一种四自由度码垛机器人机构和运动分析
码垛机器人结构设计与运动分析
码垛机器人结构设计与运动分析任雪鸿;闫永志【摘要】根据目前物流自动化对箱包等物料高速码垛的工作要求,确定了码垛机器人的基本技术指标,设计了四自由度关节型码垛机器人的机械结构.通过运动学分析得出了码垛机器人的运动学方程,并通过对运动学方程的逆解求出码垛机器人各关节的位姿,应用SolidWorks软件构建了码垛机器人的三维实体模型,进行模型装配,实现了码垛机器人码垛过程的仿真.对码垛机器人结构的设计与运动学分析可以为设计和生产码垛机器人提供借鉴.【期刊名称】《新技术新工艺》【年(卷),期】2014(000)008【总页数】3页(P71-73)【关键词】码垛机器人;运动学分析;SolidWorks设计【作者】任雪鸿;闫永志【作者单位】西安铁路职业技术学院,陕西西安710014;陕西科技大学,陕西西安710021【正文语种】中文【中图分类】TP242码垛是将装入容器(如纸箱、编织袋和桶等)的物料或者经过包装和未经包装的规则物品，按一定排列码放在托盘(木质)上，进行自动堆码。
可堆码多层，然后推出以便于继续进行下一步包装或者用叉车运至仓库储存。
码垛机器人可以实现智能化操作管理，从而大大减少劳动人员，降低劳动强度。
码垛机器人已广泛应用于石化、食品、医药、饲料、粮食、有色矿物和建材等行业中的粉状、粒状物料以及规则有一定体积物品的自动码垛。
1.1 技术指标1)码垛物品：箱类物品(如一箱香烟)和袋装物品(如一编织袋洗衣粉)等。
2)物品尺寸：长为200～600 mm，宽为200～500 mm，高为100～200 mm。
3)物品质量：每件物品为4～20 kg。
4)码垛图谱：以2横3竖或者3横2竖(5件)为1层交叉码垛，每垛6层。
5)托盘尺寸：1 500 mm×1 500 mm×150 mm。
1.2 总体组成本次设计的码垛机械人为关节型，是工业机器人中最常见的构型，这类机器人不仅机构紧凑、占地面积小、工作空间大，还能绕过障碍物进行抓取，是机器人中使用最多的一种结构形式。
码垛机器人的结构设计与分析机械手毕业设计
码垛机器人的结构设计与分析机械手毕业设计毕业论文(设计)摘要本文主要任务是码垛机器人的结构设计与分析。
首先介绍码垛机器人的研究背景，并简要介绍了国内外码垛机器人发展状况和主要结构形式，在对码垛机器人的功能需求分析和原理性设计后，参考了其他码垛机器人的结构，进行了总体方案设计，确定了本码垛机器人的结构类型，为具有四自由度的圆柱坐标式机器人。
同时在总体方案的基础上，从实际出发，对码垛机器人进行了整体结构设计，并进行了腰部，臂部和腕部等主要结构的选型设计与分析，其中详细设计了臂部的同步带传动、滚珠丝杠传动等。
本文主要采用Pro/E 软件对机械手进行了设计，使机械手的设计难度大大降低，提高了设计的效率。
最后，在运动学上对码垛机器人进行了分析，从理论上确保了在运动上的可靠性，保证码垛机器人能够正常地运行。
关键字:码垛机器人;四自由度;结构;设计毕业论文(设计)AbstractThe main task of the paper is the structure design and analysis of the palletizing robot. First of all,research background of the palletizing robot was introduced, and the brief description of the status of development and main structure was given at home and abroad. After functional requirements analysis and schematic design had done, Referencing to other palletizing robot structure, the overall program was designed, then determined the structural type of palletizing robotis the cylindrical coordinates with four degrees of freedom robot. On the basis of the overall program, proceeding from reality, the overall structure of palletizing robot was designed, and a selection of design and analysis of the main structure of the waist, arm and wrist had been done, including the detailed design of the arm belt drive and ball screw drive. Pro / E software was used to design robot, which made the difficulty of the work is greatly reduced, thereby improving the efficiency of the design. Finally, kinematic analysis had been done in theory, to ensure reliability of the palletizing robot .Key words: palletizing robot;four degrees of freedom; structure; design毕业论文(设计)目录第 1章绪论...................................................................... ........................................................................ .. (1)1.1研究背景...................................................................... ........................................................................ (1)1.2码垛机器人机发展状况 ..................................................................... . (2)1.3国内外码垛机器人主要结构形式 ..................................................................... (3)1.4本设计的主要任务 ..................................................................... ............................................................ 5 第 2章码垛机器人总体方案设计 ................................................................. . (6)2.1码垛机器人功能需求分析 ..................................................................... .. (6)2.2码垛机器人原理设计 ..................................................................... .. (8)2.3运动分析...................................................................... ........................................................................ .. 92.3.1自由度...................................................................... . (9)2.3.2速度分析...................................................................... (9)2.4总体结构设计...................................................................... (9)2.5小结...................................................................... ........................................................................ ........ 10 第 3章码垛机器人关键结构设计分析与选型 ................................................................. (11)3.1臂部...................................................................... ........................................................................ .. (11)3.1.1臂部结构...................................................................... . (11)3.1.2臂部臂长设计 ..................................................................... . (11)3.1.3大臂校核...................................................................... . (13)3.2滚珠丝杠副的选型计算 ..................................................................... . (16)3.2.1水平滚珠丝杠副的选型计算 ..................................................................... . (16)3.2.2垂直滚珠丝杠副的选型计算 ..................................................................... . (18)3.3电机选型计算...................................................................... . (19)3.4线性滑块选型计算 ..................................................................... (21)3.5同步带传动选型计算 ..................................................................... .. (26)3.5.1水平同步带传动选型计算 ..................................................................... .. (26)3.5.2腰部同步带设计 ..................................................................... .. (31)3.6本章小节...................................................................... .........................................................................34 第 4章总结与展望...................................................................... (35)41全文总结...................................................................... .........................................................................354.2展望...................................................................... ........................................................................ ........ 35 参考文献...................................................................... ........................................................................ ............... 36 致谢...................................................................... ........................................................................ ..................... 37 附录.....................................................................................................................................错误～未定义书签。
四自由度机器人设计及分析
表 4-2 减速器弯矩刚性和轴端尺寸
弯矩刚性 Nm/arc.min.※3
117 372 931 1176 1176 1470 2940 4900 7448
a 17.6 20.1 29.6 33.4 37.4 32.2 47.8 56.4 69.0
尺寸(mm)
b 91.6 113.3 143.7 166.0 166.0 176.6 210.9 251.4 292.7
减速器 RV-20E 满足所有要求规格，因此选定 RV-80E-10。
4
0
3
40 N em 60
tem
8274次
外部负载条件 W1=500 N L1=0.5m W2=2000N L3=0.5m 求出力矩刚度 求出输出轴偏角是否符合要求的规定值
W11 W2 3 M t 103
0.58
（4-9） （4-10）
型式
RV-6E RV-20E RV-40E RV-80E※1 RV-80E※2 RV-110E RV-160E RV-320E RV-450E
50KG 四自由度机器人设计报告
1.1.1 电机选择
码垛机器人腰部由于负重较大，所以要求旋转的速度不宜过快，因此要选择中速或
者低速电机。
设机器人腰部绕其中心轴的转动惯量为 J，根据机器人的静力学分析，取大臂小臂
极限长度 L，可得其转动惯量为：
J ML2 3
（4-1）
其中 M 是腰部所要承受的重量，为 200Kg，L 为 1m，通过计算得其转动惯量为
K
N0 Nm
T0 Tm
3.
41862h 20000h
Tem=3000 Nem=20
四自由度码垛机器人设计、承载能力分析与优化研究
文献综述
在设计四自由度码垛机器人时，需要考虑到诸多因素，如机器人的运动学特 性、动力学特性、机构设计、电路设计、控制系统等。其中，机构设计是整个机 器人的基础，需要考虑到机器人的作业范围、运动速度、精度等因素。电路设计 和控制系统则是实现机器人运动的关键，需要保证机器人的稳定性和可靠性。
设计
设计
本次演示设计了一种四自由度码垛机器人，其机构设计如图1所示。该机器人 由四个旋转关节组成，每个关节配备有伺服电机和编码器，可以实现精确控制。 电路设计方面，采用了以控制器为核心的电气控制系统，通过与上位机的通信， 实现机器人的远程控制。控制系统采用了基于李群李代数方法的运动学模型，通 过对机器人的位置和姿态进行精确控制，实现了高精度的码垛作业。
