包裝搬運(yùn)機(jī)器人的設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)

東北林業(yè)大學(xué)

畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書包裝搬運(yùn)機(jī)器人的設(shè)計(jì)學(xué)生姓名： 專業(yè)班級(jí)： 包裝工程 一指導(dǎo)教師： 一學(xué)院： 工程技術(shù)學(xué)院2012年11月15日題目名稱：包裝搬運(yùn)機(jī)器人的設(shè)計(jì)任務(wù)內(nèi)容（包括內(nèi)容、計(jì)劃、時(shí)間安排、完成工作量與水平具體要求）設(shè)計(jì)內(nèi)容:對(duì)包裝搬運(yùn)機(jī)器人的現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研分析，歸納并總結(jié)出現(xiàn)有包裝搬運(yùn)機(jī)器人存在的問題。針對(duì)一種包裝件進(jìn)行包裝搬運(yùn)機(jī)器人的設(shè)計(jì)。使用ro/E、AutoCAD.PhotoshopCS5等設(shè)計(jì)軟件，繪制所設(shè)計(jì)的包裝搬運(yùn)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和模型。計(jì)劃進(jìn)度：2012年11月15日一2012年12月15日，查閱文獻(xiàn)，準(zhǔn)備開題。2012年12月16日—2013年3月31日，畢業(yè)實(shí)習(xí)，為畢業(yè)論文搜集資料。2013年4月1日—2013年4月25日，進(jìn)行市場調(diào)查，了解當(dāng)今機(jī)器人需求，掌握包裝搬運(yùn)機(jī)器人的用途特點(diǎn)和發(fā)展前景。2013年4月26日—2013年5月10日，進(jìn)行包裝搬運(yùn)機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和包裝搬運(yùn)機(jī)器人本體方案設(shè)計(jì)。2013年5月11日—2013年5月20日，設(shè)計(jì)最終設(shè)計(jì)方案，用AutoCAD設(shè)計(jì)平面結(jié)構(gòu)圖并用Pro/E設(shè)計(jì)其三維結(jié)構(gòu)，最后肝hotoshopCS5修圖美化。2013年5月21日—2013年6月10日，完成畢業(yè)設(shè)計(jì)，最終定稿。2013年6月11日一2013年6月20日，進(jìn)行答辯。其中：參考文獻(xiàn)篇數(shù)：20篇以上說明書字?jǐn)?shù)：10000字以上圖紙張數(shù)：圖紙19張專業(yè)負(fù)責(zé)人意見簽名：年月日包裝搬運(yùn)機(jī)器人的設(shè)計(jì)摘要我國對(duì)食品和醫(yī)藥的需求量快速增長帶動(dòng)相關(guān)包裝產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。包裝產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展需要開發(fā)更加先進(jìn)的包裝技術(shù)。相關(guān)包裝企業(yè)為提高包裝設(shè)備的自動(dòng)化程度和速度，進(jìn)而開發(fā)出貫穿整個(gè)生產(chǎn)線的新型智能包裝設(shè)備。包裝搬運(yùn)機(jī)器人作為自動(dòng)化生產(chǎn)線上的重要成員，逐漸被包裝企業(yè)所認(rèn)同并采用。目前，包裝搬運(yùn)機(jī)器人主要承擔(dān)著重復(fù)性并且勞動(dòng)強(qiáng)度極大的搬運(yùn)工作。本設(shè)計(jì)通過了解包裝搬運(yùn)機(jī)器人在包裝產(chǎn)業(yè)上的應(yīng)用現(xiàn)狀，提出了具體的設(shè)計(jì)要求，并根據(jù)包裝搬運(yùn)機(jī)器人各部分的設(shè)計(jì)原則，進(jìn)行了系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)以及手部夾持器、臂部、機(jī)身的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過運(yùn)刪utoCAD對(duì)包裝搬運(yùn)機(jī)器人進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，運(yùn)用ro/E對(duì)包裝搬運(yùn)機(jī)器人進(jìn)行三維實(shí)體造型，最后使用hotoshopCS5進(jìn)行修圖美化。關(guān)鍵詞：包裝；搬運(yùn)機(jī)器人；設(shè)計(jì)DesignofPackagingTransferRobotAbstractNowadaystherapidgrowthofdemandforfoodandmedicineinourcountrywillpromotethedevelopmentofthepackagingindustry.Therapiddevelopmentofthepackagingindustryneedstodevelopmoreadvancedpackagingtechnology.Inordertoimprovetheautomationdegreeandspeedofpackagingequipment,relatedpackagingenterprisesdevelopnewintelligentpackagingequipmentthroughouttheproductionline.Packagingtransferrobot,animportantmemberoftheautomatedproductionline,isrecognizedandadoptedbypackagingenterprisesgradually.Atpresent,packagingtransferrobotismainlyresponsiblefortransferingrepetitiveandlabor-intensivework.Throughunderstandingtheapplicationstatusofpackagingtransferrobot,thisdesignputsforwardthespecificdesignrequirements.Accordingtodesignprinciplesofvariousparts,italsocarriesonthedesignoftheoverallsystemandthemechanicalstructureofhandholder,arm,body,designingtheStructurebyAutoCAD,designingthree-dimensionalsolidmodelingbyPro/E,andretouchingbyPhotoshopCS5.Keywords:packaging；transferrobotdesign目錄摘要AbstractTOC\o"1-5"\h\z1前言 1\o"CurrentDocument"包裝產(chǎn)業(yè)發(fā)展概況 1\o"CurrentDocument"機(jī)器人概況 2\o"CurrentDocument"概述 2\o"CurrentDocument"機(jī)器人的歷史、現(xiàn)狀和應(yīng)用 3\o"CurrentDocument"機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì) 4\o"CurrentDocument"本文主要研究內(nèi)容 5\o"CurrentDocument"本章小結(jié) 5\o"CurrentDocument"2包裝搬運(yùn)機(jī)器人的總體方案 6\o"CurrentDocument"總體設(shè)計(jì)的思路 6\o"CurrentDocument"系統(tǒng)分析階段 6\o"CurrentDocument"技術(shù)設(shè)計(jì)階段 6\o"CurrentDocument"自由度和坐標(biāo)系的選擇 7\o"CurrentDocument"直角坐標(biāo)包裝搬運(yùn)機(jī)器人結(jié)構(gòu) 7\o"CurrentDocument"圓柱坐標(biāo)包裝搬運(yùn)機(jī)器人結(jié)構(gòu) 7\o"CurrentDocument"球坐標(biāo)包裝搬運(yùn)機(jī)器人結(jié)構(gòu) 7\o"CurrentDocument"關(guān)節(jié)型包裝搬運(yùn)機(jī)器人結(jié)構(gòu) 7\o"CurrentDocument"包裝搬運(yùn)機(jī)器人的動(dòng)作過程 8\o"CurrentDocument"包裝搬運(yùn)機(jī)器人的組成 8\o"CurrentDocument"執(zhí)行機(jī)構(gòu) 8\o"CurrentDocument"驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 10\o"CurrentDocument"控制系統(tǒng)分類 11\o"CurrentDocument"傳動(dòng)系統(tǒng) 11\o"CurrentDocument"包裝搬運(yùn)機(jī)器人的技術(shù)參數(shù) 11\o"CurrentDocument"本章小結(jié) 11\o"CurrentDocument"3手部夾持器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 13\o"CurrentDocument"手部夾持器 13\o"CurrentDocument"手部設(shè)計(jì)基本要求 13\o"CurrentDocument"選擇手抓的類型及夾緊裝置 14\o"CurrentDocument"手爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 15\o"CurrentDocument"手爪的力學(xué)分析 15\o"CurrentDocument"手部的三維結(jié)構(gòu)圖 16\o"CurrentDocument"本章小結(jié) 16\o"CurrentDocument"4臂部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 18\o"CurrentDocument"臂部設(shè)計(jì)的基本要求 18\o"CurrentDocument"臂部應(yīng)承載能力大、剛度好、自重輕 18\o"CurrentDocument"臂部慣性小、運(yùn)動(dòng)快 18\o"CurrentDocument"手臂動(dòng)作應(yīng)該靈活 19\o"CurrentDocument"位置精度要求高 19其他 19

