快件搬运机器人”设 计 说 明 书

“快件搬运机器人”设计说明书

------兰州理工大学

设计人：文秀梅张凌志郭德财

专业：机械设计制造及其自动化

指导老师：郭润兰李文辉

学校：兰州理工大学

日期：2016年3月8日

前言

在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，工业机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平。目前，工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作。

物流行业快速发展的一个重要标志就是物流自动化进程的不断加快，机器人技术应用已经成为快递行业未来发展的重要因素，该作品机器人将会在减低物流行业人工成本，土地成本和能耗成本等，而且机器人的智能化技术的应用以及物流机器人的研发，将会为物流行业带来效率和成本的双优化，与此同时利用扫描二维码进行识别，不但速度可以有所提高，还能够提高识别率，重复定位精度确保了正确的机器人高工作性。

该快件搬运机器人本身所装置的工业摄像机，利用自身的摄像头来进行扫取货物的条形码，还可以在运送货物的过程中，利用自身特殊的机械结构避开障碍物，从而可以保证动态、快速和高效率的机器人导航，机器人可以安装不同的末端执行器来完成各种不同形状和状态的工件搬运工作，大大减轻了人类繁重的体力劳动，可以应用于各种物流系统的运转和工厂内部工序的搬运工作。该机器人按照特定精心设计的路线，在货架和货物堆放处之间穿行的速度可以达到很快，不但不会出错，而且还可以绕开障碍物，完成规定的快件运送任务。机器人本身的体积不大，但是足够可以用机械手臂夹起快件货物。

目录

1 背景 (3)

1.1工业机器人的现状及其应用 (4)

1.2工业机器人的发展趋势 (4)

2 “快件搬运机器人”的设计理念 (4)

2.1 “快件搬运机器人”的设计目的 (4)

2.2 “快件搬运机器人”的功能及完成相应功能的机械系统 (5)

2.3 “快件搬运机器人”的基本性能参数 (5)

2.4 “快件搬运机器人”的主要创新 (9)

3 “快件搬运机器人”的机构运动方案设计 (9)

3.1 “快件搬运机器人”前肢机构设计及优化 (9)

1).两爪机械手机构设计 (9)

2).手腕机构设计 (16)

3).机械臂机构设计 (18)

3.2 “快件搬运机器人”后肢机构设计及优化 (19)

1).膝盖部分机构设计 (19)

2).机械脚机构设计 (21)

3.3 “快件搬运机器人”特色附件设计及优化 (23)

1).信号接收装置设计 (23)

2).机构运动的控制与驱动装置设计 (23)

3.4 行走和奔跑方案的设计及优化 (27)

3.5 避障机构的设计 (27)

4 参考文献 (28)

1 背景

搬运机器人在实际的工作中就是一个机械手，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。机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的应用。机器人就是用机器代替人手，把工件由某个地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操纵工件进行加工。

机器人一般分为三类，第一类是不需要人工操作的通用机器人，也即我们所研究的对象。它是一种独立的、不附属于某一主机的装置，可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定操作。它是除具备普通机械的物理性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机器人来进行探测月球等，工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专业机器人，主要附属于自动机床或自动生产线上，用以解决机床上下料和工件传送。这种机器人在国外通常被称之为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动。除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。

机器人按照结构形式的不同又可分为多种类型，其中关节型机器人以其结构紧凑，所占空间体积小，相对工作空间最大，甚至能绕过基座周围的一些障碍物等这样一些特点，成为机器人中使用最多的一种结构形式，世界一些著名机器人的本体部分都采用这种机构形式的机器人。要机器人像人一样拿取东西，最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和移动机构——执行机构；像肌肉那样使手臂运动的驱动－传动系统；像大脑那样指挥手动作的控制系统。这些系统的性能就决定了机器人的性能。一般而言，机器人通常就是由执行机构、驱动－传动系统和控制系统这三部分组成，

对于现代智能机器人而言，还具有智能系统，主要是感觉装置、视觉装置和语言识别装置等。目前研究主要集中在赋予机器人“眼睛”，使它能识别物体和躲避障碍物，以及机器人的触觉装置。机器人的这些组成部分并不是各自独立的，或者说并不是简单的叠加在一起，从而构成一个机器人的。要实现机器人所期望实现的功能，机器人的各部分之间必然还存在