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四自由度码垛机器人设计、承 载能力分析与优化研究
01 引言
03 设计
目录
02 文献综述 04 图1四自由度码垛机
器人的机构设计图
目录
05 承载能力分析
07 结论
06 优化研究
引言
引言
随着制造业的快速发展，码垛机器人作为一种自动化物流设备，在工业生产 中发挥着越来越重要的作用。四自由度码垛机器人作为一种常见的码垛机器人， 具有结构简单、运动灵活、使用方便等优点，被广泛应用于各种产品的码垛作业。 本次演示旨在设计一种四自由度码垛机器人，并对其承载能力和优化进行分析研 究，以提高其性能和适应性。
2、算法优化：控制算法是实现机器人运动的关键，通过对控制算法进行优化， 可以提高机器人的响应速度和精度。例如，可以采用更高效的李群李代数方法或 其他运动学算法，实现更快速度和高精度的运动控制。
优化研究
3、误差补偿：由于机器人本身的结构误差和外部环境的影响，机器人的实际 运动与理论运动之间会存在误差。为了减小这种误差，可以采用误差补偿技术， 根据实际运动情况对机器人的运动轨迹进行修正。
4-DOF关节式码垛机器人本体设计与运动学分析的开题报告
4-DOF关节式码垛机器人本体设计与运动学分析的开题报告一、研究背景码垛（Palletizing）是一种重要的物流操作，通过将不同类型和大小的箱子、袋子、瓶子等货物按照特定的规格叠放并绑扎，以方便物流运输和存储。
传统的码垛任务由人工完成，其效率低、成本高、难以保证质量和安全等问题，因此自动化码垛系统得到越来越广泛的应用。
典型的自动化码垛系统包括输送线、码垛机器人、控制系统等组成部分。
机器人的关节结构是典型的运动学机构，其可实现各种复杂的运动路径，适用于各种场合的自动化任务，广泛应用于制造业、物流业等领域。
本论文中将设计一种具有4个自由度的关节式码垛机器人，其原理结构和运动学分析将在以下章节中讨论。
二、研究内容本论文的研究内容包括机器人本体设计和运动学分析两个部分：1. 机器人本体设计针对码垛任务的要求和机器人结构的应用，本论文将提出一种基于4个关节的机器人结构，其运动范围和负载能力将满足目标码垛任务的要求。
机器人结构部分将主要包括：（1）机器人机械结构设计机器人的机械结构是实现其功能的关键，因此本论文将对其进行结构设计。
机械结构包括机器人的主体结构（包括臂、手、末端执行器等）、机器人运动的关键部件（驱动装置、减速机、联轴器等）和机器人安装及支撑结构等。
（2）机器人动力学分析机器人的动力学分析是机器人实现规划、控制等任务的基础，可以评估机器人的能力、稳定性和可控性等指标。
本论文将开展机器人的动力学分析，以便于进行控制算法的设计。
2. 运动学分析机器人的运动学分析是机器人实现各种运动轨迹、姿态控制等任务的基础。
运动学分析包括正运动学分析、逆运动学分析等方法。
本论文将对机器人的运动学进行分析，以实现机器人的运动控制。
其中，逆运动学分析将是本次研究的重点。
三、研究方法本论文将采用以下研究方法：1. 理论研究：通过文献调研，学习现有的机器人本体结构与运动学分析理论，为本设计的机器人结构和运动学分析提供支持。
09-10四自由度码垛机器人控制系统设计
四自由度码垛机器人控制系统设计一、四自由度码垛机器人简介随着科技工业自动化的发展,很多轻工业都相继通过自动化流水线作业.尤其是食品工厂,后道包装机械作业使用一些成套设备不仅效率提高几十倍,生产成本也降低了。
其中四自由度码垛机器人每天自动对1000箱食品进行托盘处理，这些码垛机器人夜以继日地工作，从不要求增加工资。
码垛机器人的应用越来越广。
码垛机器人配备有特殊定制设计的多功能抓取器，不管包装箱尺寸或重量如何，机器人都可以使用真空吸盘牢固地夹持和传送包装箱。
如图1所示，四自由度码垛机器人本体由腰部、大臂、小臂、腕部组成。
图1 码垛机器人简图腰部大臂小臂腕部如图2所示，码垛机器人具有独特的线性执行机构，使其保证了手部在水平与垂直方向的平行移动。
图2 码垛机器人的线性执行机构运动示意图此四自由度码垛机器人的应用案例如图3所示。
具有示教作业简单,现场操作简便。
图3 码垛机器人的应用案例二、四自由度码垛机器人控制要求及其控制方案1、控制要求如图1所示，四自由度码垛机器人的运动主要由控制腰部、大臂、小臂、腕部的驱动电机实现。
在此均采用松下A5伺服电机；抓取部件等其他辅助运动采用气动，由电磁阀动作来控制抓取部件的动作。
四自由度码垛机器人的运动控制系统主要包括感知部分、硬件部分和软件部分，其运动控制系统的主要任务是要控制此机器人在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹以及作业流程等。
此外，还要求：1）防碰撞检测和在线编程控制,可以进行离线仿真；2）人机界面友善、高度可靠作性和安全性；3）便携式触摸屏示教器、全中文界面；4）利用使能开关双电路设计使在紧急状态下自动切断伺服动作，从而保证安全。
2、控制方案控制方案1：基于PLC的运动控制方案基于PLC的机器人运动控制系统，一般利用触摸屏进行人机交互。
在触摸屏上的人机界面，由组态软件编写人机操作界面实现人机交互；PLC则通过I/O 模块与码垛机器人以及现场设备通信并实现控制，通过接受PLC的控制命令，实现机器人及其周边、物流设备的启停与协调，同时将码垛机器人及其周边、物流设备的运行状态返回给PLC。
