智能伸縮運載機械臂

1、2016全國大學生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽說明書作者：劉捷、孫伯乾、陳立新、隋曉謙、張世鵬指導教師：王洪博、劉元義目錄第一章、緒論11.1快遞的運輸中存在的主要問題11.2快遞運輸創(chuàng)新點及預想方案1第二章、快遞分揀機的設(shè)計理念11.1傳統(tǒng)快遞分揀的方式及設(shè)計任務(wù)13.2臂：水平伸縮運動驅(qū)動力的計算33.3臂：垂直升降運動驅(qū)動力的計算43.4回轉(zhuǎn)運動驅(qū)動力矩的計算43.5驅(qū)動力的計算53.6兩支點回轉(zhuǎn)式鉗爪的定位誤差的分析8四、液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計94.1液壓傳動系統(tǒng)的簡介94.2液壓系統(tǒng)的組成94.3碼垛俠客液壓系統(tǒng)的控制回路104.4 碼垛俠客的液壓傳動系統(tǒng)10五、識別搬運系統(tǒng)10六、底座結(jié)構(gòu)11七、主

2、要創(chuàng)新點11八、技術(shù)推廣及應(yīng)用價值12一、作品背景隨著科技的發(fā)展,機器人應(yīng)用越來越廣泛。機器人技術(shù)的研究在經(jīng)歷了第一代示教再現(xiàn)型機器人和第二代感知型機器人兩個階段之后進入第三代智能機器人的發(fā)展階段。智能伸縮運載機械臂是在自動化生產(chǎn)過程中使用的一種具有抓取和移動工件功能的自動化裝置，它是在機械化、自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。智能伸縮運載機械臂已發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中一個重要組成部分，可以使復雜而繁瑣的事情變得簡單，工人們只需簡單的操作就可以完成大量復雜的搬運工作，同時也降低了人工搬運的危險性。所以大量的智能伸縮運載機械臂出現(xiàn)了。二、作品特點1.可以實現(xiàn)遠程控

3、制。2.可以實現(xiàn)人工智能，對部分物品具有識別功能。3.結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，故障率低。 4.速度比較快的搬運貨物。5.耗能低，此機器人的功率只有5kw，可很大的節(jié)約客戶的運行成本。6占地面積小，可在極其狹小的空間搬運。三、作品結(jié)構(gòu)及工作原理31、臂部概述臂部是智能伸縮運載機械臂的主要執(zhí)行部件，其作用是支承手部和腕部，并將被抓取的工件傳送到給定位置和方位上，因而碼垛俠客的手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和升降運動。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運動是通過立柱來實現(xiàn)的。立柱的橫向移動即為手臂的橫向移動。手臂的各種運動通常由驅(qū)動機構(gòu)和各種傳動機構(gòu)來實現(xiàn)，因此，它不僅僅承受被抓取工件的重量，而且承受手部、手腕

4、、和手臂自身的重量。手臂的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大?。幢哿Γ┖投ㄎ痪鹊榷贾苯佑绊憴C械手的工作性能，所以必須根據(jù)機械爪的抓取重量、運動形式、自由度數(shù)、運動速度及其定位精度的要求來設(shè)計手臂的結(jié)構(gòu)型式。同時，設(shè)計時必須考慮到手臂的受力情況、油缸及導向裝置的布置、內(nèi)部管路與手腕的連接。 剛度要大:為防止臂部在運動過程中產(chǎn)生過大的變形，手臂的截面形狀的選擇要合理。曲形截面彎曲剛度一般比圓截面大；空心管的彎曲剛度和扭曲剛度都比實心軸的好。所以常用鋼管臂桿及導向桿，用工字鋼和槽鋼作支承板。 導向性要好:為防止手臂在直線移動中，沿運動軸線發(fā)生相對運動，或設(shè)置導向裝置，或設(shè)計方形、花鍵等形式的臂桿。

5、 偏重力矩要小:所謂偏重力矩就是指臂部的重量對其支承回轉(zhuǎn)軸所產(chǎn)生的靜力矩。為提高機器人的運動速度，要盡量減少臂部運動部分的重量，以減少偏重力矩和整個手臂對回轉(zhuǎn)。軸的旋轉(zhuǎn)慣量。 運動要平穩(wěn)、定位精度要高:由于臂部運動速度越高、重量越大，慣性力引起的定位前的沖擊也就越大，運動即不平穩(wěn)，定位精度也不會高。故應(yīng)盡量減少小臂部運動部分的重量，使結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，同時要采取一定的緩沖措施。如圖手臂的橫向移動機構(gòu)。手臂的橫向移動是由活塞缸5來驅(qū)動的，回轉(zhuǎn)缸體與滑臺1用螺釘聯(lián)結(jié)，活塞桿4通過兩塊連接板3用螺釘固定在滑坐 2上。當活塞缸 5 通過壓力油時，其缸體就帶動滑臺1，沿著燕尾形滑 2做橫向往復運動。32