總結(jié) 19\o"CurrentDocument"手臂的典型機(jī)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)的選擇 19\o"CurrentDocument"手臂的典型運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 19\o"CurrentDocument"手臂運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇 19\o"CurrentDocument"手臂直線運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力的簡單分析 20\o"CurrentDocument"手臂摩擦力的計(jì)算和分析 20\o"CurrentDocument"手臂慣性力的計(jì)算 21\o"CurrentDocument"密封裝置 21活塞桿 21\o"CurrentDocument"活塞桿強(qiáng)度 21活塞桿剛度 22\o"CurrentDocument"臂部伸縮液壓缸的三維結(jié)構(gòu)圖 22\o"CurrentDocument"本章小結(jié) 22\o"CurrentDocument"5機(jī)身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)的簡單分析 23\o"CurrentDocument"機(jī)身的整體設(shè)計(jì) 23\o"CurrentDocument"機(jī)身回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 24\o"CurrentDocument"回轉(zhuǎn)液壓缸的三維結(jié)構(gòu)圖 24\o"CurrentDocument"機(jī)身升降機(jī)構(gòu) 25\o"CurrentDocument"手臂偏重力矩的分析 25\o"CurrentDocument"升降液壓缸的三維結(jié)構(gòu)圖 26包裝搬運(yùn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的簡單分析 262627運(yùn)動(dòng)學(xué)分析2627包裝搬運(yùn)機(jī)器人的動(dòng)作范圍??獻(xiàn)???JNn??淞考俁淵結(jié)參附致1前百包裝產(chǎn)業(yè)發(fā)展概況數(shù)字顯示，中國包裝產(chǎn)業(yè)這幾年發(fā)展迅速，中國包裝產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)量已從20世紀(jì)70年代初的63億元發(fā)展到2006年的7000億元人民幣，僅次于美國和日本。2011年我國包裝產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)量約1.4萬億元，成為第三世界包裝大國，僅次于美國⑴。包裝產(chǎn)業(yè)相關(guān)度高、吸納就業(yè)能力強(qiáng)、關(guān)系面廣、技術(shù)緊湊。這幾年間，一批包裝產(chǎn)業(yè)的集團(tuán)企業(yè)、產(chǎn)業(yè)團(tuán)體迅速發(fā)展。經(jīng)過國際組織和國家批準(zhǔn)，世界包裝組織亞洲包裝中心成立。中國第一次利用國際組織的資源在浙江杭州建設(shè)的集金融、信息、文化、制造、商貿(mào)、科技、教育、物流、建設(shè)和服務(wù)為一體的全球包裝產(chǎn)業(yè)中心，為全球包裝界開展雙邊、多邊和區(qū)域經(jīng)濟(jì)貿(mào)易合作交流提供世界級(jí)平臺(tái)，也是集合各方力量和睿智的重要品牌。但是，包裝產(chǎn)業(yè)中，國有企業(yè)、大型公司、較少，民營企業(yè)散而多，產(chǎn)業(yè)整個(gè)規(guī)模較小，同時(shí)，在眾多國外品牌的侵入后，中國產(chǎn)業(yè)受到威脅，比如德國肖特集團(tuán)用其精湛的技術(shù)經(jīng)濟(jì)實(shí)力挺進(jìn)中國區(qū)市場。十二五期間，通過企業(yè)收購、聯(lián)合、兼并等多種方式，以致我國的包裝產(chǎn)業(yè)進(jìn)行整合，組成幾個(gè)聯(lián)合公司、大型企業(yè)，從而促進(jìn)產(chǎn)業(yè)向前健康發(fā)展和技術(shù)革新。伴隨著中國經(jīng)濟(jì)迅速地崛起，人口老齡化引起和人民生活質(zhì)量提高的醫(yī)療開銷增多，新藥品研發(fā)強(qiáng)度增大，城鎮(zhèn)居民醫(yī)保的擴(kuò)大和醫(yī)療保障體系改革的速度加快，包裝將會(huì)持續(xù)保持快速增長的趨勢(shì)。同時(shí)，包裝品種和中國包材水平都低于國際標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)調(diào)查，發(fā)達(dá)國家中，包裝占產(chǎn)品價(jià)值的40%,中國卻不到11%。中國包裝產(chǎn)業(yè)的快速崛起時(shí)期便是接下來的幾年?！栋b產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃綱要（征求意見稿）》顯示，產(chǎn)業(yè)的重要組成部分之一是包裝，它是接觸藥品的基本要素，對(duì)用藥安全和藥品質(zhì)量影響很大。因而在產(chǎn)業(yè)〃十二五〃的計(jì)劃中，包裝藥品是具有同等的地位的，而不是配套產(chǎn)業(yè)，在國家工業(yè)規(guī)劃中應(yīng)給予明確。包裝材料的研究應(yīng)該和藥品的研究同步，對(duì)包裝產(chǎn)業(yè)的政策扶持力度要大，體現(xiàn)包裝材料的包裝規(guī)章、技術(shù)領(lǐng)域、發(fā)展要求、重點(diǎn)研發(fā)的產(chǎn)品領(lǐng)域等［1］。包裝產(chǎn)業(yè)是一個(gè)獨(dú)立的生產(chǎn)體統(tǒng)，第一次被指出成為國家發(fā)展計(jì)劃中，“十二五”計(jì)劃中的提升改革包裝業(yè)中提出：“包裝產(chǎn)業(yè)要加快發(fā)展新型包裝新材料、高端包裝制品及包裝裝備?！痹谥袊b業(yè)協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)中，每年全世界包裝銷售額為7000?8000億美元，它占GDP的1.7%?2.5%。一般情況下，發(fā)達(dá)國家中的包裝產(chǎn)業(yè)在其國內(nèi)屬于第8位的樣子，而發(fā)展中國家的產(chǎn)品和產(chǎn)業(yè)的年增長率達(dá)11%以上，甚至更多。到了2015年，世界包裝市場規(guī)模將從2008年的4291億美元增至6300億美元，發(fā)展速度將遠(yuǎn)超全球的經(jīng)濟(jì)增長速度［1］。包裝產(chǎn)業(yè)的總產(chǎn)值從2004年2600億元增長到2011年約13000億元，年復(fù)合增長率為22%,足以說明中國產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速。全球包裝產(chǎn)業(yè)看中了亞洲，尤其是中國的包裝東北林業(yè)大學(xué)本科設(shè)計(jì)市場，逐漸向亞洲轉(zhuǎn)移。在以后四到六年中，國包裝總產(chǎn)值將迅速崛起，它的年增長率將達(dá)到23%，有望超越美國的包裝總產(chǎn)值，至于第二世界包裝大國的地位是毋庸置疑的[1]。機(jī)器人概況概述在日常工作中包裝搬運(yùn)機(jī)器人就是一個(gè)機(jī)器人，機(jī)器人的崛起是因?yàn)樗莫?dú)特功能漸漸被我們所認(rèn)識(shí)：（1）它按照一些程序步驟，生產(chǎn)工藝的規(guī)章、位置和時(shí)間來完成包裝件的搬運(yùn)；（2）它能部分的為工人工作；（3）它能進(jìn)行必要的機(jī)具進(jìn)行裝卸和裝載，工人的勞動(dòng)條件被很好地改善了，勞動(dòng)生產(chǎn)率也提高了不少，因此有力促進(jìn)了產(chǎn)業(yè)機(jī)械化和自動(dòng)化的進(jìn)度。所以，很多國家花大量的人力財(cái)力來研究開發(fā)。特別是在惡劣環(huán)境（例如噪音、高壓，高溫和帶有放射性污染的場地，機(jī)器人的應(yīng)用率跟高。中國這幾年的機(jī)器人發(fā)展也得到機(jī)械人產(chǎn)業(yè)的推廣重視。機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單，專用性較強(qiáng)。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨(dú)立的根據(jù)編好的程序達(dá)到重復(fù)工作，應(yīng)用面積較廣的“程序控制式通用機(jī)器人”，也可以成為通用機(jī)器人。通用機(jī)器人的工作程序能方便更改，并且它適應(yīng)性不錯(cuò)，所以在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中，它得到廣泛應(yīng)用。機(jī)器人，簡單的來說是用機(jī)器代替人手進(jìn)行工作，把包裝件從一個(gè)地方搬到指定的工作地點(diǎn)，或者按照工作標(biāo)準(zhǔn)把包裝件進(jìn)行其他處理。一般情況下，機(jī)器人分為三種：第一種，是需要人工操作的，稱為操作機(jī)（Manipulator）。它從原子、軍事領(lǐng)域發(fā)展過來的。首先使用操作機(jī)來完成一些的工作，后來就發(fā)展到使用無線電訊號(hào)指揮機(jī)器人來進(jìn)行探測。工業(yè)中鍛造操作機(jī)也是這一種。第二種，它是一種獨(dú)立的、不附屬于某一主體、無需人工操作的裝置，你課根據(jù)工作的需要編制特定程序，來完成特定操作。這種機(jī)器人具有一般機(jī)器外的物理功能外，還有機(jī)械、記憶智能的功能。第三種，叫專業(yè)機(jī)器人，通常附屬于在自動(dòng)生產(chǎn)線上，來完成生產(chǎn)線上包裝件的搬運(yùn)，也就是本論文要研究的對(duì)象。該種機(jī)器人在國外通常叫做“MechanicalHand”，它由主機(jī)驅(qū)動(dòng)，并且為主機(jī)服務(wù)。除一些特殊例子外，它的工作程序是不變的，所以叫專用的⑵。機(jī)器人可分為好多種類型，根據(jù)的一點(diǎn)是它的結(jié)構(gòu)形式。應(yīng)用最廣泛的一種是關(guān)節(jié)型機(jī)器人，它的特點(diǎn)是占用空間體積小，構(gòu)造緊湊，使用的工作空間較大。