搬运机器人设计说明书

1 绪论
1.1研究背景与意义
工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分，这种新技术发展很快，逐渐成为一门新兴的学科——机械手工程。

机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。

工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。

工业机械手也是工业机器人的一个重要分支。

他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现在人的智能和适应性。

机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间[1-3]。

机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。

因而，受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用。

尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。

在我国近几年也有较快的发展，并且取得一定的效果，受到机械工业的重视。

图1-1 生产线上的机械手
Fig.1-1 The manipulator on the production line
进入21世纪，随着我国人口老龄化的提前到来，近来在东南沿海还出现大量的缺工现象，迫切要求我们提高劳动生产率，提高我国工业自动化水平势在必行。

工业机械手是工业生产的必然产物，它是一种模仿人体上肢的部分功能，按照预定要求输送工件或握持工具进行操作的自动化技术设备，对实现工业生产自动化，推动工业生产的进一步发展起着重要作用，因而具有强大的生命力受到人们的广泛重视和欢迎。

实践证明，工业机械手可以代替人手的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率和自动化水平。

工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期频繁、单调的操作，采用机械手是有效的。

此外，它能在高温、低温、深水、放射性和其他有毒、污染环境条件下进行操作以保护人身安全，更显示其优越性，有着阔的发展前途。

1.2工业机械手的简史
用于再现人手的功能的技术装置称为机械手。

机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。

在工业生产中应用的机械手被称为工业机械手。

工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分，这种新技术发展很快，逐渐成为一门新兴的学科——机械手工程。

机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。

工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。

工业机械手也是工业机器人的一个重要分支。

他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现在人的智能和适应性。

机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。

机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。

因而，受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用。

尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。

在我国近几年也有较快的发展，并且取得一定的效果，
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受到机械工业的重视。

现代工业机械手起源于20世纪50年代初，是基于示教再现和主从控制方式、能适应产品种类变更，具有多自由度动作功能的柔性自动化产品。

机械手首先是从美国开始研制的。

1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。

他的结构是：机体上安装回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。

1962年，美国机械铸造公司在上述方案的基础之上又试制成一台数控示教再现型机械手。

商名为Unimate(即万能自动)。

运动系统仿造坦克炮塔，臂回转、俯仰，用液压驱动；控制系统用磁鼓最存储装置。

不少球坐标式通用机械手就是在这个基础上发展起来的。

同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司（Unimaton）,专门生产工业机械手。

图1-2 世界上第一台工业机械手
Fig.1-2 The world's first industrial robots
1962年美国机械铸造公司也试验成功一种叫Versatran机械手，原意是灵活搬运。

该机械手的中央立柱可以回转，臂可以回转、升降、伸缩、采用液压驱动，控制系统也是示教再现型。

虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。

1978年美国Unimate公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vic-arm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差可小于±1毫米。

美国还十分注意提高机械手的可靠性，改进结构，降低成本。

如Unimate
公司建立了8年机械手试验台，进行各种性能的试验。

准备把故障前平均时间（注：故障前平均时间是指一台设备可靠性的一种量度。

它给出在第一次故障前的平均运行时间），由400小时提高到1500小时，精度可提高到±0.1毫米。

图1-3 六自由度机械手
Fig.1-3 Six degrees of freedom manipulator
德国机器制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。

德国KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。

瑞士RETAB公司生产一种涂漆机械手，采用示教方法编制程序。

瑞典安莎公司采用机械手清理铸铝齿轮箱毛刺等。

日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。

自1969年从美国引进二种典型机械手后，大力研究机械手的研究。

据报道，1979年从事机械手的研究工作的大专院校、研究单位多达50多个。

1976年个大学和国家研究部门用在机械手的研究费用42%。

1979年日本机械手的产值达443亿日元，产量为14535台。

其中固定程序和可变程序约占一半，达222亿日元，是1978年的二倍。

具有记忆功能的机械手产值约为67亿日元，比1978年增长50%。

智能机械手约为17亿日元，为1978年的6倍。

截止1979年，机械手累计产量达56900台。

在数量上已占世界首位，约占70%，并以每年50%～60%的速度增长。

使用机械手最多的是汽车工业，其次是电机、电器。

预计到1990年将有55万机器人在工作。

1978年，日本山梨大学牧野洋发明SCARA，该机器人具有四个轴和四个运动自由度，(包括绕X,Y,Z方向的旋转自由度和沿Z轴的平移自由度)。

该系列的操作手在其动作空间的四个方向具有有限刚度，而在剩下的其余两个方向上具有无限大刚度。

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如今SCARA机器人[4]还广泛应用于塑料工业、汽车工业、电子产品工业、药品工业和食品工业等领域。