6、、臂：水平伸縮運動驅(qū)動力的計算手臂做水平伸縮運動時，首先要克服摩擦阻力，包括油缸與活塞之間的摩擦阻力及導向桿與支承滑套之間的摩擦阻力等，還要克服啟動過程中的慣性力。其驅(qū)動力Pq可按下式計算：式中 Fm各支承處的摩擦阻力； Fg啟動過程中的慣性力，其大小可按下式估算：W 手臂伸縮部件的總重量 （N）；g 重力加速度（9.8m/s）； a 啟動過程中的平均加速度（m/s）。而 v 速度變化量。如果手臂從靜止狀態(tài)加速到工作速度V時，則這個過程的速度變化量就等于手臂的工作速度；t 啟動過程中所用的時間，一般為0.010.5s。當Fm=80N,W=1098（N），V = 500mm/s時，33、臂：垂直

7、升降運動驅(qū)動力的計算手臂作垂直運動時，除克服摩擦阻力Fm和慣性力Fg之外，還要克服臂部運動部件的重力，故其驅(qū)動力Pq可按下式計算： 式中 Fm各支承處的摩擦力（N）； Fg啟動時慣性力（N）可按臂伸縮運動時的情況計算； W臂部運動部件的總重量（N）； ±上升時為正，下降時為負。 當Fm=40N，F(xiàn)g=100N，W =1098N時34、回轉(zhuǎn)運動驅(qū)動力矩的計算臂部回轉(zhuǎn)運動驅(qū)動力矩應(yīng)根據(jù)啟動時產(chǎn)生的慣性力矩與回轉(zhuǎn)部件支承處的摩擦力矩來計算。由于啟動過程一般不是等加速度運動，故最大驅(qū)動力矩要比理論平均值大一些，一般取平均值的1.3倍。故驅(qū)動力矩Mq可按下式計算：Mm各支承處的總摩擦力矩；Mg

8、啟動時慣性力矩，一般按下式計算： J手臂部件對其回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量；回轉(zhuǎn)手臂的工作角速度（rad/s）；t回轉(zhuǎn)臂的啟動時間（s）。當Mm=84(N·m) 3.5、驅(qū)動力的計算1、手指；2、銷軸； 3、拉桿；4、指座圖1 杠桿式手部受力分析如圖所示為滑槽式手部結(jié)構(gòu)。在拉桿3作用下銷軸2向上的拉力為P，并通過銷軸中心O點，兩手指1的滑槽對銷軸的反作用力為P1、P2，其力的方向垂直于滑槽中心線OO1和OO2并指向O點，P1和P2的延長線交O1O2于A及B，由于O1OA和O2OA均為直角三角形，故AOC=BOC=。根據(jù)銷軸的力平衡條件，即，銷軸對手指的作用力為p1。手指握緊工件時所需的力稱為

9、握力（即夾緊力），假想握力作用在過手指與工件接觸面的對稱平面內(nèi)，并設(shè)兩力的大小相等，方向相反，以N表示。由手指的力矩平衡條件，即得因為 所以 式中 a手指的回轉(zhuǎn)支點到對稱中心線的距離（毫米）。 工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點連線間的夾角。由上式可知，當驅(qū)動力P一定時，角增大則握力N也隨之增加，但角過大會導致拉桿（即活塞）的行程過大，以及手指滑槽尺寸長度增大，使之結(jié)構(gòu)加大，因此，一般取=30°40°，這里取角=30度。這種手部結(jié)構(gòu)簡單，具有動作靈活，手指開閉角大等特點。查工業(yè)機械手設(shè)計基礎(chǔ)7中表2-1可知，V形手指夾緊圓棒料時，握力的計算公式N=0.5G，綜合前面驅(qū)動

10、力的計算方法，可求出驅(qū)動力的大小。為了考慮工件在傳送過程中產(chǎn)生的慣性力、振動以及傳力機構(gòu)效率的影響，其實際的驅(qū)動力P實際應(yīng)按以下公式計算，即： 手部的機械效率，一般取0.850.95；K1安全系數(shù)，一般取1.22K2工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，K2可近似按下式估計，K2=1+a/g，其中a為被抓取工件運動時的最大加速度，g為重力加速度。本機械手的工件只做水平和垂直平移，當它的移動速度為500毫米/秒，移動加速度為1000毫米/秒，工件重量G為98牛頓，V型鉗口的夾角為120°,=30°時，拉緊油缸的驅(qū)動力P和P實際計算如下：根據(jù)鉗子夾持工件的方位，由水平放置鉗爪夾持

11、水平放置的工件的當量夾緊力計算公式：把已知條件代入得當量夾緊力為由滑槽杠桿式結(jié)構(gòu)的驅(qū)動力計算公式得 P=P計算P實際=P計算取,則 3.6、兩支點回轉(zhuǎn)式鉗爪的定位誤差的分析鉗口與鉗爪的連接點E為鉸鏈聯(lián)結(jié),如圖示幾何關(guān)系,若設(shè)鉗爪對稱中心O到工件中心O的距離為x,則當工件直徑變化時,x的變化量即為定位誤差,設(shè)工件半徑R由Rmax變化到Rmin時,其最大定位誤差為-其中l(wèi)=45mm ,b=5mm ,a=27mm , ,代入公式計算得最大定位誤差=44.2-44.7=0.50.8。所以是符合要求。四、液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計4.1、液壓傳動系統(tǒng)簡介：智能伸縮運載機械臂的液壓傳動是以有壓力的油液作為傳遞動力的