四自由度机器人设计及运动学动力学分析毕业设计(论文)
毕业设计(论文)四自由度机器人设计及运动学动力学分析毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名：日期：指导教师签名：日期：使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
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除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日注意事项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。
工业码垛机器人介绍及运动学分析
工业码垛机器人介绍及运动学分析本文以本人所在实验室的新型工业码垛机器人为研究对象，结合本课程所学知识，研究与探讨了新型工业码垛机器人机构设计和运动学分析问题。
对于机器人的核心机构设计问题进行了详细的数学推导，并通过实验数据对分析结论进行了验证，还根据数学推导结果计算出了机器人的工作空间。
一、新型码垛机器人简介新型工业码垛机器人（如图1）是以光机电一体化技术为基础，融合并集成了结构设计、功能设置、特性分析、运动控制、路径规划、能源管理等方面的一系列高新科技成果而展开的研究。
该款机器人具有结构简单、功能齐全、性能稳定、用途广泛、操作简便、成本低廉等优势。
该机器人利用大功率、高精度交流伺服电机进行工作轴驱动，具有相互独立的四个自由度，可根据码垛物件的形状和重量灵活更换不同抓手，保证抓取动作的可靠性及码垛作业的效率性，并通过示教控制和程序控制，使之能够稳定搬运并可靠码垛多种尺寸和重量的箱、袋、包、桶、罐、瓶、盒类物品。
图1.新型工业码垛机器人该新型工业码垛机器人具有结构设计合理，示教过程简捷，控制方式高效，节能效果显著等优点。
这些优点的取得与其采用的结构形式息息相关。
从本质上看，机器人主体部分采用了基于平衡吊原理的七杆机构，其手臂部分则采用了平行四连杆机构，由若干刚性构件经低副联接而成，具有水平和垂直方向上的两个自由度。
这种机构具有传递运动、放大位移、改变位移的性质。
水平和垂直方向上的运动相互独立，并具有按比例放大的特性，且水平和垂直方向上的位移与抓手端的对应位移严格遵守比例关系。
采用平行四连杆机构可使机器人在工作时的运动学与动力学解算工作量减少很多从而避免了关节式机器人复杂的运动学与动力学计算难题，同时还具有串联机构工作空间较大的优点。
机器人在结构学和机构学方面的这些特性简化了其运动控制算法和运行路径规划，使得位置控制更加容易实现。
此外，由于这种机构采用闭链机构形式，比开链机构具有更好的刚性和稳定性。
四自由度工业机器人运动学分析与仿真
《装备制造技术》2021年第2期四自由度工业机器人运动学分析与仿真张洪波1,孟丹1,潘宜斌2,冯宝林1,岳亮亮1,李磊1 (1•常州先进制造技术研究所，江苏常州213164:2.合肥固泰自动化有限公司，合肥230051 )摘要：以高粉尘环境下四自由度工业机器人为研究对象，利用D-H法建立机器人运动学方程，求出其位置的解析解，利用solidworks软件建立机器人的三维虚拟样机，并用recurdyn软件进行了运动学仿真验证关键词：工业机器人;运动学分析；运动学仿真中图分类号：TP242.2 文献标识码:A 文章编号：1672-545X(2021 >02-0017-030引言随着人力成本的逐步提高，搬运码垛等运输工 业的发展遭遇了前所未有的掣肘，高速重载工业机 器人技术的研究已成为我国工业领域亟待解决的问 题。
当前，四自由度码垛机器人多是由两个旋转关节 和两个移动关节组成的混联机器人，而四个旋转关 节机器人具有动作灵活、工作空间大、干涉小、结构 紧凑、易密封防尘等优点l h21。
本文采用双平行四边形 串联机构,增加了机器人本体整体刚度，同时可以维 持末端执行机构的水平姿态；对四自由度工业机器 人的四个旋转关节进行结构分析和运动学分析，在 不考虑力与力矩情况下，将机器人相对于固定参考 坐标系的运动作为时间的函数，研究了关节变量和 机器人末端位姿的关系i3'并用recurdyn进行运动 学仿真，验证了机器人数值计算，同时为机器人后续 的轨迹规划,动力学性能分析提供参考。
1机器人结构设计本文机器人的设计负载250 kg，主要由四个旋 转关节组成：（1)转座通过轴线竖直的旋转关节与底 座相连；（2)转座为机器人本体的支撑机构，其上安 装有平衡缸、大臂和副杆连杆；（3)小臂通过电机、减 速器直驱方式安装在大臂关节处，旋转关节处亦为 副杆连杆支撑点；(4)腕部与小臂通过旋转关节相连, 通过副杆连杆和大、小臂形成的平行四边形机构，使 腕部始终保持水平，同时满足腕部的易控性,腕部结 构为法兰盘形式，根据执行机构的不同，连接特定的执行器|51。
四自由度混联码垛机器人运动学分析与仿真
XA = 1
( p x / cos 1) - H W + p+ 1
HB
ZA2 =
( p + 1) b +
VBp
VW - b -
pz
( 6)
1=
arct
an
py px
5= - 1
( 7)
式( 6) 和( 7) 即为该混联码垛机器人的位置反解。
3 四自由度混联码垛机器人运动学 分析
对式( 6) 和( 7) 求导数得
