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1、硕士学位论文MASTERSDISSERTATION论文题目关节式四自由度码垛机器人结构设计及仿真研究作者姓名李渊龙学位类别工程硕士指导教师张立杰教授2017年5月中图分类号:UDC:622学校代码：10216密级：公开工程硕士学位论文（工程设计型）关节式四自由度码垛机器人结构设计及仿真研究硕士研究生：李渊龙导师：张立杰教授副导师：杨小川高级工程师申请学位：工程硕士工程领域：机械工程所属学院I机械工程学院答辩日期：2017年5月授予学位单位：燕山大学ADissertationinMechanicalEngineeringStructuraldesignanddynamicsimulationre
2、searchof4-Dofjointrobotby1.iYuanlongSupervisonProfessorZhangl.ijieYanshanUniversityMay,2017燕山大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文反关节式四自由度码垛机涔人结构设计及仿真研究，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出范要贡献的个人和集体.均已在文中以明确方式注明“本声明的法律结果将完全由本人承担.作者签字：日期：年月日燕山大学硕士学位论文使用授权书关节式四自由度码垛
3、机器人结构设计及仿真研究系本人在燕山大学攻读领上学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文.本论文的研究成果归燕山大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了静燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本,允许论文被查阅和借阅，木人授权燕山大学，可以采用影印、缩印或其它反制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。保密口，在年解密后适用本授权书.本学位论文属于不保密口。（请在以上相应方框内打）作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日摘要在机械化生产的当今社会，工业机器人普及越来越广，越来越多的单重发性的工作由机器人所承担。快速的产
4、品搬运、产品输送往往关系到可观的经济效益。因此人们对工业机器人提出了更高的要求，能够快速、准确、安全地完成各种产品的搬运工作是当今码垛机器人进行设计研究的重点。我国在码垛机器人领域的研窕起步较晚，大部分都是借鉴发达国家的研究，由于技术封锁,我国码垛机器人的研究水平与发达国家相比尚有一定的差距.因此加快我国对码垛机器人的设计研究显得尤为里要-本文从机械设计选型到三维建模，再到模拟仿真，最后到制作样机进行试验，给出了整套的关于关节式四自由度码垛机器人结构设计及运动分析方法。并可以为今后类似的码垛机器人设计研究提供一定程度上的借鉴。首先，根据所要达到的工作要求，确定了码垛机器人的构型方案，并根据设计
5、要求将码垛机器人的主要尺寸计算出来，然后选定驱动机构.利用三维建模软件Solidworks将机器人的主要驮动部分设计出来.通过计算和相关模拟仿真得到主要零部件的工作参数.进而完成零部件的选定。最终得到整个码垛机器人的三维模型.其次，将模型进行一定的简化，充分利用有限元分析工具来对所设计的码垛机器人进行研究，保证码垛机器人的强度和设计寿命能够满足使用要求并且具有良好的动态特性，不易发生共振现软。再次对码垛机器人进行运动学分析及仿克，利用D-H法建立机器人的运动学数学模型,分析计算得到运动学正反解,再利用ADAMS仿真软件和MAT1.AB画图软件对机器人的位置、速度和加速度进行分析，最后画出机器人
6、的工作空间并进行运动学仿真分析。最后，根据所完成的结构设计，完成样机的制造.搭建相关的测试平台，对样机进行受力测试，分析样机的工作性能.关健伺：码垛机器人:有限元分析:运动仿真：样机测试AbstractIntodayssocietyofmechanizedProdUCIiOnJndMrialrobotsarebecomingmorepopular.andmoreandmoresinglerepetitiveworkisbornebyrobots.Rapidproducthandling.proostofwhicharcbasedontheresearchofdevelopedcountries
7、.Ductothetechnicalblockadc.thclevelofresearchonpalletizingroboisinourcountryissillinferiorfromthatOfdevelopedcountries.Thcrcforc.itisvcrjimportanttoacceleratethedesignofpalletizingrobotinChina.Inthispaper.fromthemechanicaldesigntothethree-dimensionalmodeling.andthentothesimulation.andfinallytothepro
8、totypetest,givenasetoffbur-dcgrcc-of-freedomonIhcjointstructureandmotionanalysisoftheslackingmethod.Anditcanprovideacertaindegreeofreferenceforthefuturedesignofsimilarstackingrobots.Firstly.accordingtotheworkrequirementstobeachieved.thepalletizingrobotconfigurationschemeisdeterminedandthemaindimensi
9、onsofthepalletizingrobotarecalculatedaccordingtothedesignrequirements.andthenthedrivingmechanismisselected.Utilize3DmodelingsoftwareSolidworkstodesignthemaindrivepartoftherobot.Throughthecalculationandrelatedsimulationsimulationofthemainpartsoftheoperatingparameters.andthencompletetheselectionofpart