它的主要职能是搬取零件和装配工作。

它的第一个轴和第二个轴具有转动特性，第三和第四个轴可以根据工作的需要的不同，制造成相应多种不同的形态，并且一个具有转动、另一个具有线性移动的特性。

由于其具有特定的形状，决定了其工作范围类似于一个扇形区域。

图1-4 日本的SCARA机器人
Fig.1-4 Japan's SCARA robot
第二代机械手正在加紧研制。

它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。

研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，使机械手具有感觉机能。

目前国外已经出现了触觉和视觉机械手。

第三代机械手（机械人）则能独立地完成工作过程中的任务。

它与电子计算机和电视设备保持联系。

并逐步发展成为柔性制造系统FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造单元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一环。

1.3国内外机械手研究现状与发展趋势
（1）工业机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修），而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10.3万美元降至97年的6.5万美元。

（2）机械结构向模块化、可重构化发展。

例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块化装配机器人产品问市。

（3）工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。

（4）机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器。

（5）虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。

（6）当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。

（7）机器人化机械开始兴起。

从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。

1.4我国工业机器人的发展
我国工业机器人起步于20世纪70年代初期，经过30多年的发展，大致经历了3个阶段：70年代的萌芽期，80年代的开发期和90年代的适用化期。

20世纪70年代是世界科技发展的一个里程碑：人类登上了月球，实现了金星、火星的软着陆。

我国也发射了人造卫星。

世界范围内工业机器人的应用掀起了一个高潮，尤其在日本发展更为迅猛，它补充了日益短缺的劳动力。

在这种背景下，我国于1972年开始研制自己的工业机器人。

进入20世纪80年代后，随着改革开放的不断深入，在高技术浪潮的冲击下，我国机器人技术的开发与研究得到了政府的重视与支持。

“七五”期间，国家投入资金，对工业机器人及其零部件进行攻关，完成了示教再现式工业机器人成套技术的开发，研制出了喷涂、电焊、弧焊和搬运机器人。

1986年，国家高技术研究发展计划开始实施，经过几年的研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特种机器人。

从20世纪90年代初期起，我国的国民经济进入实现两个根本转变时期，掀起了新一轮的经济体制改革和技术进步热潮。

我国的工业机器人又在实践中迈进了一大步，先后研制出了点焊、弧焊、装配、喷漆、切割、搬运、包装、码垛等各种用途的工业机器人，并实施了一批机器人应用工程，形成了一批机器人产业化基地，为我国机器人产业的腾飞奠定了基础。

但是在多传感器信息
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融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。

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2 物料搬运机械手总体设计
设计一台工业机器人是一项复杂而又艰巨的任务，由于本人实践经验的缺乏和认识上的不足，因此在设计上不可能面面俱到。

本次设计仅仅只设计机器人的总体机械结构，而对于控制系统以及细节部分如机械手设计等等不作详细的探讨。

2.1机械手的功能要求
能够快速、平稳、准确的夹起物料并完成搬运工作时物料搬运机械手的最基本的功能要求，这要求具备一定的精度，具有一定的承载能力，同时还有一定的工作空间。

当然灵活的自由度和完成一定动作的平稳性也是必不可少的。

在对于物料搬运机械手进行设计是，必须要根据机械手所要进行的动作，选择合适的机械手的结构，确定工作时序。

应明确机械手搬运物料的重量和要满足的精度。

进而确定机械手运动控制的要求，并且还要兼顾通用性和专用性的同时，尽量选用已经定型的标准组件，以实现机械手的模块化[5-7]。

本设计所要设计的机械手主要用生产线上某袋装化工产品的搬运动作。

搬运物料的结构尺寸为mm mm mm 300400400⨯⨯，重量为20kg 。

因此机械手的主要设计参数如下。

表2-1 机械手主要设计要求
Tab.2-1 The mainly design requirements of Manipulator
项目
参数 自由度 3 最大回转角度
240度 最小回转角度
90度 最大工作半径
960mm 最大载荷
30kg 额定载荷
20kg 手爪最大行程 410mm
2.2确定机器人类型
根据机器人的运动参数确定其运动形式，然后才能确定其结构。