如果跟好的話，它能繞過底座周圍的一些障礙物進(jìn)行工作，因此它成為機(jī)器人中使用最廣泛的一種設(shè)備，全球集中有名機(jī)器人的主體結(jié)構(gòu)都采用這種形式。為了使機(jī)器人像人一樣搬運(yùn)包裝件，最基本的要素是要有一套像指、腕、臂、關(guān)節(jié)等部分組成的抓取及移動(dòng)機(jī)構(gòu)一一執(zhí)行機(jī)構(gòu)；如同肌肉那種使整個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)一傳動(dòng)系統(tǒng)；如同頭腦那種指揮手動(dòng)作的工作中心一一控制系統(tǒng)。機(jī)器人的性能是由這些系統(tǒng)的性能所決定。通常情況下，執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)一傳動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)這三部分就組成本設(shè)計(jì)所定義的機(jī)器人，如圖1-1所示。1刖百機(jī)器人電、液或氣驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)-傳動(dòng)系統(tǒng)圖1-1機(jī)器人的一般組成機(jī)器人電、液或氣驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)-傳動(dòng)系統(tǒng)圖1-1機(jī)器人的一般組成現(xiàn)代的智能機(jī)器人還具有一些特別的智能系統(tǒng)，主要是語言識(shí)別裝置、感覺裝置及視覺裝置等等。給予機(jī)器人“眼睛”是現(xiàn)在研究的主要內(nèi)容，該研究的目的是使機(jī)器人能夠躲避障礙物是識(shí)別障礙物。還有改進(jìn)機(jī)器人的觸覺裝置。這些組成的功能部分并不是各自分開的，也不是機(jī)械式地疊加在一起，而是有機(jī)地構(gòu)成一個(gè)智能機(jī)器人。機(jī)器人的各部分需要存在一定相互制約、相互聯(lián)系及相互影響，這樣才能完成人們預(yù)期的操作功能。它們之間的相互關(guān)系如圖1-2所示。?工作對(duì)象智能系統(tǒng)?工作對(duì)象智能系統(tǒng)圖1-2機(jī)器人各部分之間的關(guān)系由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)一傳動(dòng)系統(tǒng)組成了機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)。機(jī)器人賴以完成工作任務(wù)的實(shí)體是執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它通常由關(guān)節(jié)和連桿組成，同時(shí)由驅(qū)動(dòng)一傳動(dòng)系統(tǒng)提供驅(qū)動(dòng)力，按控制系統(tǒng)的程序完成工作流程。機(jī)器人的歷史、現(xiàn)狀和應(yīng)用第一臺(tái)機(jī)器人是由美國開始研發(fā)制造的，1958年，第一臺(tái)機(jī)器人在美國聯(lián)合控制公司誕生。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是一回轉(zhuǎn)長臂被安置在機(jī)體上，前端安置電磁鐵的包裝件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是演示教學(xué)型的。亞洲的日本是工業(yè)機(jī)器人革新最快、技術(shù)最先進(jìn)的國家之一。1969年，日本從美國購入兩種典型機(jī)器人后，就重點(diǎn)進(jìn)行機(jī)器人的研究開發(fā)?，F(xiàn)在的大部分機(jī)器人技術(shù)還一般，僅僅屬于第一代，需要人為進(jìn)行操控進(jìn)行作業(yè)；沒有識(shí)別功能，控制方式還是開環(huán)式；提高精度和降低成本是以后改進(jìn)的研發(fā)改進(jìn)方東北林業(yè)大學(xué)本科設(shè)計(jì)向。目前，全球正在加緊研發(fā)第二代機(jī)器人，它內(nèi)部裝有微型電子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，具有觸覺功能和視覺功能，甚至還具有思考和聽錄的功能。各種傳感器安置在機(jī)器人上，把感覺到的信息反饋控制中心，使機(jī)器人具有感覺功能。至于第三代機(jī)器人，它能獨(dú)立地完成工作過程中的操作，電子計(jì)算機(jī)和遠(yuǎn)程設(shè)備與它相連接，漸漸成為柔性制造單元FMC(FlexibleManufacturingCell)和柔性制造系統(tǒng)FMS(FlexibleManufacturingSystem)中的重要一步[3]在社會(huì)的進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展的產(chǎn)業(yè)中，一些企業(yè)對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)本身提出越來越多的要求。由于機(jī)器人需要適應(yīng)不同的應(yīng)用場地和多品種、大小批量的生產(chǎn)流程，故制造業(yè)要求機(jī)器人系統(tǒng)要有更好的柔性和更先進(jìn)的編程環(huán)境。生產(chǎn)中的計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)要求機(jī)器人系統(tǒng)要能與工作場地中的其它自動(dòng)化系統(tǒng)很好地融合在一起，這樣能更流暢地完成操作。機(jī)器人的科研工作人員們?yōu)榱颂岣邫C(jī)器人系統(tǒng)及智能功能水平，就日益開發(fā)機(jī)器人系統(tǒng)的開放結(jié)構(gòu)和能融合各種傳感器的功能結(jié)構(gòu)。在人類社會(huì)中，都能看到機(jī)器人的身影。機(jī)器人的應(yīng)用已經(jīng)從海洋開發(fā)和宇宙探測等高端的技術(shù)科學(xué)領(lǐng)域向服務(wù)產(chǎn)業(yè)、建造產(chǎn)業(yè)等日常生活領(lǐng)域延生了，同時(shí)形形色色的機(jī)器人正在被研究出來，以飛快的速度延生到人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)方面。人類生產(chǎn)水平正在逐漸發(fā)展，生活質(zhì)量正在提高和工作的效率正在逐漸提高，因此機(jī)器人出現(xiàn)了。然而機(jī)器人的特點(diǎn)是幫助人們完成重復(fù)的，精確度高、單調(diào)的的工作，幫助人們?cè)趷毫拥墓ぷ鲌龅刂型瓿扇祟惒荒芡瓿苫虿幌胪瓿傻牟僮?，所以，機(jī)器人的誕生大大提高了人類的生產(chǎn)效率。因此，機(jī)器人的不斷革新是社會(huì)進(jìn)步的產(chǎn)物。如今，許多經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的國家，如日本，正在積極地開發(fā)和研究各種機(jī)器人，而且?guī)讉€(gè)國家已經(jīng)達(dá)到了先進(jìn)的時(shí)代，制備出了各種新型并且實(shí)用的機(jī)器人。比如：狗狗機(jī)器人AIBO、日本的跳舞機(jī)器人。英國人研制出了履帶式“手推車”和“超級(jí)手推車”排爆機(jī)器人。美國iRobot公司開推出了吸塵器機(jī)器人Roomba，它能繞開障礙，自動(dòng)設(shè)計(jì)前行路線。另外還有2010年的上海世博會(huì)展示過的福娃機(jī)器人。雖然中國開始研制機(jī)器人僅比日本晚了大概五六年，但是各種原因存在研發(fā)過程中，它的發(fā)展比較遲緩。如今我國通過引入、仿造、改進(jìn)、革新，智能機(jī)器人正逐步迅速地發(fā)展，同時(shí)，與各國進(jìn)行機(jī)器人的研究交流探討。機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)現(xiàn)代科技技術(shù)的改革進(jìn)步，使機(jī)器人在生產(chǎn)線上的生產(chǎn)效率提高了。特別當(dāng)機(jī)器人的生產(chǎn)與柔性制造單元和柔性化制造系統(tǒng)相融合的時(shí)候，因而改變了當(dāng)前制造的人工操作環(huán)境，整個(gè)企業(yè)的生產(chǎn)總值也提高了。就當(dāng)前狀況來說，一般來說現(xiàn)代機(jī)器人有以下幾個(gè)發(fā)展現(xiàn)狀：(1)增高動(dòng)作精度和提快動(dòng)作速度，減小重量及占用空間，機(jī)器人結(jié)構(gòu)零件應(yīng)該得到標(biāo)準(zhǔn)化和通用化。機(jī)器人的各種執(zhí)行模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、檢控模塊組合成功能不同的機(jī)器人；1刖百(2)為了適合不同類型的工作地點(diǎn)，應(yīng)該設(shè)計(jì)各種功能特別的結(jié)構(gòu)，如設(shè)計(jì)多自由度多個(gè)關(guān)節(jié)的臂部；設(shè)計(jì)微動(dòng)機(jī)械用以保證動(dòng)作精度；設(shè)計(jì)一些多種會(huì)走路的機(jī)器人；(3)開發(fā)各種電子元件和模塊。例如感官和距離探測的電子元件等。使用電子元件攝取操作對(duì)象四周的方位信息、環(huán)境信息、動(dòng)作信息以達(dá)到識(shí)別檢測的目的。還要用權(quán)威系統(tǒng)進(jìn)行解決各種問題和動(dòng)作的設(shè)計(jì)。微機(jī)進(jìn)行控制已經(jīng)逐步成為趨勢(shì)。本文主要研究內(nèi)容本文研究了國內(nèi)包裝產(chǎn)業(yè)和機(jī)器人的發(fā)展概況，并且學(xué)習(xí)機(jī)器人的工作原理和熟悉了包裝搬運(yùn)機(jī)器人的操作機(jī)理?；谶@個(gè)理論基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)包裝搬運(yùn)機(jī)器人的主要系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對(duì)包裝搬運(yùn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了簡單的力學(xué)分析，設(shè)計(jì)了包裝搬運(yùn)機(jī)器人各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的構(gòu)造和的三維實(shí)體結(jié)構(gòu)及外觀造型。