理论分析及仿真分析均在以下条件下进行: a. 腕部法兰 盘上一点 P 作为运动验证点, 如 图 2 所示, 该点在坐标系中 X 5 O 5Z5 的齐次坐标为 P= [ 0 0 0 1] T 。 b. 设机 器 人参 数 为: H B = 200m m; V B = 790mm; a = 260mm; b = 240mm; 比例系数 p = 4. 5; H W = 100mm ; V W = 135m m。在坐 标 系 X 2 O2 Z2 中, 水平滑块 A 1 沿 X 2 轴的运动范围为 [ 120, 400] ; 竖直滑块 A 2 沿 Z 2 轴的运动范围为[ 0, 400] , 1 [ 0, 2 ] , 5 [ 0, 2 ] 。
VH = [ p x p y p z ] T = GqH [ XA ZA 1 5] T ( 11)
1
2
4 四自由度混联码垛机器人运动学 仿真
为了验证运动学分析的正确性, 模拟码垛过程 中各关节的运动关系, 在此首先利用 P ro/ E 软件建 立 了 该 机 器 人 三 维 实 体 造 型, 并 将 其 导 入 到 ADAM S 中建立机 器人的 虚拟 样机模 型, 然后 在 ADAM S 环境中进行了运动学仿真, 最后与理论计 算结果进行了比较和分析。
基于四自由度的铝锭堆垛机械手的结构设计与运动学分析
块 铝锭 ． 且全 部 宽 面 朝上
排 列 ： 自 第 ２层 至 第 １ １ 层 均 为 ５块 铝 锭 。 其 中 ３
块 铝 锭 的宽 面 朝 上 ． ２块 的宽 面朝 下 ． 且 相 互 交错
和社 会 意义 。
降、 堆 放 等动 作 ， 使之 全部 宽面 朝上 。 ２ ）第 ２层 至 第 １ １层 ， 第 １块 、 第 ３块 、 第 ５块 铝
锭需 宽 面朝 下 ， 因此堆 垛 动作 为抓 取 、 提 升 、 翻转 １ ８ ０ 。 、
１ 总体 设 计
１ ． １ 铝 锭 的 堆 垛 要 求
运 动 系统 的结 构组合 式 为 ：
． ， Ｒ ｌ ４ ＝１ Ｓ 日ｚ ＿ 卜 １ Ｂ（ Ｈ ｍ） ＋１ Ｚ ＋１ ０ （ １ ）
机械 手按 照 每次抓 取 一块 铝锭 进 行堆 垛 的４ ＂ ｌ ｚ 业方
式 ， 需 要 完 成 如 图 ２所 示 的 动 作 次 序 。
式 中 ：
偶 数 层 的铝 锭 进 行 ９ ０ 。 旋 转定 向 ； ４ ）大 臂 伸 缩 、 机 身 升
降 和机 身 回转 ， 用 于铝锭 堆垛 过程 的搬 运 。
手 爪 的 开 合 和 翻 转 可 以 认 为 是 机 械 手 末 端 执 行 的 动作 ． 因 此 铝 锭 堆 垛 机 械 手 应 具 备 ４个 基 本 自 由 度 ： 机
为 ４个 自 由 度 的 机 械 手 ； １ ５ 为 一个 转 动 自
由度 （ Ｚ） 的机 身 ； １ Ｂ（ Ｈ ＋ ） 为 一 个 滑移 自由度 （ 日） 的 大 臂
▲ 图 ２ 机 械 手 动 作 次 序
一种四自由度码垛机器人机构和运动分析
一种四自由度码垛机器人机构和运动分析1 前言随着物流、食品和石化等行业的不断发展，码垛机器人发挥着越来越重要的作用，它不仅可以准确、高效地完成码垛作业，而且可以降低工人的劳动强度，提高生产效率。
目前，国外主要机器人厂家，如ABB、FANUC 等，均有较为完善的码垛机器人产品系列，垄断了国内外市场；而国内，码垛机器人的研究起步不久，还未有成熟的，产业化的码垛机器人产品出现。
本文研究了ER300 码垛机器人结构特点及运动空间，展现了一般码垛机器人与六自由度机器人的结构差异和运动空间形成方式。
2 码垛机器人机构分析基于码垛任务的实际需要，码垛机器人通常具有四自由度。
与一般垂直型六自由度串联工业机器人的结构不同，码垛机器人通过在肩部串联两个平行四边形结构使得腕关节旋转轴始终与地面垂直，从而使被抓持物始终处于水平状态；腕部结构简单，没有复杂的姿态调整结构。
目前，码垛机器人使用较为广泛的结构之一，如将此外，ER300 机器人采用了将3 轴电机和减速器均固定在三角架上的安装方式。
该种连接方式使得三角架和大臂副杆承受了小臂、手腕体和负载等组件关于3 轴的转矩M,但小臂不与大臂耦合旋转，在很大程度上简化机器人的运动方式和控制方法。
鉴于ER300 码垛机器人没有复杂的耦合运动，本文不采用传统的D-H 方法进行计算。
为研究计算D 点运动可达空间，这里将全局坐标系原点O0 固定在1 轴与地面的交点处，Y0 与1 轴重合，其余局部坐标系如在全局坐标系中，各关节点坐标与关节旋转角之间的换算关系如下：其中，R、H分别为1轴回转半径和底座高度；L2、L3分别为大臂和小臂长度；、分别为大臂相对Y1轴旋转角度，小臂相对X2轴旋转角度，本文规定逆时针旋转为正向；S为长。
零位时，2轴和3轴的旋转范围分别，.为保护码垛机器人末端平行四边形结构，防止杆件间发生干涉，ER300为小臂与三角架之间设定的安全角度为（如图3展现了在2轴两个极限位置时，小臂与三角架之间的最大和最小的安全角度。
码垛机器人运动学分析与仿真
正运动 学求解 ， 到 了各关 节变量与末端位置运动 方程 ， 得 并应 用 Ａ Ａ Ｄ ＭＳ软件对机 器人 进行运动 学仿 真分析。 真结果验 仿 证 了理论推导的正确性 ， 为以后机 器人 的静 、 态特性分析做参考 。 动
关键词 ： 码垛 机 器 人
中图 分 类 号 ：Ｐ ４ Ｔ ２２
４ 结ห้องสมุดไป่ตู้论
１ 利 用 Ｐ ｏ Ｅ参 数 化 建 模 方 法 ， 得 建 模 更 加 快 ） ｒ／ 使
张朝 晖主编． Ｎ Ｙ １ ． 结构分析工程应用实例解析 ［ ． Ａ Ｓ Ｓ １０ Ｍ】
北 京 ： 械 工 业 出 版 社 ，０ ８ 机 ２０ ．
孙桓， 陈作模． 机械原理［ ． Ｍ】北京 ： 高等教育 出版社 ，０ １ ２０． 濮 良贵 ， 纪名刚． 机械设计 ［ ． Ｍ】北京： 高等教育出版社 ，
