搬运机器人设计说明书

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)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F q可按下式计算F q =F m+F g(N)式中F m—各支承处的摩擦阻力；F g—启动过程中的惯性力，其大小可按下式估算F g=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F m =100(N),W =2000（N ），=0.5m/s 时， F q =100+102000×5.05.0=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：F q =F m F g ±W (N)式中，F m —各支承处的摩擦阻力（N ）；F g —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F m =100N ，F g =150N,W =2000N ，上升时：F g =100+150+2000=2250(N)；当F m =100N ，F g =150N,W =2000N ，下降时：F g =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。