着相互关联、相互影响和相互制约。机器人的机械系统主要由执行机构和驱动－传动系统组成。执行机构是机器人赖以完成工作任务的实体，通常由连杆和关节组成，由驱动－传动系统提供动力，按控制系统的要求完成工作任务。

1.2 工业机器人的现状及应用

机器人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器人。它的结构特点是机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。日本是工业机器人发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种典型机器人后，大力从事机器人的研究。

目前工业机器人大部分还属于第一代，主要依靠人工进行控制；控制方式则为开环式，没有识别能力；改进的方向主要是降低成本和提高精度。第二代机器人正在加紧研制，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，把感觉到的信息进行反馈，使机器人具有感觉机能。第三代机器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和柔性制造单元FMC中的重要一环。

随着现代化科学技术的飞速发展和社会的进步，针对于上述各个领域的机器人系统的应用和研究对系统本身也提出越来越多的要求。制造业要求机器人系统具有更大的柔性和更强大的编程环境，适应不同的应用场合和多品种、小批量的生产过程。计算机集成制造（CIM）要求机器人系统能和车间中的其它自动化设备集成在一起。研究人员为了提高机器人系统的性能和智能水平，要求机器人系统具有开放结构和集成各种外部传感器的能力。

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.“快件搬运机器人”的设计理念

2.1 “快件搬运机器人”的设计目的

该快件搬运机器人本身所装置的工业摄像机，利用自身的摄像头来进行扫取货物的条形码，还可以在运送货物的过程中，利用自身特殊的机械结构避开障碍物，从而可以保证动态、快速和高效率的机器人导航，机器人可以安装不同的末端执行器来完成各种不同形状和状态的工件搬运工作，大大减轻了人类繁重的体力劳动，可以应用于各种物流系统的运转和工厂内部工序的搬运工作。该机器人按照特定精心设计的路线，在货架和货物堆放处之间穿行的速度可以达到很快，不但不会出错，而且还可以绕开障碍物，完成规定的快件运送任务。机器人本身的体积不大，但是足够可以用机械手臂夹起快件货物。设计快件搬运机器人如下：

图2.1 “快件搬运机器人”设计图2.2 “快件搬运机器人”的功能及完成相应功能的机械系统

图2.2 “快件搬运机器人”总功能图

2.3 “快件搬运机器人”的基本性能参数

“快件搬运机器人”的材料及物理特性

极限拉伸强度861.25 MPa

应力

杨氏模量206.7 GPa

泊松比0.27 ul

切变模量81.378 GPa

应力热膨胀

膨胀系数0.0000104 ul/c

热传导率24.23 W/( m K )

比热160.57 J/( kg c )

下面，我给机器人施加外力，来分析其应力变化情况。

质量：m=317.88kg

力：F X=－409.968N

F Y=－496.074N

F Z=－459.911N

图2.3 机器人受空间力系

图2.4 Mises 等效应力

图2.5 第一主应力图2.6 第三主应力

图2.7 安全系数

图2.8 接触压力

通过上面的分析，我们知道，机器人在受到规定范围内的力时，各项指标均在范围内，不会产生大的变形和其他一些不良的症状，故设计符合要求。

2.4 “快件搬运机器人”的主要创新点

1）.快速识别二维码和障碍物

该快件搬运机器人本身所装置的工业摄像机，利用自身的摄像头来进行扫取货物的条形码，还可以在运送货物的过程中，利用自身特殊的机械结构避开障碍物，从而可以保证动态、快速和高效率的机器人导航，完成规定的快件运送任务。

2）.纵向和横向行走变换

由于四肢与身体连接部分是由铰链组成，这就大大的提高了机器人行走时的灵活性，它可以实现纵向行走和横向行走之间快速的转换，使其越障能力大大的提高。

3）.手脚变换的功能

通过机械手与机械脚的换用，能够实现“快件搬运机器人”从双足直立行走状态转换与四足奔跑状态之间的转换，双足直立状态使得机器人具有更多的空间工作范围，而四足奔跑状态使得机器人能够实现快速移动，在最短的时间范围内到达预定的目的地。