１ｊ １Ｊ １Ｊ
术 ， 别 是 机 器 人 码 垛 技 术 以其 在 机 械 结 构 、 用 范 特 适 围 、 备 占地 空 间 、 活 性 、 本 以 及 维 护 等 方 面 的 优 设 灵 成
势 使 其 应 用 渐 为 广 泛 ， 成 为 一 种 发 展 趋 势 。 器 人 运 并 机 动 学 分 析 的 目的 是 分 析 机 器 人 是 否 能 够 满 足 工 作 的 要
杨小兰 ， 刘极峰， 陈施 ． 基于 Ａ Ｓ Ｓ的有 限元 法网格划分 ＮＹ 浅析 【］煤矿机械 ，０ ５ ２ （ ）３ ３ ． Ｊ． ２ ０ ，６ １： ８— ９ 卜 忠红， 更， 刘 吴立言， 基 于线性规划法 的齿轮 啮合刚 等． 度与载荷分布计算的改进方法 ［１机械科学与技术 ，０ ８ Ｊ． ２０ ，
码 垛 机 器 人 运 动 学 分 析 真 与
码垛机器人结构设计与运动分析
Ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ Ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ９ － ０ １ ３ ４ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ７ （ 下） ． １ ９
化 的先进 水平 。 所 谓 码 垛 就 是 按 照 集 成 单 元化 的 思 想 ，将 一
辅助
件 件 的 物 料 按 照 一 定 的 模 式 堆 码 成垛 ， 以 便 使 单 元 化 的 物 料 实 现 搬 运 、 存 储 、 装 卸 、 运 输 等 物 流 活动 。近年 来 ，国内外码 垛 机器 人技 术 获得 了前 所 未 有 的发展 ，码 垛 机器 人 的吞 吐量 、柔性 、处理 速 度 以及抓 取 载荷 在不 断 的升 级 ，适 应场 合也 在 不断
［ ６ ６ １ 第３ ５ 卷 第７ 期 ２ ０ １ ３ — ０ ７ （ 下）
Ｉ
Ｙ
ｌ ｌ ５ ０
訇 化
致末 端 运 动 的 不确 定 性 ， 而 且 容 易 使 系统 产 生 振
动。
为 了 消 除 以上 影 响 ， 我 们 取 连 杆 长 度 满 足 以 下 条件 ：
（ Ｌ ｃ Ｅ －Ｌ Ａ Ｄ ） ＋ Ｌ ｃ Ｅ ＝Ｏ
Ｉ － ￣ Ｄ Ｅ
பைடு நூலகம்
（ ３ ）
Ｂ
２ ０ Ｏ
＾
取 图２ 中参数 ，此时得 到Ｆ 点运动 方 程为
图２ 臂 部结 构简图
１ ｆ ｘ ： １ ６ ２ ０ ＋ ６ ． ７ ５ ｘ Ｙ Ｆ ＝ １ １ ５ ０ ＿ ５ ． ７ ５ ） ，
四自由度关节机器人码垛运动分析与仿真
电子技术• Electronic Technology116 •电子技术与软件工程 Electronic Technology & Software Engineering【关键词】关节机器人 码垛 四自由度1 前言常见的工业机器人按照坐标可以分成极坐标型、圆柱坐标型、直角坐标型、关节坐标型等。
其中关节坐标型虽然具有运动耦合性强，控制较复杂的特点，但因其运动灵活性最好，自身占据空间小，作为一种通用平台获得广泛应用。
关节型机器人与人的手臂非常类似，主要由底座、大臂和小臂三部分构成，大臂、小臂在通过底座的垂平面内运动。
连接大臂和底座间的关节一般称作肩关节；连接大、小臂的关节称肘关节。
要实现水平面上的旋转运动，既可由肩关节完成，也可绕底座旋转实现。
其通常按照给定程序、轨迹及要求模拟人手动作来实现抓取和搬运等特定功能，常应用于物品自动码垛场合。
2 关节机器人结构及运动特性设计的关节机器人结构如图1所示。
其由横向移动的大臂（x 轴）、左右旋转的腰部（y 轴）、上下移动的小臂（z 轴）与可用作夹持器具的腕部（w 轴）四个自由度组成。
其中腰部高245mm ，且绕腰部关节轴心做360°旋转运动；大臂总长480mm ，垂直于腰部轴心，利用电机经丝杆传动做横向运动，伸缩行程为260mm ；小臂臂长为250mm ，由小臂电机经连杆驱动，绕大臂一端做旋转运动；腕部由电机驱动实现360度自由旋转，其上安四自由度关节机器人码垛运动分析与仿真文/戴伟 陈峰 周根荣装不同类型的手抓，可以实现抓取、夹持、吸附等不同的功能，最大承载重量为1.5kg 。
机械臂底座、横杠后端与腕部有四个步进电机顺序安装，配以减速器，用以完成四自由度驱动，周身还设有接近传感器与限位开关，接近传感器可以通过探测特定位置安装的突出螺丝，用来检测关节机器人运动位置，提供给控制器进行决策。
3 码垛运动过程运动规划在物品自动码垛过程中，码垛点往往是事先确定好的，关节机器人只需要在运动过程准确有序的到达即可，对于相邻点位间的运动轨迹可以不需要太精确。
码垛机器人臂部及整体运动分析
码垛机器人臂部及整体运动分析作者：陈菡菡来源：《中小企业管理与科技·上中下旬刊》 2018年第8期【摘要】码垛机器人在解决劳动力不足、提高劳动生产效率、降低生产成本和工人劳动强度、改善生产环境等方面具有重要意义。
论文阐述了码垛机器人的结构组成，利用 Solidworks 有限元分析软件 Simulation对机器人臂部结构进行了动静力学分析；进行码垛机器人运动分析。
【关键词】码垛机器人；运动分析;臂部【中图分类号】TP242【文献标志码】A【文章编号】1673-1069（2018）08-0152-021 引言机器人码垛机是现在流水线生产中必不可少的包装机械之一，他的主要功能就是将产品能够更好地进行码垛，保证产品的正常包装和搬运，这样就能够减少人工成本1。