本章小結(jié)本章主要內(nèi)容是包裝產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和機(jī)器人的現(xiàn)狀、應(yīng)用領(lǐng)域、發(fā)展趨勢(shì)等方面，例舉了生產(chǎn)和生活中的一些特別的機(jī)器人，同時(shí)為設(shè)計(jì)一種包裝搬運(yùn)機(jī)器人的方案做好鋪墊和資料準(zhǔn)備。東北林業(yè)大學(xué)本科設(shè)計(jì)2包裝搬運(yùn)機(jī)器人的總體方案本章對(duì)包裝搬運(yùn)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行了簡單分析和設(shè)計(jì)。總體設(shè)計(jì)的思路設(shè)計(jì)包裝搬運(yùn)機(jī)器人總體上可分為兩個(gè)階段，分別為系統(tǒng)分析階段和技術(shù)設(shè)計(jì)階段。系統(tǒng)分析階段(1)根據(jù)系統(tǒng)的目標(biāo)，明確所采用包裝搬運(yùn)機(jī)器人的目的和任務(wù)；(2)分析了解包裝搬運(yùn)機(jī)器人所在系統(tǒng)的操作環(huán)境；(3)根據(jù)包裝搬運(yùn)機(jī)器人的工作標(biāo)準(zhǔn)，確定包裝搬運(yùn)機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案和主要功能。比如自由度的個(gè)數(shù)、信息容量、抓取對(duì)象的重量、空間運(yùn)動(dòng)范圍、電子計(jì)算機(jī)控制內(nèi)容、動(dòng)作精度的標(biāo)準(zhǔn)以及對(duì)振動(dòng)和溫度等環(huán)境的適應(yīng)性。技術(shù)設(shè)計(jì)階段(1)依照系統(tǒng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)確定包裝搬運(yùn)機(jī)器人的允許的空間工作范圍和自由度，從而選擇其坐標(biāo)形式；(2)初步確定包裝搬運(yùn)機(jī)器人的動(dòng)作步驟；(3)確定驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的類型；(4)設(shè)計(jì)各個(gè)部位的具體結(jié)構(gòu)類型，進(jìn)行包裝搬運(yùn)機(jī)器人總體規(guī)劃；(5)繪制包裝搬運(yùn)機(jī)器人的零件圖。結(jié)合設(shè)計(jì)的基本要求和總體原則確定包裝搬運(yùn)機(jī)器人的總體方案。見圖2-1。手部夾持器機(jī)身(垂直手臂)臂部(水平手臂)機(jī)身(回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu))底座手部夾持器機(jī)身(垂直手臂)臂部(水平手臂)機(jī)身(回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu))底座圖2-1包裝搬運(yùn)機(jī)器人的總體方案圖2包裝搬運(yùn)機(jī)器人的總體方案自由度和坐標(biāo)系的選擇包裝搬運(yùn)機(jī)器人的自由度的定義：包裝搬運(yùn)機(jī)器人部件在三維空間中相當(dāng)于確定的坐標(biāo)系所體現(xiàn)的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)數(shù)。針對(duì)于一個(gè)機(jī)構(gòu)，它有幾個(gè)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)就稱它有幾個(gè)自由度。各個(gè)運(yùn)動(dòng)的部件自由度的總和數(shù)為包裝搬運(yùn)機(jī)器人的自由度數(shù)。包裝搬運(yùn)機(jī)器人的手部如果像人手靈活完成摸個(gè)特定操作還是比較難的。要知道人的手掌、腕、大小臂由19個(gè)關(guān)節(jié)組成，算起來共有27個(gè)自由度。而生產(chǎn)實(shí)踐中不需要機(jī)器人的手有這么多的自由度一般為三到六個(gè)。本畢業(yè)設(shè)計(jì)中的包裝搬運(yùn)機(jī)器人為4個(gè)自由度即：手部張合；臂部水平伸縮；臂部繞軸回轉(zhuǎn)；臂部豎直升降。包裝搬運(yùn)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式按照坐標(biāo)大體可分為球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)四種。直角坐標(biāo)包裝搬運(yùn)機(jī)器人結(jié)構(gòu)直角坐標(biāo)包裝搬運(yùn)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是用三條相互垂直的直線運(yùn)動(dòng)來表示的。如圖2-2（a）所示。因?yàn)橹本€運(yùn)動(dòng)方便于達(dá)到全閉環(huán)的位置控制的設(shè)計(jì)要求，故直角坐標(biāo)包裝搬運(yùn)機(jī)器人的位置精度能達(dá)到〃m級(jí)。這種機(jī)器人的特點(diǎn)：其運(yùn)動(dòng)空間范圍余一般包裝搬運(yùn)機(jī)器人的范圍尺寸相比較，還是比較小的。所以為了執(zhí)行特定的運(yùn)動(dòng)空間范圍，直角坐標(biāo)包裝搬運(yùn)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸還是要比其他種類的包裝搬運(yùn)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸大得多［4］。直角坐標(biāo)包裝搬運(yùn)機(jī)器人的工作空間實(shí)際上是一個(gè)空間長方體。該包裝搬運(yùn)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)可以分為天車式、懸臂式及龍門式。圓柱坐標(biāo)包裝搬運(yùn)機(jī)器人結(jié)構(gòu)圓柱坐標(biāo)包裝搬運(yùn)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是由兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)和一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來展現(xiàn)的，如圖2-2（b）。這種包裝搬運(yùn)機(jī)器人有簡單的結(jié)構(gòu)，精度一般，常常用于搬運(yùn)操作。該機(jī)器人的工作空間范圍是一個(gè)圓柱狀的空間范圍⑷。球坐標(biāo)包裝搬運(yùn)機(jī)器人結(jié)構(gòu)球坐標(biāo)包裝搬運(yùn)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是由一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)和兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來展現(xiàn)，如圖2-2（c）。該包裝搬運(yùn)機(jī)器人制造維修成本低，構(gòu)造相對(duì)簡單，然而精度一般⑷。關(guān)節(jié)型包裝搬運(yùn)機(jī)器人結(jié)構(gòu)關(guān)節(jié)型包裝搬運(yùn)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是由三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)展現(xiàn)的，如圖2-2（d）。該包裝搬運(yùn)機(jī)器人占地使用面積很小，有緊湊的結(jié)構(gòu)，動(dòng)作起來很靈活。相對(duì)包裝搬運(yùn)機(jī)器人主尺寸的大小，它的操作范圍還是比較大。因此該包裝搬運(yùn)機(jī)器人在工業(yè)中應(yīng)用在包裝產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用非常普及⑷。關(guān)節(jié)型包裝搬運(yùn)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)可分為垂直關(guān)節(jié)型和水平關(guān)節(jié)型兩個(gè)類型。依據(jù)該包裝搬運(yùn)機(jī)器人在包裝生產(chǎn)線上的功能作用和設(shè)計(jì)要求，本次設(shè)計(jì)采用圓柱坐標(biāo)包裝搬運(yùn)機(jī)器人的方案。東北林業(yè)大學(xué)本科設(shè)計(jì)包裝搬運(yùn)機(jī)器人的動(dòng)作過程包裝搬運(yùn)機(jī)器人為了完成包裝件搬運(yùn)的任務(wù)，需要執(zhí)行以下幾個(gè)動(dòng)作：（1）豎直下降（臂部在豎直方向下行1000mm，使終端執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠到達(dá)與包裝件水平的位置）；（2）夾緊包裝件（終端執(zhí)行機(jī)構(gòu)夾住包裝件使包裝件能在搬運(yùn)時(shí)不掉落）；（3）豎直上升（在確定包裝件被夾住后，臂部在豎直方向上行1000mm，將終端執(zhí)行機(jī)構(gòu)將包裝件提出原地）；（4）逆向轉(zhuǎn)動(dòng)（臂部繞機(jī)身中心軸逆時(shí)針?biāo)睫D(zhuǎn)動(dòng)90°，使得臂部能正對(duì)包裝件的搬運(yùn)終點(diǎn)）；（5）水平伸出（臂部向水平方向伸出500mm，使終端執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠到達(dá)搬運(yùn)終點(diǎn)正上方）；（6）豎直下降（臂部在豎直方向下行100mm，將包裝件平穩(wěn)放入到搬運(yùn)終點(diǎn)）；（7）松開包裝件（手部夾持機(jī)構(gòu)迅速松開包裝件）；（8）豎直上升（在確定包裝件被放好后，臂部在豎直方向上行100mm）；（9）水平收縮（臂部向水平方向收縮500mm，使終端執(zhí)行機(jī)構(gòu)回到初始位置）；（10）順向轉(zhuǎn)動(dòng)（臂部繞機(jī)身中心軸順時(shí)針?biāo)睫D(zhuǎn)動(dòng)90°，使臂部回到初始位置）；以上便是包裝搬運(yùn)機(jī)械手完成搬運(yùn)所需要的動(dòng)作。包裝搬運(yùn)機(jī)器人的組成總的來說，包裝搬運(yùn)機(jī)器人的組成部分為執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)手部手部是直接與包裝件接觸的部分，一般分為平動(dòng)型和回轉(zhuǎn)性（多數(shù)為回轉(zhuǎn)型，主要因?yàn)樗慕Y(jié)構(gòu)簡單）。通常用兩指的手部（也有多指的類型）；依據(jù)實(shí)際要求和操作需