3 .“快件搬运机器人”的机构设计及其优化

3.1“快件搬运机器人”前肢机构设计及优化

1）.两爪机械手机构设计

A.机构的选型及优化

方案一：双摇杆机构（单指）

如图所示，机械手的单指采用平行四边形机构，这样可以实现单指平动，当双指同步运动时，就能够实现机械手指相对平行闭合与张开，这样有利于机械手较为平稳的抓取比较规则的物体。

图3.1 双摇杆机构

方案二：复合铰链机构

如图所示，该机构是通过单指转动来实现运动，当双指同时运动时，能够像剪子一样加住物体，同时会产生向外的推力，不易固定物体。

图3.2 复合铰链机构

通过上面比较我们不难看出，平行四边形机构优点显著，而且平稳的抓起物体也是我们机器人的基本本领之一。现在我们对平行四边形机构进行优化设计，使之能够更加完美。

图 3.3 优化后的双摇杆机构

如图所示，我们对其进行了优化，将双指的运动关联了起来，这样便于对其控制。B.机构的设计计算

设计要求：

指间距离0—257 mm

指长100 mm

杆AB与机架AM所需要的旋转角度范围：70°--163°

根据设计要求，计算得出的基本参数：

杆AM95 mm

杆AB =杆BC=杆CD=杆AD105 mm

杆LM=杆LK=杆KJ=杆MJ105 mm

杆DJ200 mm

杆DE=杆HJ40 mm

杆EF=杆GH60 mm

Dad91 mm

Dde24.55 mm

图3.4 双摇杆机构的两个极限位置下面进行受力分析：

材料：合金钢

质量：1.01kg

重力加速度g=9.8m/s^2

设计要求：

最大承受力：F1=100N

F2=–100N

F3=100N

下面，我们添加外力，对其进行应力分析。

图3.5 爪受力F1=100N

图3.6 爪受力F2= - 100N

图3.7爪受力F3=100N 图3.8 Mises 等效应力

图3.9第一主应力图3.10 第三主应力

图.11安全系数

图3.12 等效应变

图3.13 接触压力

由上面分析可得，两爪机械手在受规定的力后各方面均安全，没有出现超出安全系数的现象，故设计满足设计要求。

2).手腕机构设计

A.机构的选型及优化

方案一：气压式三杆机构

该机构通过气压控制单杆的伸缩和铰链的旋转来实现手腕部分的运动，该机构能够不仅能够实现空间的转动和移动，而且运动的稳定性和精确度高。如图所示是单杆的机构运动简图。

图3.14 气压式三杆机构（单指）

方案二：球面副旋转机构

该机构能够实现手腕在空间三个自由度的转动，但不能实现移动，且球面副较难控制。

通过上面比较，我们发现气压式三杆机构灵敏性较好，而且比较容易控制。所以我们选择方案一。通过讨论分析，我们认为当LBC 略小于LAD 时，机构更加紧凑。优化后如图所示。

B.机构的设计计算 设计要求： 可转动的角度范围：

X 方向： Y 方向： Z 方向：

0°—150° 0°—150° 0°—150° 单杆伸缩长度： 0—30 mm

机构的基本参数: 杆AD

75 mm

图3.16 优化后的气压式三杆机构

图3.15 球面副旋转机构

杆

BC 50 mm 杆

AB

80—110 mm

3）.机械臂机构设计 A.机构的选型及优化 方案一：双摇杆机构

双摇杆机构不仅能够实现机械臂的平动和转动，当以AD 边为固定杆时，实现BE 端的平动，当以A 点为固定点时，实现的是BE 端的转动，而且便于控制，是较佳的选择。

方案二：铰链机构

用一个铰链来实现机械臂的转动，这种机构过于简单，且不能实现平动。

通过比较我们发现，双摇杆机构是比较好选择。下面我们来实现机构的优化。可以双摇

图3.18 铰链机构

图3.17 双摇杆机构