本文主要利用Solidworks 有限元分析软件Simulation 对码垛机器人臂部进行有限元分析，并对码垛机器人整体运动进行分析。
2 码垛机器人总体结构该码垛机器人为四自由度机器人，整个设备由机械结构包括底部基座、腰部、臂部和腕部。
总体结构如图1 所示。
3 臂部的有限元分析与优化Simulation 有限元分析软件是Solidworks 软件中的一个无缝插件，可以提供静力分析、热传导、扭曲、频率等多方面分析。
利用Simulation 对臂部装配体进行静力分析，得出臂部构件的强度和刚度的分析结果。
首先建立前大臂、后大臂、小臂和大臂连杆的数学模型，设置零件材料，将零件连接设置为销钉接头，以最高点为危险受力分析，固定前大臂和后大臂的底端孔，选择合适单元类型及大小进行网格划分，运行分析得出应力分布图2 和位移分布图3。
可以找出小臂与前大臂连接孔为应力最大处。
通过simulation 的有限元分析，可以在满足构件强度和刚度使用要求的前提下，使构件结构尺寸合理化，以减轻重量，减小转动惯量，节省材料，降低了制造成本。
4 码垛机器人的运动分析码垛机器人的运动学分析需要根据解析几何法建立坐标系3，分析其运动学特性，计算出其末端执行器的位置和姿态与各参变量的关系，绘制出码垛机器人的运动学简图。
四自由度机器人设计及运动学动力学分析
目录摘要............................................................................................................错误!未定义书签。
Abstract ........................................................................................................错误!未定义书签。
1绪论 (4)1.1 引言 (4)1.2机器人研究现状及发展趋势 (5)1.3本课题的主要研究内容和工作安排 (10)1.3.1课题研究的背景及意义 (10)1.3.2课题研究的内容及安排 (12)2四自由度串联机器人本体结构设计 (13)2.1机器人的总体方案设计 (13)2.1.1抓取机器人功能需求分析及其特点 (13)2.1.2机器人驱动方案的确定 (14)2.1.3机械传动方案的确定 (15)2.1.3机器人基本技术参数设计 (15)2.1.4机器人本体的总体结构 (17)2.2机器人本体基本结构设计 (18)2.2.1大臂和小臂机械结构设计 (18)2.2.2腕部机械结构设计 (20)2.2.3直线组件的设计选择 (20)2.2.4支架结构设计 (21)2.2.5步进电机与减速器的计算和选择 (22)2.2.6机器人传动轴的校核 (25)2.2.7机器人本体的三维模型 (26)2.3本章小结 (27)3四自由度抓取机器人运动学分析及仿真 (28)3.1机器人运动学分析 (28)3.1.1奇次坐标变换 (29)3.1.2 Denavt-Hartenberg(D-H)表示法 (30)3.1.3抓取机器人运动学模型的建立 (32)3.2机器人运动学方程的建立 (33)3.2.1抓取机器人的正运动学分析 (33)3.2.2工业机器人工作空间分析 (35)3.2.3机器人雅可比（Jacobian）关系求解 (38)3.2.4 抓取机器人的逆运动学分析 (41)3.3四自由度串联机器人运动学仿真 (45)3.3.1虚拟样机技术概述 (45)3.3.2本文用到的ADAMS软件模块 (46)3.3.3建立机器人仿真模型 (47)3.3.4机器人位移仿真分析 (49)3.3.5机器人速度仿真分析 (50)3.4 本章小结 (51)4. 轨迹规划及仿真分析............................................................................. 错误!未定义书签。
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一种四自由度码垛机器人机构和运动分析
1 前言
随着物流、食品和石化等行业的不断发展，码垛机器人发挥着越来越重要的作用，它不仅可以准确、高效地完成码垛作业，而且可以降低工人的劳动强度，提高生产效率。
目前，国外主要机器人厂家，如ABB、FANUC 等，均有较为完善的码垛机器人产品系列，垄断了国内外市场；而国内，码垛机器人的研究起步不久，还未有成熟的，产业化的码垛机器人产品出现。
本文研究了ER300 码垛机器人结构特点及运动空间，展现了一般码垛机器人与六自由度机器人的结构差异和运动空间形成方式。
2 码垛机器人机构分析
基于码垛任务的实际需要，码垛机器人通常具有四自由度。
与一般垂直型六自由度串联工业机器人的结构不同，码垛机器人通过在肩部串联两个平行四边形结构使得腕关节旋转轴始终与地面垂直，从而使被抓持物始终处于水平状态；腕部结构简单，没有复杂的姿态调整结构。
目前，码垛机器人使用较为广泛的结构之一，如将此外，ER300 机器人采用了将3 轴电机和减速器均固定在三角架上的安装方式。
该种连接方式使得三角架和大臂副杆承受了小臂、手腕体和负载等组件关于3 轴的转矩M,但小臂不与大臂耦合旋转，在很大程度上简化机器人的运动方式和控制方法。
鉴于ER300 码垛机器人没有复杂的耦合运动，本文不采用传统的D-H 方法进行计算。
为研究计算D 点运动可达空间，这里将全局坐标系原点O0 固定在1 轴与地面的交点处，Y0 与1 轴重合，其余局部坐标系如在全局坐标系中，各关节点坐标与关节旋转角之间的换算关系如下：。