工业机器人设计

工业机器人总体设计方法

摘要：本文介绍了工业机器人的总体设计思想及其研制，开发的顺序，并通过五自由度码垛机器人的设计实例，分别讨论了机器人动作机能，机械结构，控制方式，操作方法及计算机控制系统方案的决定方法。

关键词：工业机器人；设计

AN OVERALL DESIGN METHOD OF INDUSTRIAL ROBOTS

Abstract:The overall design consideration of industrial and the steps of development of them are described in this paper. The action capability, mechanical structure, control, operation and computer control system of robots are also discussed through the design of the Five-DOF palletizing robot.

Key words:industrial roborts；design

1、工业及机器人的总体设计思想及其开发顺序

工业机器人是典型的机电一体化产品，需采用系统的观点，立足全局，合理分配机械、电子、硬件、软件各部分所承担的任务和功能，对提高系统的整体性能、结构简化、成本降低起着举足轻重的作用，可以实现功能互补。因此，研制开发工业机器人是一项难度较大的工作，需要有有充分的技术准备与一定的物质条件。一个完整的工业机器人可以分为三部分：传感部分、控制部分和机械部分。其中传感部分包括感知系统和机器人与环境交互系统，控制部分由人机交互系统和控制系统构成，机械部分则包括机械驱动系统和具体机械结构系统。一般机器人的总体设计及其开发顺序如下：

1.1明确研制开发工业机器人的目的

根据研制开发工业机器人的不同目的，其总体设计是有很大差别的。一般来

说，机器人的研制可分为两大目的，即以研究为目的机器人与针对某种用途的专用工业机器人。前者主要追求它的通用性和扩展性；后者则主要追求它的实用性和低成本。

1.2明确工艺要求，作业内容与机器人的动作机能

工艺要求与作业内容直接决定了机器人的动作机能。机器人动作机能的实现，又牵扯到机器人机械机构，控制方式及其控制系统的组成。

1.3机构的决定

根据作业要求，决定其机械结构的形式（坐标形）及其自由度的分配和传动方式。

1.4控制方式的决定

控制部分是整个机器人设计的关键，其结构和功能的划分与及设计的合理性对提高机器人系统的整体可靠性、实用性有重要的意义，它除满足工作性能要求外，需具有较强的可靠性、较高的运行速度以及较好的性价比。

1.5软件设计

在T/P（示教/再现）方式工业机器人中，应有机器人的动作机能和所采用的语言形式，来确定操作盘，示教盘按键的种类，排列及其意思。按照实时控制的要求，进行计算机硬件（接口，容量，扩展余地等），软件（机器人语言，模块分类，系统框图等）的分工及其协调设计。

1.6反复讨论，协调总体方案

这是最关键也是花费时间的一环。有些环节往往需要经过反复试验才能最后确定。

2.五自由度码垛机器人总体设计举例

本课题以米袋的抓取搬运为对象，研究机器人在系统中的应用，确定机器人的任务要求和基本技术参数，进行机器人的总体方案设计。

下面以五自由度码垛机器人为例，介绍其总体设计方法：

2.1目的

设计一台五自由度用于搬运码垛的机器人，机器人能稳定抓取并搬运物体。

2.2工艺、作业要求与机器人的动作机能

在机器人设计过程中，首先考虑其作业要求，即性能方面需满足负荷要求、精度要求、速度要求、环境要求等，几何方面在满足空间姿态要求前提下尽量使结构紧凑。机器人是一种多自由度组成的高精度空间运动机械，必须具有运动的灵活性和准确性，以及动态性能的平稳性。因此，机器人与普通机械设备相比，除满足强度、刚度等之外，还必须具有轻巧灵活的构形和良好的动态性能。设计具有空间搬运、码垛功能的机器人，将机器人的手爪开合机构送到待抓取的目标物体处。机器人距离目标物体较远的时候设计机器人接近目标物体，当目标物体距离机器人较近时（大约几毫米的距离）设计机器人放缓抓取速度，以较慢的速度接近目标物体，然后通过触觉和滑觉传感器的信号反馈，采用自适应控制技术实现对目标物体的稳定抓取后并搬运。

该工业机器人的作业工序为：位置检测——抓取并夹持——搬运（包括提升、翻转、旋转等动作）——放置——快速返程，其工作流程框图如下图 2.1所示：

图2.1 机器人工作流程图

2.3机械结构的决定

机械结构主要取决于：（1）作业的空间范围；（2）姿势的控制；（3）动作速度；（4）负载能力；（5）位置决定精度等。

工业机器人可以按照预先设定的程序去完成一定的作业，例如，搬运物体、装卸零件以及操持喷枪、焊把等工具，可在繁重、高温和多粉尘等较差工作环境的作业中部分代替人工操作。工业机器人主要由执行机构（即机械部分）、驱动机构、和控制机构（包括传感检测装置）三大部分组成。

2.3.1执行机构

通过对设计要求的分析，大体确定了五自由度码垛机器人的设计方案，机器人的手爪部分，采用的是回转型夹钳式，两个配合夹爪上安装触滑觉传感器和接近开关；手臂部分拟采用三自由度结构形式，分别为两个移动自由度和一个回转自由度，以满足搬运作业的空间位置要求；躯干部分采用腰部回转方式；即四关节五自由度机器人，方案如图2.2所示，四个关节分别为腰关节、立臂关节、悬臂关节、腕关节，五个自由度分别为腰部回转，立臂竖直移动、悬臂水平移动、腕关节俯仰及手爪开合。

图2.2 机器人臂构型

2.3.2驱动机构

机器人驱动系统的设计往往要受到作业环境条件的限制，同时还要考虑价格