12、工作介質(zhì)。電動機帶動油泵輸出壓力油，是將電動機供給的機械能轉(zhuǎn)換成油液的壓力能。壓力油經(jīng)過管道及一些控制調(diào)節(jié)裝置等進入油缸，推動活塞桿運動，從而使手臂作伸縮、升降等運動，將油液的壓力能又轉(zhuǎn)換成機械能。手臂在運動時所能克服的摩擦阻力大小，以及夾持式手部夾緊工件時所需保持的握力大小，均與油液的壓力和活塞的有效工作面積有關(guān)。手臂做各種運動的速度決定于流入密封油缸中油液容積的多少。這種借助于運動著的壓力油的容積變化來傳遞動力的液壓傳動稱為容積式液壓傳動，機械手的液壓傳動系統(tǒng)都屬于容積式液壓傳動。4.2、液壓系統(tǒng)的組成：液壓傳動系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成： 油泵：它供給液壓系統(tǒng)壓力油，將電動機輸出的機械能

13、轉(zhuǎn)換為油液的壓力能，用這壓力油驅(qū)動整個液壓系統(tǒng)工作。 液動機：壓力油驅(qū)動運動部件對外工作部分。手臂做直線運動，液動機就是手臂伸縮油缸。也有回轉(zhuǎn)運動的液動機一般叫作油馬達，回轉(zhuǎn)角小于360°的液動機，一般叫作回轉(zhuǎn)油缸（或稱擺動油缸）。 控制調(diào)節(jié)裝置：各種閥類，如單向閥、溢流閥、節(jié)流閥、調(diào)速閥、減壓閥、順序閥等，各起一定作用，使機械手的手臂、手腕、手指等能夠完成所要求的運動。4.3、智能伸縮運載機械臂液壓系統(tǒng)的控制回路：智能伸縮運載機械臂的液壓系統(tǒng)，根據(jù)機械手臂自由度的多少，液壓系統(tǒng)可繁可簡，但是總不外乎由一些基本控制回路組成。這些基本控制回路具有各種功能，如工作壓力的調(diào)整、油泵的 卸荷

14、、運動的換向、工作速度的調(diào)節(jié)以及同步運動等。44、智能伸縮運載機械臂的液壓傳動系統(tǒng)：液壓系統(tǒng)圖的繪制是設(shè)計液壓機械手的主要內(nèi)容之一。液壓系統(tǒng)圖是各種液壓元件為滿足機械臂動作要求的有機聯(lián)系圖。它通常由一些典型的壓力控制、流量控制、方向控制回路加上一些專用回路所組成。繪制液壓系統(tǒng)圖的一般順序是：先確定油缸和油泵，再布置中間的控制調(diào)節(jié)回路和相應(yīng)元件，以及其他輔助裝置，從而組成整個液壓系統(tǒng)，并用液壓系統(tǒng)圖形符號，畫出液壓原理圖。五、識別搬運系統(tǒng)智能伸縮運載機械臂的頭部裝有兩個微型攝像頭，相當于它的眼睛。每個攝像頭都可以360度旋轉(zhuǎn)，這樣保證了對周圍信息的有效捕捉，它的眼睛就是它的光學圖像識別系統(tǒng)。該系

15、統(tǒng)由一組特殊配置的透鏡和計算機組成，透鏡系統(tǒng)完成對三維光學圖像的變換運算及相關(guān)運算，再由計算機完成控制、分析和判斷任務(wù)，從而進行有效的工作，動力的輸入端在底座部位，設(shè)有電源插頭和蓄電池，增加了自動搬運機械手臂工作續(xù)航能力。六、底座結(jié)構(gòu)機械手臂起到固定作用，可以使機械手臂穩(wěn)定的工作，設(shè)計的時候要考慮到夾物體的時候，夾到最大重量時仍能穩(wěn)定、不動。所以設(shè)計成大小圓柱組合形狀，可以有效增加其作業(yè)時的安全性和穩(wěn)定性。其中控制機械手臂的電機在底座里面，包括各種芯片，控制系統(tǒng)?？梢杂行У目刂瓢徇\機構(gòu)的識別搬運和放置動作，完成作業(yè)任務(wù)。底座下面設(shè)有固定裝置，可以把底座牢牢的吸在要工作的平面。七、主要創(chuàng)新點1、智能伸縮運載機械臂設(shè)有多節(jié)運動機構(gòu)，更利于其在復雜的環(huán)境下工作。2、智能伸縮運載機械臂配有自動平衡系統(tǒng)，根據(jù)不同的移動姿態(tài)，自動平衡系統(tǒng)可實時調(diào)整其自身的重心位置，確保它工作時的穩(wěn)定性。3、底座有電源插頭，同時機體配備有蓄電池組，保證了機器人的長久運行適應(yīng)多變的工作狀態(tài)。4、360的視覺監(jiān)視，大范圍的取景，可以很好的觀察四周的環(huán)境。