2包裝搬運(yùn)機(jī)器人的總體方案要，分為內(nèi)抓式和外抓式兩個(gè)類型；使用過程中也可以用電磁吸盤和真空式和負(fù)壓式的空氣吸盤（通常使用的對(duì)象為可吸附的，光滑表面的包裝件或包裝薄板材料）。傳力機(jī)構(gòu)形式各式各樣，類型通常有：重力式、滑槽杠桿式、彈簧式、連桿杠桿式、絲杠螺母式、斜楔杠桿式及齒輪齒條式。根據(jù)生產(chǎn)要求，本次設(shè)計(jì)的包裝搬運(yùn)機(jī)器人的手部選擇夾持類的回轉(zhuǎn)型結(jié)構(gòu)。該次設(shè)計(jì)的包裝搬運(yùn)機(jī)器人手部執(zhí)行部件如圖2-3和圖2-4。圖2-3包裝搬運(yùn)機(jī)器人手部執(zhí)行部件示意圖圖2-4手部執(zhí)行部件的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖東北林業(yè)大學(xué)本科設(shè)計(jì)如圖2-3的機(jī)構(gòu)簡圖，手部執(zhí)行依靠驅(qū)動(dòng)桿的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)來推動(dòng)兩桿手指各繞支點(diǎn)作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而手指松開或閉合。驅(qū)動(dòng)桿的動(dòng)力源來自后續(xù)驅(qū)動(dòng)源的液壓缸。臂部手臂部件是握持部件，對(duì)于包裝搬運(yùn)機(jī)器人是非常重要的。它的功能最主要的功能是支持手部重量，并帶動(dòng)它（們）在空間完成設(shè)定的動(dòng)作。臂部主要的目的就是把手部傳遞到空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)任何一點(diǎn)。增加腕部的自由度也可以增加手臂的空間姿態(tài)?？偟膩碚f，具有三個(gè)自由度的臂部才能滿足包裝搬運(yùn)機(jī)器人的工作要求，即手臂的豎直升降運(yùn)動(dòng)、水平伸縮運(yùn)動(dòng)、繞軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。各種驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（如氣缸或者液壓缸）和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)臂部在操作中的各種動(dòng)作。臂部的受力情況還是比較復(fù)雜的，它在包裝生產(chǎn)線中既受手部和包裝件的動(dòng)、靜的載荷，又自身操作動(dòng)作較為繁多。故它的所抓包裝件的大小重量和定位精度程度、運(yùn)動(dòng)場地、操作靈活度將直接影響包裝搬運(yùn)機(jī)器人的工作性能和工作效率。在本畢業(yè)設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)臂部的繞軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、豎直上下運(yùn)動(dòng)、水平伸縮運(yùn)動(dòng)。臂部的運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)定如下：豎直升降行程：1000mm；豎直升降速度：8000/$；水平伸縮行程：50000；水平伸縮速度：80mm/s；繞軸回轉(zhuǎn)角度：90°o包裝搬運(yùn)機(jī)器人水平手臂的伸縮動(dòng)作使其手臂的工作半徑發(fā)生變化。圓柱坐標(biāo)式的包裝搬運(yùn)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)中，臂部的最大工作范圍決定其手部所能觸及的圓柱表面半徑。根據(jù)設(shè)計(jì)要求和包裝件搬運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)，該伸縮式臂部機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)需要用液壓缸來驅(qū)動(dòng)工作。機(jī)座機(jī)座是包裝搬運(yùn)機(jī)器人的基礎(chǔ)部分，起支撐作用。對(duì)固定式包裝搬運(yùn)機(jī)器人，直接聯(lián)接在地面上，對(duì)可移動(dòng)式包裝搬運(yùn)機(jī)器人，則安裝在移動(dòng)結(jié)構(gòu)上。機(jī)身由臂部運(yùn)動(dòng)（升降、平移、回轉(zhuǎn)）機(jī)構(gòu)及其相關(guān)的導(dǎo)向裝置、支撐件等組成。并且，臂部的升降、回轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置或傳動(dòng)件都安裝在機(jī)身上。臂部的運(yùn)動(dòng)越多，機(jī)身的結(jié)構(gòu)和受力越復(fù)雜。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的包裝搬運(yùn)機(jī)器人的機(jī)身選用升降回轉(zhuǎn)型機(jī)身結(jié)構(gòu)；臂部和機(jī)身的配置型式采用立柱式單臂配置，其驅(qū)動(dòng)源來自回轉(zhuǎn)液壓缸。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包裝搬運(yùn)機(jī)器人的重要組成部分之一是驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。依據(jù)包裝搬運(yùn)機(jī)器人的動(dòng)力源的不同，其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)一般可分為液壓驅(qū)動(dòng)、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、機(jī)械驅(qū)動(dòng)及氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)四類。對(duì)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)來說，它的壓力較小，導(dǎo)致輸出的動(dòng)力較小。當(dāng)需要輸出較大的動(dòng)力時(shí)，會(huì)導(dǎo)致它結(jié)構(gòu)尺寸過大，低速狀態(tài)下不易控制，阻尼性能也較差。然而它有其它的優(yōu)點(diǎn)，如制造維修成本低、構(gòu)造簡單，能源獲取容易。電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)有兩種；異步電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)使用便捷，材料性能正在漸漸提高，因而電動(dòng)機(jī)性能也逐漸增強(qiáng)。液壓驅(qū)動(dòng)壓力較高，因而可以取得較大的輸出動(dòng)力，動(dòng)作反饋靈敏，也可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制。然而，油路比較復(fù)雜，液壓的零件設(shè)備比較昂貴。本次設(shè)計(jì)的包裝搬運(yùn)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用液壓驅(qū)動(dòng)的方案。-10-2包裝搬運(yùn)機(jī)器人的總體方案控制系統(tǒng)分類點(diǎn)動(dòng)控制和連續(xù)控制這兩種方式一般都用在包裝搬運(yùn)機(jī)器人上。一般常用用插銷板實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位控制，當(dāng)然也有使用計(jì)算機(jī)控制和可編程序控制器控制，采用穿孔卡、凸輪、磁盤磁帶等記錄要進(jìn)行操作的預(yù)設(shè)程序。它們主要控制的是坐標(biāo)位置，其次控制其加速度屬性，目的保持精度。傳動(dòng)系統(tǒng)包裝搬運(yùn)機(jī)器人所進(jìn)行的最終工作是反映在其手部的運(yùn)動(dòng)上，這種運(yùn)動(dòng)是通過傳動(dòng)鏈來實(shí)現(xiàn)的。手部末端點(diǎn)的重復(fù)定位精度是包裝搬運(yùn)機(jī)器人設(shè)計(jì)中一個(gè)重要的指標(biāo)，它主要依靠伺服系統(tǒng)的精度和機(jī)械傳動(dòng)鏈的精度這兩個(gè)方面的要素。傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)就是傳動(dòng)鏈越簡短越好，動(dòng)作操作精度自然而然就高，但是中間環(huán)節(jié)的傳動(dòng)在實(shí)際操作中是必不可少的。諧波減速齒輪的特點(diǎn)：它能實(shí)現(xiàn)較大的減速比、整體重量輕、構(gòu)造緊湊，這些特點(diǎn)對(duì)包裝搬運(yùn)機(jī)器人的設(shè)計(jì)是重要的參考依據(jù)。另外包裝搬運(yùn)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)性能將嚴(yán)重受到減速裝置重量的增加的影響。但是，由于諧波減速器運(yùn)動(dòng)精度低、回差大，因而極大大地影響了手部的重復(fù)定位精度的要求。至于蝸輪蝸桿和齒輪傳動(dòng)，在保證加工精度的條件下，通過嚙合間隙調(diào)整到足夠小的允許范圍，可以滿足手部重復(fù)定位精度的要求。因此，在包裝搬運(yùn)機(jī)械手傳動(dòng)設(shè)計(jì)中均采用齒輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)速度的變化，即根據(jù)實(shí)際操作要求而去選擇適當(dāng)?shù)膫鲃?dòng)比[5]包裝搬運(yùn)機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)用途：在包裝自動(dòng)生產(chǎn)線上實(shí)現(xiàn)包裝件搬運(yùn)設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)：(1)包裝件：重量：20Kg；尺寸：300mm義300mm義300mm；(2)自由度數(shù)：4個(gè)自由度(手部張合；臂部繞軸回轉(zhuǎn)；臂部水平伸縮；臂部豎直升降)；(3)坐標(biāo)型式：圓柱坐標(biāo)系；(4)最大工作半徑：1500mm；(5)手臂最大中心高：1800mm；(6)手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù)：伸縮行程：500mm；伸縮速度：80mm/s；升降行程：1000mm；升降速度：80mm/s；回轉(zhuǎn)范圍：0?90°；本章小結(jié)本章設(shè)計(jì)了一套包裝搬運(yùn)機(jī)器人總體設(shè)計(jì)方案，而且，根據(jù)包裝生產(chǎn)線的生產(chǎn)要求-11-東北林業(yè)大學(xué)本科設(shè)計(jì)確定圓柱坐標(biāo)系作為本次設(shè)計(jì)的坐標(biāo)系。