搬运机器人设计计算说明书(谭)

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3~4种垛型的取料、转运和码放等过程。

具体见下表：!未找到引用源。

：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1~3关节用于机器人精确定位，第4~6关节用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1~3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h ，大臂长1l ，小臂长2l ，机身回转角1θ的范围为[]21,γγ，大臂俯仰角2θ的范围为[]21,αα，小臂俯仰角3θ的范围为[]21,ββ。

本体工作空间的边界曲线见下：1) 在xOz 平面内的边界曲线是由工作空间与过z 轴的轴平面相交，以其轴截面的形状表示，见图 2中xOz 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1S ； 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2S ； 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3S ； 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4S ；2) 在xOy 平面内的边界曲线是由工作空间中离z 轴最远点和最近点旋转而成，见图 2xOy 平面部分。

以参考垛型（图 2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z 轴旋转角度差为90°、且取料区域包含于放料区域。

那么，xOy 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[][]︒︒-=90,90,21γγ。

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（见图 3）。

图 2 工作空间示意图图 3 工作空间初步计算3动作规划机器人的动作过程见图4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。

将图4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=7.5-0.6-0.6=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，手爪姿态为见图5。

图 5 手爪拾取示意图以图5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。

其中，1关节在极限位置的关节角最大（约114°），见图6。

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Oxyz，第i 关节对应的坐标系为1111----i i i i z y x O 。

坐标系建立规则如下：✧ 确定i z 轴：iz 轴沿关节i+1的轴向✧ 确定原点iO ：iO 在过1-i z 和iz 轴的公法线上✧ 确定ix 轴：ix 轴过1-i z 和iz 轴的公法线方向，从1-i z 指向iz 轴✧ 确定i y 轴：i i i x z y ⨯=，遵从右手定则。

描述坐标间相互关系的关节变量/参数为：✧ i θ：绕1-i z 轴（右手定则）由1-i x 向i x 轴的关节角；✧ i d ：从第1-i 坐标系的原点到1-i z 轴和i x 的交点沿1-i z 轴的距离； ✧ i a ：从1-i z 到i x 的交点到第i 坐标系原点沿i x 轴的偏置距离（即1-i z 和i z 两轴间的最小距离）；✧i α：绕i x 轴（右手定则）由1-i z 轴转向i z 轴的偏角。

坐标系见图 7。

图 7 D-H 坐标系i 坐标系和1-i 坐标系的齐次变换矩阵：将第i 个坐标系表示的点i r 在1-i 坐标系中表示，需建立i 坐标系和1-i 坐标系的齐次变换矩阵，需经过以下变换：1) 将坐标系1111----i i i i z y x O 绕1-i z 转i θ角，使1-i x 轴与i x 轴平行并指向同一方向； 2) 将坐标系1111----i i i i z y x O 沿1-i z 平移i d ，使1-i x 轴与i i i i z y x O 的i x 轴重合； 3) 将坐标系1111----i i i i z y x O 沿1-i x 轴平移距离i a ，使两坐标系的原点重合； 4) 将坐标系1111----i i i i z y x O 绕1-i x 轴转i α角，使两坐标系完全重合。

从而，i 坐标系和1-i 坐标系的齐次变换矩阵A i i1-可以根据矩阵的合成规则得到，A i i 1-称为相邻坐标系i 和1-i 的D-H 变换矩阵。

D-H 变换矩阵如下：⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡--=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-==000cos sin 0sin cos sin cos cos sin cos sin sin sin cos cos 1000cos sin 00sin cos 00001100001000010001100100001000011000010000cos sin 00sin cos ,,,,1-i ii i ii i i i ii ii i i i i i i ii i i iii i x a x d z z d a a a d R T T R A ααθθαθαθθθαθαθααααθθθθαθ 对于在第i 坐标系中的点i P 在第i-1坐标系中表示为：i i i AP P 1i 1--=关节参数见表 1。

表 1 关节参数。