根据机器人坐标建立的形式可以分为以下几个类型。

(1)直角坐标型:主体结构的关节都是移动关节。

特点是：结构简单，刚度高。

关节之间运动相互独立，没有耦合作用。

占地面积大，导轨面防护比较困难。

(2)圆柱坐标型：圆柱坐标式机器人主体结构具有三个自由度：腰转、升降和伸缩。

亦即具有一个旋转运动和两个直线运动。

特点：通用性较强；结构紧凑；机器人腰转时将手臂缩回，减少了转动惯量。

受结构限制，手臂不能抵达底部，减少了工作范围。

(3)球面坐标式（极坐标）：机器人主体结构具有三个自由度，两个旋转运动和一个直线运动。

特点：工作范围较大；占地面积小；控制系统复杂
(4)关节式机器人：关节式机器人的主体结构的三个自由度腰转关节、肩关节、肘关节全部是转动关节。

特点：动作灵活，工作空间大；关节运动部位密封性好；运动学复杂，不便于控制。

综合比较以上几种方案的不同优缺点及对设计要求的全面认识，本次设计采用圆柱坐标型结构。

此结构有以下优点：通用性较强；结构紧凑；机器人腰转时将手臂缩回，减少了转动惯量。

同时这类机械手也存在一些结构上的缺点，例如手臂不能抵达底部，这样就减少了工作范围。

2.3 工业机器人的组成及各部分关系
图2-1 工业机器人组成图
Fig.2-1 The composition of industrial robot
2.4机械手总体设计及传动形式说明
作为机械手的最终的执行机构，机械机构的布局和类型直接影响到机械手的驱动系统和传动方式，乃至影响整个机械手的工作性能。

针对本论文中提到的物料搬运机械手，机械手在做物料搬运时，手臂具有上升、下降、伸出和收缩的功能。

并且机械手的腰部应能够进行回转。

为了满足功能要求，本论文的物料搬运机械手设计分为三个自由度。

并且机械手的运动形式分为方向移动和工作执行两个部分。

其中方向移动部分占两个自由度，包括了伸出和缩回激动机构和平面摆动机构。

由于这两个自由度之间没有耦合，所以可以有效的简化机械手的运算和控制。

工作执行部分只有一个自由度，包括了上升和下降两个运动形式。

对于具体机械手的结构图见图2-2。

图2-2 机械手的总体图
Fig.2-2 Overall figure of the manipulator
2.4.1机械手的传动形式说明
由于本机器人主要实现了三个自由度的运动，所以其传动形式也相对比较简单，下面对其传动形式予以说明。

（1）腰部回转运动。

由于本机械手要实现物料的搬运，要具有一定的精度。

并且考虑到机械手的通用性，在其他场合下也能很快的进行工作转换，对于腰部的回转运动采用了步进电机提供动力源。

因为步进电机的转速相对于我们要
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求的腰部回转运动的速度较快，而且还应该提供较大的力矩，因此此处应选择带有减速器的步进电机，减速器应为行星轮减速器。