同時(shí)，就包裝搬運(yùn)機(jī)器人的組成（執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)）以及現(xiàn)實(shí)作業(yè)，給出了具體的手部、機(jī)座和臂部的構(gòu)造尺寸；本次設(shè)計(jì)的包裝搬運(yùn)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為液壓驅(qū)動(dòng)。同時(shí)確定了設(shè)計(jì)的技術(shù)參數(shù)。-12-3手部夾持器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3手部夾持器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手部夾持器手部是包裝搬運(yùn)機(jī)器人的其最重要的機(jī)構(gòu)。根據(jù)形狀和工作的功能特性，分為兩種手部：一種是工業(yè)機(jī)器人的手部，第二種是類人機(jī)器人的手部。就當(dāng)前的研發(fā)狀況來說，第一種在產(chǎn)業(yè)中的使用較多，第二種正在積極進(jìn)行革新開發(fā)中。包裝搬運(yùn)機(jī)器人的手部（也稱抓取機(jī)構(gòu)）是用來抓取包裝件的機(jī)構(gòu)，由于被抓取的包裝件的重量、材料、形狀、尺寸及表面粗糙狀態(tài)的不同，因而現(xiàn)在手部結(jié)構(gòu)的種類繁多，一般手部結(jié)構(gòu)是根據(jù)生產(chǎn)線上的包裝件而設(shè)計(jì)的。根據(jù)抓取原理，一般的手部夾持器分為下面兩類⑹（1）夾持式：又可以分為外夾式內(nèi)撐式，另外還有彈簧式和勾托式。（2）吸附式：包括氣吸式與磁吸式等。在設(shè)計(jì)包裝搬運(yùn)機(jī)器人手部時(shí)，下面的問題值得重點(diǎn)考慮：包裝搬運(yùn)機(jī)器人手部是根據(jù)操作要求來進(jìn)行設(shè)計(jì)的。如果一種包裝搬運(yùn)機(jī)器人需要應(yīng)用在新的應(yīng)用場所，那么需要一個(gè)新型的手部執(zhí)行器被研發(fā)出來。所以說，依據(jù)上生產(chǎn)線上操作標(biāo)準(zhǔn)以及科學(xué)家的思考而創(chuàng)造的最新包裝搬運(yùn)機(jī)器人手部，將會(huì)延伸到各個(gè)領(lǐng)域。包裝搬運(yùn)機(jī)器人手部的重量、被抓取包裝件的重量、操作力和其容許的載荷將影響其工作效率和精度。故要求包裝搬運(yùn)機(jī)器人手部體積小、構(gòu)造緊湊、重量小。包裝搬運(yùn)機(jī)器人手部的專用性語通用性是相互矛盾的。通用手部在結(jié)構(gòu)上很復(fù)雜，一般的制造技術(shù)很難創(chuàng)造出。比如，仿人的萬能包裝搬運(yùn)機(jī)器人能進(jìn)行各種搬運(yùn)動(dòng)作，可是至今尚未普及。如今，在生產(chǎn)線上工作的還都是那些只能完成幾個(gè)動(dòng)作的的包裝搬運(yùn)機(jī)器人手部。包裝產(chǎn)業(yè)正在迅速崛起，各類包裝集團(tuán)和企業(yè)正在開發(fā)各種專用的、高效率的包裝搬運(yùn)機(jī)器人手部，也在研究手部執(zhí)行器的模塊更換。以實(shí)現(xiàn)包裝搬運(yùn)機(jī)器人多種操作要求。那是因?yàn)槟欠N萬能的手部不但制造昂貴，而且構(gòu)造很不簡單。萬能性和通用性和是兩個(gè)不同的思想：萬能性的的定義是一機(jī)多能，但是對(duì)于通用性來說，它的定義是指有限的手部執(zhí)行器可以應(yīng)用在不同的領(lǐng)域。這樣一來，手部執(zhí)行器要有標(biāo)準(zhǔn)的模塊，便于手部的模塊更換。便于安裝和維修是手部執(zhí)行器的要求之一，跟好的話，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的控制。電氣式執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以方便地由計(jì)算機(jī)進(jìn)行操作。故包裝搬運(yùn)機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)的常常用電氣式，其次是液壓式和氣壓式。手部設(shè)計(jì)基本要求手部的設(shè)計(jì)基本要求有以下五點(diǎn)：（1）應(yīng)具有適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)力及夾緊力。一般情況下，在一定的夾緊力下，不同的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)所需要的驅(qū)動(dòng)力大小也是截然不一樣的。-13-東北林業(yè)大學(xué)本科設(shè)計(jì)（2）手指為了使一定的開閉角度，理應(yīng)具有一定的開閉范圍（手指從閉合到張開繞支點(diǎn)所轉(zhuǎn)過的角度）e，方便抓取包裝件。（3）要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、效率高在保證本身剛度、強(qiáng)度的前提下，盡可能手部的重量降到最小，構(gòu)造緊湊，主要目的是減小手臂的負(fù)荷。（4）確保手部的抓取方位準(zhǔn)確，確保每個(gè)包裝件都能準(zhǔn)確地安置在手部。故包裝搬運(yùn)機(jī)器人的手部在抓取包裝件后應(yīng)保持相對(duì)的位置精度。（5）通用性和一些特殊操作標(biāo)準(zhǔn)是應(yīng)該值得重視的。針對(duì)一條包裝自動(dòng)生產(chǎn)線，對(duì)應(yīng)一種專用手部執(zhí)行器。不斷增大它的使用范圍和通用化程度來方便抓取不同形狀和結(jié)構(gòu)尺寸的包裝件。這就需要調(diào)整手部的方法。手指、整個(gè)手部都可以更換。依據(jù)不同的工作場地也要調(diào)整手部執(zhí)行器。根據(jù)調(diào)研，包裝搬運(yùn)搬運(yùn)機(jī)器人的手部最合適的設(shè)計(jì)為雙支點(diǎn)連桿杠桿式手部結(jié)構(gòu)（見圖2-3）。選擇手抓的類型及夾緊裝置本次包裝搬運(yùn)機(jī)器人的設(shè)計(jì)，考慮到所要達(dá)到的原始參數(shù)：手爪夾取重量為20Kg。常用的包裝搬運(yùn)機(jī)器人手部，按握持包裝件的原理，分為夾持和吸附兩大類。吸附式常用于抓取包裝件表面平整或面積較大的板狀包裝材料，不適合用于本方案。本設(shè)計(jì)包裝搬運(yùn)機(jī)器人采用夾持式手指，夾持式機(jī)器人按運(yùn)動(dòng)形式可分為平動(dòng)型及回轉(zhuǎn)型。平動(dòng)型手指的的動(dòng)作機(jī)理：它是靠手指的平動(dòng)來實(shí)現(xiàn)手指張合，這種手部結(jié)構(gòu)簡單，適于夾持平板包裝材料，且包裝材料徑向尺寸的變化不影響其軸心的方位，重要的是它的理論夾持誤差沒有。但是這種平移型手指有個(gè)缺點(diǎn)：在手指平動(dòng)的方向上要安置驅(qū)動(dòng)力裝置，這樣一來，手部的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜和巨大。根據(jù)實(shí)際要求，這種設(shè)計(jì)不在考慮范圍內(nèi)。本設(shè)計(jì)采用手部夾緊缸：夾持式手部的驅(qū)動(dòng)裝置常用的是作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的液壓缸。從結(jié)構(gòu)上說，單桿活塞缸應(yīng)用最多。所以，包裝搬運(yùn)機(jī)器人夾緊液壓缸采用單向作用的單桿活塞缸。設(shè)計(jì)時(shí)，夾緊液壓缸側(cè)面裝有彈簧，液壓缸的回程靠彈簧的彈力驅(qū)動(dòng).。手指靠驅(qū)動(dòng)桿的直線伸縮作用下實(shí)現(xiàn)手爪的張開和閉合。根據(jù)抓取包裝件的要求，手部采用二指回轉(zhuǎn)型手抓，采用滑槽杠桿結(jié)構(gòu)。手指材料的恰當(dāng)選用，對(duì)機(jī)械手的使用效果影響很大。本設(shè)計(jì)為了符合手部的結(jié)構(gòu)尺寸，同時(shí)保證手指有足夠的強(qiáng)度，包裝搬運(yùn)機(jī)器人的手部材料選用硬鋁合金。-14-3手部夾持器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手爪的力學(xué)分析圖3-1滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)、受力分析示意圖如圖杠桿3向上運(yùn)動(dòng)，銷軸2受到的拉力為F，方向經(jīng)過銷軸中心O點(diǎn)。同時(shí)，手指1的滑槽對(duì)銷軸的反作用力為匕和以他們方向垂直于滑槽的中心線。。/口oo2而且TOC\o"1-5"\h\z進(jìn)過O點(diǎn)，交\和F2的延長線于A及B。。 1 2根據(jù)受力平衡得F=-F-12cosaF=-F

