5 轴二整体结构图

其设计尺寸如下图所示：

图2-8-6 轴二主视图

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图2-8-7 轴二左视图

本设计中，在腰部与大臂间、大臂与小臂间、小臂与腕部间均采用轴二连接。为了增加强度与刚度，轴一与轴二均采用45号钢材料设计加工。

（4）深沟球轴承6013 GB/T276-1994，结构如下图所示：

图2-8-8

（5）推力球轴承51207 GB/T301-1995，结构如下图所示：

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图2-8-9

（6）螺钉M2x10、M2x7 GB/T818-2000 （7）键B4x4x16 GB/T1096-2003 （8）塞子的设计，如图2-8-10所示：

图2-8-10

此塞子采用聚甲醛材料设计，由于塞紧大臂、小臂与舵机轴连接处的通孔。

（9）舵盘选择，其结构如下图所示：

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图2-8-11 舵盘整体结构图

此舵盘即是所谓的联轴器，与舵机配套，购买舵机时配有此舵盘，用于舵机与轴一、轴二的连接。

第三章 控制系统设计

考虑到本文选择舵机为动力装置，故选择用51单片机编程控制。

图3-1 单片机硬件接线图

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考虑到码垛机器人的运动状态，建立了主程序和几个子程序，具体流程图如下：

图3-2 系统运动流程图

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图3-3 内部运行流程

（1）小臂伸缩子程序流程如图3-4所示。P1.0为小臂收缩输入

端，P1.1为小臂伸出输入端，P0.0，P0.1，P.0.2分别为小臂伸缩输出端。

图3-4 小臂前后运动流程图

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（2）大臂上下运动子程序流程图如图3-5所示。P1.2为大臂下降输入端，P1.3为大臂上升输入端，P0.3，P0.4，P0.5分别为大臂上下输出端。

图3-5 大臂上下运动流程图

（3）控制腰部旋转时，P1.4为腰部左旋输入端，P1.5为腰部右旋输入端，P0.6，P0.7，P2.7分别为腰部左右旋输出端，腰部左右旋子程序流程如图3-6所示。

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图3-6 机体（腰部）左右转动图

（4）控制手爪的夹紧与放松中，P1.6为手爪抓紧输入端，P1.7为手爪放松输入端，P2.6为手爪输出端，手爪子程序流程图如图3-7所示。

图3-7 手爪夹紧放松流程图

（5）在基于单片机码垛机器人控制中P3.0为臂部启动引脚，P3.1为臂部停止引脚。

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第四章 运动分析

4.1 运动轨迹分析

本设计轨迹分析主要基于计算机绘图的几何尺寸分析，其运动轨迹如图4-1-1所示

图4-1-1 运动轨迹图

轨迹分析：本分析主要针对于竖直向下此段较难轨迹的分析。假设机器人初始位置为大臂AB与竖直方向夹角45度、小臂BC水平，腕部CD竖直，运动轨迹为D处的夹手竖直向下110毫米处夹取物体，设AB=200mm,BC=200mm，由图4-1-1所示，机械夹手从D运动到D1处，既可简化为从C点运动到C2点，

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