（2）手臂部位的伸出和收缩。

手臂部位的伸缩运动同样需要一定的精度，同时为了节省空间和减轻手臂的重量，此处也是选择了步进电机来作为动力源，同时运动的传递使用了丝杠与丝杠螺母的形式。

（3）手爪的上下运动。

手爪的上下运动对于搬运机械手来说要求的精度相对较低，而且此处需要的上下运动的力比较大，大约300N，因此此处我们选择使用气缸来实现这个方向的运动。

（4）手爪的夹持运动。

一般情况下，我们不会讲手爪的夹持运动当做机器人的自由度，但是在这里涉及到运动形式的介绍，因此在此处对于手爪的夹持运动一并进行说明。

此处物体的重量比较大，为了提供足够的加持力，我们选用气缸来作为手爪的动力源，此处进行了手爪的结构设计。

2.4.2滚珠丝杠
滚珠丝杆是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的理想的产品。

滚珠丝杆由螺杆、螺母和滚珠组成。

它的功能是将旋转运动转化成直线运动，这是滚珠螺丝的进一步延伸和发展，这项发展的重要意义就是将轴承从滚动动作变成滑动动作。

由于具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。

滚珠丝杠轴承为适应各种用途，提供了标准化种类繁多的产品。

广泛应用与机床，滚珠的循环方式有循环导管式、循环器式、端盖式。

图2-3 滚珠丝杠图
Fig.2-3 The ball screw
预压方式有定位预压（双螺母方式、位预压方式）、定压预压。

可根据用途选择适当类型。

丝杆有高精度研磨加工的精密滚珠丝杠（精度分为从CO-C7的6个等级）和经高精度冷轧加工成型的冷轧滚珠丝杠轴承（精度分为从C7-C10
的3个等级）。

另外，为应付用户急需交货的情况，还有已对轴端部进行了加工的成品，可自由对轴端部进行追加工的半成品及冷轧滚珠丝杠轴承。

作为此轴承的周边零部件，在使用所必要的丝杠支撑单元、螺母支座、锁紧螺母等也已被标准化了，可供用户选择使用。

滚珠丝杠轴承以多年来所累积制品技术为基础，从材料、热外理、制造、检查至出货，都是以严谨的品保制度来加以管理，因此具有高信赖性。

2.4.3直线导轨
直线导轨可分为：滚轮直线导轨和滚珠直线导轨两种，前者速度快精度稍低，后者速度慢精度较高。

直线导轨又称线轨、滑轨、线性导轨、线性滑轨，用于直线往复运动场合，拥有比直线轴承更高的额定负载，同时可以承担一定的扭矩，可在高负载的情况下实现高精度的直线运动.
分为方形滚珠直线导轨，双轴芯滚轮直线导轨，单轴芯直线导轨。

在大陆称直线导轨，台湾一般称线性导轨，线性滑轨。

直线运动导轨的作用是用来支撑和引导运动部件，按给定的方向做往复直线运动。

依摩擦性质而定，直线运动导轨可以分为滑动摩擦导轨、滚动摩擦导轨、弹性摩擦导轨、流体摩擦导轨等种类。

直线轴承主要用在自动化机械上比较多,像德国进口的机床,折弯机,激光焊接机等等,当然直线轴承和直线轴是配套用的。

像直线导轨主要是用在精度要求比较高的机械结构上,
滑块-使运动由曲线转变为直线。

新的导轨系统使机床可获得快速进给速度，在主轴转速相同的情况下，快速进给是直线导轨的特点。

直线导轨与平面导轨一样，有两个基本元件；一个作为导向的为固定元件，另一个是移动元件。

由于直线导轨是标准部件，对机床制造厂来说．唯一要做的只是加工一个安装导轨的平面和调整导轨的平行度。

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图2-4 直线导轨
Fig.2-4 the linear guide-way
作为导向的导轨为淬硬钢，经精磨后置于安装平面上。

与平面导轨比较，直线导轨横截面的几何形状，比平面导轨复杂，复杂的原因是因为导轨上需要加工出沟槽，以利于滑动元件的移动，沟槽的形状和数量，取决于机床要完成的功能。

例如：一个既承受直线作用力，又承受颠覆力矩的导轨系统，与仅承受直线作用力的导轨相比．设计上有很大的不同。

2.4.4 步进电机与气缸
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。

在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。

可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

图2-5 步进电机
Fig.2-5 The stepping motor
步进电机的特点：
（1）一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。

（2）步进电机外表允许的最高温度。

步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90
度完全正常。

（3）步进电机的力矩会随转速的升高而下降。

当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。

在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。

（4）步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。

步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。

伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。

气缸，是引导活塞在其中进行直线往复运动的圆筒形金属机件。

工质在发动机气缸中通过膨胀将热能转化为机械能；气体在压缩机气缸中接受活塞压缩而提高压力。

涡轮机、旋转活塞式发动机等的壳体通常也称“气缸”。

气缸有作往复直线运动的和作往复摆动的两类。

作往复直线运动的气缸又可分为单作用、双作用、膜片式和冲击气缸4种。

根据工作所需力的大小来确定活塞杆上的推力和拉力。

由此来选择气缸时应使气缸的输出力稍有余量。

若缸径选小了，输出力不够，气缸不能正常工作；但缸径过大，不仅使设备笨重、成本高，同时耗气量增大，造成能源浪费。

在夹具设计时，应尽量采用增力机构，以减少气缸的尺寸。

2.4.5行星齿轮减速器
行星齿轮减速机主要传动结构为：行星轮，太阳轮，内齿圈。

行星减速机因为结构原因，单级减速最小为3，最大一般不超过10，常见减速比为：3.4.5.6.8.10，减速机级数一般不超过3，但有部分大减速比定制减速机有4级减速。

相对其他减速机，行星减速机具有高刚性、高精度(单级可做到1分以内)、高传动效率(单级在97%-98%)、高的扭矩/体积比、终身免维护等特点。

因为这些特点，行星减速机多数是安装在步进电机和伺服电机上，用来降低转速，提升扭矩，匹配惯量[8]。

行星减速机额定输入转速最高可达到18000rpm(与减速机本身大小有关，减速机外形越大，额定输入转速越小)以上，工业级行星减速机输出扭矩一般不超过2000Nm，特制超大扭矩行星减速机可做到10000Nm以上。

工作温度一般在-25℃到100℃左右，通过改变润滑脂可改变其工作温度。

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