? ?根據(jù)杠桿平衡得 -hF'=Fb1N綜上，得 h=，cosa_一bF=2-cos2aF （3.1）aN-15-東北林業(yè)大學(xué)本科設(shè)計(jì)式中：a一手指繞軸回轉(zhuǎn)的支點(diǎn)到對(duì)稱軸的距離（mm）；。一包裝件被夾緊時(shí)手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的夾角的大小。根據(jù)理論分析，驅(qū)動(dòng)力F不變時(shí)，角度a增大，則抓取力Fn也隨之增大。然而如果角度過大a則會(huì)導(dǎo)致手部結(jié)構(gòu)增大和拉桿行程過大的負(fù)效果。故本設(shè)計(jì)a為45°。根據(jù)給定的數(shù)據(jù)：抓取的重物為：m=20Kg紙板與鋼的靜摩擦因數(shù)〃設(shè)定為：n=0.25G=2rFNMg=2rFN取FN=400Na=200mmb=300mmb故：F=2—cos2aF=600NaN3.4.2手部的三維結(jié)構(gòu)圖圖3-2包裝搬運(yùn)機(jī)器人手部夾持器結(jié)構(gòu)圖3.5本章小結(jié)本章主要針對(duì)手部結(jié)構(gòu)展開討論，根據(jù)手部夾持器的結(jié)構(gòu)形式（夾持式和吸附-16-3手部夾持器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)式）及手部設(shè)計(jì)的基本要求選擇手爪類型為雙支點(diǎn)連桿杠桿手部。同時(shí)進(jìn)行了手部簡單的力學(xué)計(jì)算，通過計(jì)算得出手部實(shí)現(xiàn)抓取包裝件所需力因素。-17-東北林業(yè)大學(xué)本科設(shè)計(jì)4臂部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手臂機(jī)構(gòu)是包裝搬運(yùn)機(jī)器人的主要支持機(jī)構(gòu)，包括垂直手臂(大臂)和水平手臂(小臂)。在畢業(yè)設(shè)計(jì)中，臂部結(jié)構(gòu)指水平手臂結(jié)構(gòu)，垂直手臂結(jié)構(gòu)安置在機(jī)身結(jié)構(gòu)中。它的作用是支撐腕部和手部(包括包裝件)，并帶動(dòng)它們作空間運(yùn)動(dòng)。手臂運(yùn)動(dòng)應(yīng)該有三種動(dòng)作：繞軸回轉(zhuǎn)、水平伸縮以及豎直升降⑺。水平手臂的伸縮運(yùn)動(dòng)在本章中詳細(xì)敘述，垂直手臂子在第五章設(shè)計(jì)敘述。臂部把手部(包括包裝件)傳遞到空間范圍內(nèi)的任何一個(gè)方位。通常來說，臂部的運(yùn)動(dòng)應(yīng)該有三個(gè)自由度，這樣才能完成一些必要的操作。三種自由度為手臂伸縮、繞軸回轉(zhuǎn)升降運(yùn)動(dòng)。各種驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(如氣缸或者液壓缸)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)臂部在操作中的各種動(dòng)作。臂部的受力情況還是比較復(fù)雜的，它在包裝生產(chǎn)線中既受手部和包裝件的動(dòng)、靜的載荷，又自身操作動(dòng)作較為繁多。故它的所抓包裝件的大小重量和定位精度程度、運(yùn)動(dòng)場地、操作靈活度將直接影響包裝搬運(yùn)機(jī)器人的工作性能和工作效率。臂部設(shè)計(jì)的基本要求臂部動(dòng)作首先要滿足包裝自動(dòng)生產(chǎn)線上的動(dòng)作規(guī)定。臂部應(yīng)承載能力大、剛度好、自重輕對(duì)于包裝搬運(yùn)機(jī)器人臂部或機(jī)身的承載能力，通常取決于其剛度。剛度是指臂部在外部力量作用下抗變形的能力。比值小則剛度大。對(duì)包裝搬運(yùn)機(jī)器人來說，一般臂部的剛度在設(shè)計(jì)中值得被重視的環(huán)節(jié)。它子啊結(jié)構(gòu)上通常使用懸臂梁形式。理論分析，臂部的懸伸長度越大，剛度則變得越差。臂部的伸縮不斷變化導(dǎo)致它的剛度也在不斷變化。對(duì)包裝搬運(yùn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能、位置精度和負(fù)荷能力影響很大。使剛度變大應(yīng)該著重考慮以下六點(diǎn)要求⑻：(1)選擇合適外形尺寸和截面形狀；(2)合理確定支撐點(diǎn)的距離以及增大支持剛度；(3)根據(jù)受力分析確定比較適當(dāng)作用力的方向和方位；(4)注意簡化結(jié)構(gòu)；(5)提高配合精度；(6)縮短懸伸長度。臂部慣性小、運(yùn)動(dòng)快包裝搬運(yùn)機(jī)器人的主要指標(biāo)之一是手部的運(yùn)動(dòng)快慢，運(yùn)動(dòng)速度快，則說明它的工作效率高。慣性也是影響包裝搬運(yùn)機(jī)器人工作效率的因素。在速度和回轉(zhuǎn)角速度不變的狀態(tài)下，減輕它的重量是最好的辦法。以下四點(diǎn)是減小慣量具體方法：(1)減少手臂運(yùn)動(dòng)件的重量，采用鋁合金材料或工程塑料；(2)減小臂部運(yùn)動(dòng)件的外形；(3)在設(shè)計(jì)包裝搬運(yùn)機(jī)器人動(dòng)作步驟時(shí)，盡量減小回轉(zhuǎn)半徑p可以先縮后轉(zhuǎn)，也-18-4臂部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以先轉(zhuǎn)后縮；（4）緩沖裝置安置在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中是必不可少的。手臂動(dòng)作應(yīng)該靈活用滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦，以便盡量減少手臂運(yùn)動(dòng)之間的摩擦阻力。懸臂式的包裝搬運(yùn)機(jī)器人的傳動(dòng)部件，導(dǎo)向和定位部件放置應(yīng)該確切，使手臂的移動(dòng)盡可能平衡，這樣才可以減少對(duì)升降支撐軸線的偏心力矩。尤其要防止機(jī)構(gòu)發(fā)生自鎖現(xiàn)象。出于這個(gè)原因，需要設(shè)計(jì)計(jì)算使其不自鎖。位置精度要求高通常來講，生產(chǎn)企業(yè)對(duì)直角和圓柱坐標(biāo)式機(jī)器人位置精度要求還是比較高的；實(shí)際上，幾種包裝搬運(yùn)機(jī)器人之中，最難控制的是關(guān)節(jié)式包裝搬運(yùn)機(jī)器人的位置精度，所以準(zhǔn)確性差；把檢測結(jié)構(gòu)和定位裝置安置臂部上，它的位置精度就很好掌控了，最后的動(dòng)作環(huán)節(jié)里應(yīng)該安置有檢測設(shè)備，這樣可以消除或減少傳動(dòng)以及嚙合件間的間隙。傳動(dòng)系統(tǒng)力求簡短，以提高傳動(dòng)效率和精度。其他各驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)件、管線系統(tǒng)以及各個(gè)運(yùn)動(dòng)的控制檢測元件等布置要緊湊合理，維修操作要方便?？偨Y(jié)除此之外，要求包裝搬運(yùn)機(jī)器人的通用性要好，能適合多種包裝搬運(yùn)作業(yè)的要求；方便與加工和安裝，而且工藝性不錯(cuò)；在熱環(huán)境運(yùn)作的包裝搬運(yùn)機(jī)器人，還要考慮它是否有冷卻、隔熱的功能；在粉塵大的場地運(yùn)作的包裝搬運(yùn)機(jī)器人還必須安裝防塵設(shè)備。在設(shè)計(jì)過程中理應(yīng)注意并解決這些問題，不斷發(fā)現(xiàn)這些問題和解決問題才可以設(shè)計(jì)出能提高包裝產(chǎn)業(yè)價(jià)值的包裝搬運(yùn)機(jī)器人。手臂的典型機(jī)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)的選擇手臂的典型運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)常見的手臂伸縮機(jī)構(gòu)可以分為以下四種⑼（1）雙導(dǎo)桿手臂伸縮結(jié)構(gòu)；（2）手臂的典型運(yùn)動(dòng)形式有：直線運(yùn)動(dòng)，如手臂的伸縮，升降和橫向移動(dòng)；繞軸回轉(zhuǎn)，比如手臂的水平面上回轉(zhuǎn)；組合運(yùn)動(dòng)，例如直線和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的組合等；（3）雙活塞桿液壓缸機(jī)構(gòu)；（4）齒輪齒條和活塞桿結(jié)構(gòu)。手臂運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇根據(jù)包裝件搬運(yùn)的設(shè)計(jì)要求，該設(shè)計(jì)選擇如下：水平伸縮式液壓缸。-19-

東北林業(yè)大學(xué)本科設(shè)計(jì)手臂直線運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力的簡單分析開始階段，進(jìn)行一個(gè)粗略的估計(jì)，或者與類似的結(jié)構(gòu)相比較，依據(jù)有關(guān)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)大概設(shè)計(jì)出有關(guān)機(jī)構(gòu)的主要尺寸大小，其次校核計(jì)算，得到反饋信息后再進(jìn)行修正設(shè)計(jì)。反反復(fù)復(fù)，把該機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖繪制出來。為了確定關(guān)于水平伸縮直線運(yùn)動(dòng)液壓缸的驅(qū)動(dòng)力，那先要得到液壓缸運(yùn)動(dòng)時(shí)所要充服的慣性力和摩擦力等幾個(gè)的阻力，然后才能確定其驅(qū)動(dòng)力。手臂摩擦力的計(jì)算和分析當(dāng)摩擦力的計(jì)算不同的導(dǎo)向截面形狀和不同的配置，得到的摩擦阻力是不一樣的。根據(jù)具體情況進(jìn)行估算。圖4-1圖4-1包裝搬運(yùn)機(jī)器人臂部受力示意圖計(jì)算如下:ZM=0AG總L=叫ZY=0GJFb=FaI"Fa摩I"Fa摩?二F摩二rG總*摩2L+a

a(4.1)-20-4臂部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)式中：G總一運(yùn)動(dòng)中的零部機(jī)構(gòu)所受到的總重力（含包裝件）（N）；/AL一手臂與運(yùn)動(dòng)中的零件機(jī)構(gòu)的總重量的重心到導(dǎo)向支撐的前端的距離（m），參考上一節(jié)的計(jì)算；?導(dǎo)向支撐的長度（m）；〃一當(dāng)量摩擦系數(shù)，數(shù)值與導(dǎo)向支撐的截面有關(guān)；對(duì)于圓柱面：〃---摩擦系數(shù)，對(duì)于靜摩擦且無潤滑時(shí)：鋼對(duì)青銅：取h=0.1~0.15鋼對(duì)鑄鐵：取h=0.18~0.3選?。簗i=0.3，G總=500N，L=1.69—0.28=1.41m,導(dǎo)向支撐a設(shè)計(jì)為0.16m。把相關(guān)數(shù)據(jù)代入進(jìn)行計(jì)算：F=r'G 2L-a=2794N摩 總|_ a手臂慣性力的計(jì)算本設(shè)計(jì)要求手臂平動(dòng)是V=80mm/s；假定：在計(jì)算慣性力的時(shí)候，設(shè)置啟動(dòng)時(shí)間，啟動(dòng)速度；F_GJv慣 gAt（4.2）已知 At_0.02s,g_10N/KgF_G^AV_200N慣 gAt4.3.3密封裝置不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂設(shè)計(jì)中，采用O型密封［10］?；钊麠U活塞桿強(qiáng)度活塞（或液壓缸）強(qiáng)度要求和運(yùn)動(dòng)的要求的要求滿足了，活塞桿的尺寸也滿足了。桿長要求：L大于直徑d的15倍以上［11］。本包裝搬運(yùn)機(jī)器人的該機(jī)構(gòu)的活塞桿的材料選為碳鋼。-21-

東北林業(yè)大學(xué)本科設(shè)計(jì)活塞桿剛度圖4-2剛度校核示意圖要按照伸出液壓缸的最小直徑進(jìn)行校核，為便于計(jì)算把伸出的液壓缸簡化成一懸臂梁。臂部伸縮液壓缸的三維結(jié)構(gòu)圖圖4-3包裝搬運(yùn)機(jī)器人臂部伸縮液壓缸結(jié)構(gòu)圖本章小結(jié)本章對(duì)包裝搬運(yùn)機(jī)器人的手臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，液壓驅(qū)動(dòng)伸縮機(jī)構(gòu)作為臂部的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。同時(shí)，對(duì)臂部的摩擦力進(jìn)行了簡單分析，同時(shí)對(duì)臂部的各個(gè)部分也進(jìn)行了簡單分析。-22-5機(jī)身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)的簡單分析5機(jī)身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)的簡單分析機(jī)身可以算是主體機(jī)構(gòu)了，它起到直接連接、支撐并帶動(dòng)臂部的機(jī)構(gòu)了。運(yùn)作過程中，垂直手臂要實(shí)現(xiàn)升降和繞軸回轉(zhuǎn)，這兩個(gè)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)需要安置在機(jī)身內(nèi)［⑵。還可以是直接構(gòu)成機(jī)身的軀干后再與底座相連接?？偟膩碚f，在機(jī)身內(nèi)的臂部動(dòng)作或步驟越多，機(jī)身本身的結(jié)構(gòu)和受力狀況就越復(fù)雜化。機(jī)身可以行走，也可以安置在固定地點(diǎn)。本設(shè)計(jì)采用固定式的機(jī)身。5.1機(jī)身的整體設(shè)計(jì)按照設(shè)計(jì)要求，包裝搬運(yùn)機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)手臂900的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其動(dòng)力靠同步帶來傳遞，同步帶傳動(dòng)以其體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，傳動(dòng)比準(zhǔn)確而保證了手臂定位的正確性和運(yùn)動(dòng)的靈便性。通常情況下，在機(jī)身內(nèi)安裝著能實(shí)現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。要通過綜合思考分析，以便設(shè)計(jì)出最好的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。機(jī)身支持著手臂進(jìn)行升降、回轉(zhuǎn)動(dòng)作。一般的機(jī)身結(jié)構(gòu)有以下三種類型［13］：CD升降缸在回轉(zhuǎn)缸之上的結(jié)構(gòu)。它的優(yōu)點(diǎn)：可以抵抗非常大的偏重力矩。缺點(diǎn)：在設(shè)計(jì)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)路線較長的情況下，回轉(zhuǎn)精度將受到花鍵軸的變形的影響。(2)升降缸在回轉(zhuǎn)缸之下的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)就是運(yùn)用內(nèi)部導(dǎo)向，單杠活塞桿，并且構(gòu)造緊湊。缺點(diǎn)：進(jìn)行操作的時(shí)候回轉(zhuǎn)缸和臂部一并升降，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)較大。(3)齒條齒輪和活塞缸機(jī)構(gòu)［14］。通過齒條齒輪機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。要實(shí)現(xiàn)臂部繞軸回轉(zhuǎn)，需要齒條做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，再帶動(dòng)與手臂連接的齒輪作往復(fù)回轉(zhuǎn)。通過系統(tǒng)思考，本設(shè)計(jì)采用齒條齒輪和活塞缸機(jī)構(gòu)。-23-

東北林業(yè)大學(xué)本科設(shè)計(jì)5.2機(jī)身回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)液壓缸的三維結(jié)構(gòu)圖包裝搬運(yùn)機(jī)器人—回轉(zhuǎn)（齒條）液壓缸包裝搬運(yùn)機(jī)器人—回轉(zhuǎn)（齒條）液壓缸圖5-1包裝搬運(yùn)機(jī)器人回轉(zhuǎn)（齒條）液壓缸結(jié)構(gòu)圖-24-5機(jī)身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)的簡單分析5.3機(jī)身升降機(jī)構(gòu)5?3.1手臂偏重力矩的分析圖5-2手臂各部件重心位置圖-25-東北林業(yè)大學(xué)本科設(shè)計(jì)5?3?2升降液壓缸的三維結(jié)構(gòu)圖包裝搬運(yùn)機(jī)器人圖包裝搬運(yùn)機(jī)器人圖5-3包裝搬運(yùn)機(jī)器人升降液壓缸結(jié)構(gòu)圖包裝搬運(yùn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的簡單分析運(yùn)動(dòng)學(xué)分析運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，也就是根據(jù)具體研究對(duì)象簡化后的物理模型，對(duì)其內(nèi)部各機(jī)構(gòu)之間的相對(duì)位置以及各機(jī)構(gòu)與時(shí)間的關(guān)系用合理的數(shù)學(xué)方程進(jìn)行表達(dá)［15］。包裝搬運(yùn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析主要分為兩個(gè)方向進(jìn)行研究分析［16］：第一個(gè)方向是在已定的末端機(jī)構(gòu)和基坐標(biāo)系之間的關(guān)系，求解機(jī)器人各機(jī)構(gòu)的參考坐標(biāo)系和基坐標(biāo)的關(guān)系；第二個(gè)方向是在給定機(jī)器人各機(jī)構(gòu)參考坐標(biāo)系與基坐標(biāo)系的關(guān)系，求解末端機(jī)構(gòu)和基坐標(biāo)系的關(guān)系。在用理論運(yùn)動(dòng)學(xué)的方法對(duì)其進(jìn)行建立的數(shù)學(xué)模型里，利用已經(jīng)給定的關(guān)節(jié)位置，可以直接計(jì)算出其對(duì)應(yīng)機(jī)器人的方位，而且得出的解也是唯一的。但是在逆運(yùn)動(dòng)學(xué)中，由于在解逆速度問題常常會(huì)涉及到雅可比矩陣，它在某些區(qū)域里面會(huì)有奇特的狀況出現(xiàn)，因此得不到唯一解甚至不存在閉式解在解逆運(yùn)動(dòng)學(xué)中的位置問題時(shí)是很常見的。因此，在簡單的包裝搬運(yùn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析中逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)的研究并不是重點(diǎn)。-26-5機(jī)身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)的簡單分析在本設(shè)計(jì)中不做具體的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。包裝搬運(yùn)機(jī)器人的動(dòng)作范圍通常為了更好地表達(dá)手部在空間的方位，需要將基準(zhǔn)坐標(biāo)系設(shè)定在包裝搬運(yùn)機(jī)器人的手臂的根部，或者是基準(zhǔn)軸［⑺。一般情況下，描述空間任一點(diǎn)的方法可以是，采用圓柱坐標(biāo)系、直角坐標(biāo)系以及球坐標(biāo)系。本次設(shè)計(jì)中涉及的坐標(biāo)系為圓柱坐標(biāo)系，其手臂的運(yùn)動(dòng)由兩個(gè)直線移動(dòng)和一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)所組成。其結(jié)構(gòu)簡圖見圖6-1。圖6-1包裝搬運(yùn)機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡圖本次設(shè)計(jì)的包裝搬運(yùn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)形式可描述為［18］：臂：繞豎直方向的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，沿豎直方向的上下運(yùn)動(dòng)，沿水平方向的伸縮運(yùn)動(dòng)；手部：張合夾持包裝件的運(yùn)動(dòng)；相比之下，圓柱坐標(biāo)式的包裝搬運(yùn)機(jī)器人，本體占據(jù)的空間較小而動(dòng)作范圍較大，同時(shí)具有直觀性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，用于搬運(yùn)包裝件。但受到升降結(jié)構(gòu)的限制，一般不能提升地面上或較低位置的物體，在垂直方向升降范圍有限［19］。圓柱坐標(biāo)式包裝搬運(yùn)機(jī)器人的動(dòng)作范圍簡圖如圖6-2所示-27-

東北林業(yè)大學(xué)本科設(shè)計(jì)空間工作范圍上下行程上下行程空間工作范圍上下行程上下行程圖6-2包裝搬運(yùn)機(jī)器人動(dòng)作范圍示意圖本章小結(jié)本章對(duì)包裝搬運(yùn)機(jī)器人的機(jī)