10、s.Andfinallythethree-dimensionalmodelof(hewholepalletizingrobot.Sccondly.thcmodelissimplifiedandthefiniteelementanalysistoolisusedtostudythepalletizingrobot.ThestrengthanddesignlifeofthepalletizingrobotcanmeettherequirementofuseandhavegooddynamicCharaCICriSlics.ltisnoteasytoresonate.Thcn.thckinemati
11、csanalysisandsimulationofthepalletizingrobotarecarriedout.ThekinematicsmodeloftherobotisestablishedbyD-Hmclhcl.Thckinematicpositive-Il-AhUraClandnegativesolutionsarecalculatedandanalyzedIheosition.velocityandaccelerationoftherobotarcsimulatedbyADAMSsimulationsoftwareandMAT1.ABdrawingsoftware.Finally
12、jhcworkingspaceoftherobotisdrawnandlhckinematicssimulationanalysisiscarriedout.FinalIy.accordingtothecompletionofthestructuraldesign,comletetheprototypemanufacturing.buildtherelevanttestlaform.herotolyeoftheforcetest,analysisoftheworkpcrfbr11anccoflhcprololypc.Keywords:palletizingrobot;finiteclement
13、analysis;motionSimUIaIion;PrOIoIyPCtesting-m-目录摘SIABSTRACTIll第1章11.1 课题研究背景I1.2 码垛机器人研究现状与发展趋势21.2.1 码垛机器人研窕现状21.2.2 码垛机器人发展趋势41.3 本文的主要研究内容4第2章码螺机人整体设计62.2 码垛机器人设计方案62.2.1 码垛机器人工作要求介绍62.2.2 垛机器人构型方案确定72.2.3 驱动机构的确定1()2.2.4 码垛机器人基本尺寸确定122.3 码垛机器人三维建模162.3.1 蚂垛机器人端部及其邪动设计162.3.2 码垛机器人判部设计172.3.3 码垛机器
14、人臂部驱动机构设计182.3.4 码垛机器人底座及其驱动设计192.3.5 码垛机器人笛体结构202.4 码垛机器人主要部件的计兑及选型212.4.1 直流伺服电机的计算及选型212.4.2 齿枪减速潺的计算及选型232.4.3 同步齿形带的计算及选型242.4.4 滚珠丝杠的计算及选型252.4.5 直线上轨的计算及选型272.5 本章小结29第3章码螺机人皆部机构利隈元分析3()3.1 引言303.2 有限元软件介绍30-IV.3.3 模型简化及划分网格313.4 好力学分析333.4.1 添加约束及载荷333.4.2 求解运算及结果分析343.5 疲劳寿命分析393.5.1 码垛机器人寿
15、命需求413.5.2 疲劳载荷谱编制413.6 模态分析443.6.1 模态提取法453.6.2 计算结果及分析46374：52第4章码堤机0人运动学分析及仿真534.1 Ulci534.2 D-H坐标系及运动学数学模型534.2.1 机器人坐标系534.2.2 基于D-H法的机潜人运动学数学模型544.3 码垛机器人运动学正逆解554.3.1 位置分析554.3.2 速度604.3.3 加速度分析614.4 DMS仿真分析624.4.1 工作空间仿真计算624.4.2 运动学仿真分析634.4.3 理论与仿真比较分析M4.5 本章小结65第5章样机。部的受力需试及分析665.1 rjI665
16、.2 测试硬件的选型665.3 数据采集及分析685.4 本章小结70*A*.*7l73致谢76-V-第1章绪论1.1 课题研究衢最机器人作为解决人类双手的工具己经逐渐在工业生产中占据了很重要的位置1,在生.产中往往会遇到需要将工件一件件的搬运到另个位置，完全用人力的话，这将是一个费时又费力的工作，在当今这个追求高工作效率的社会中，选择人力搬运这就会增加生产成本，影响整体生产的进度“工业机器人在21世纪的生产制造领域扮演的角色越来越重要,机器人在执行任务或使用中,其与人类接触的不断增加也使得机器人的安全使用问题受到人们的关注,在注重设计制造出能够代替人类工作的机器人的同时，也要充分考虑到机器人
17、在工作过程中的安全问题12.3我国在改革开放以来，经济发展迅速，零售业和互联网电子商务行业发展的突飞猛进，小商品、大批fit是现代商品市场一个鲜明的特点，在货物储存领域,工业机器人的出现使得生产变得更加方便快挽，提高了生产效率4。如何在.社会飞速发展的同时,调整制造业的I作形式,以求能够满足市场对生产快速增长的需求H得尤为重要5,生产中遇到的这一问虺也给机器人生产厂家带来了机遇。如今国内外有好多生产工业机器人的公司，他们致力于用工业机蹲人来代替生产中那些需要人力要完成的工作。IFRdnternationalFederationOfRobOliCS）统计,在2015一年中，1：业机器人的全球销届
18、首次达到24万台，近卜年来.工业机器人的销售量一直保持着平检熠长的趋势7。近些年来，工业机沿人的研发技术，行业标准和销肖应用市场在中、韩、美、日、德等国的发展相对较为活跃8应用工业机器人最多的地区是亚洲，其在全球工业机器人的使用报中占到50。这些数据都反映出工业机器人在工业生产中的应用前景十分广闹9。我国使用码垛机器人的时间远落后于欧美国家，我们在码垛机器人技术方面的研究还不是很成熟10-12,本文研究关节式四白由度码垛机器人结构设计及运动分析.目的在于给出一套较完整的针对码垛机器人的结构设计流程。根据所设计的结构，对其进行运动学分析，旨在提高工作效率，节省牛.产成本，这在当今的现代化生产过程
19、中显得尤为重要。-11.2 码垛机器人研究现状与发展趋势til三w三三we在1959年由恩格尔伯格发明的第一台机器人以来，机器人的发展相当快速,它是白动执行分配给它的工作13,可以在人类的操作下工作,也可以按照预先编写好的程序代码独立工作，其终极目的就是帮助人类完成一些繁琐、无聊、危险的不适合人类去完成的工作14。而码垛机器人就是代替工人完成搬运批量工件的一种机器人，例如面粉厂或化肥厂中，生产好的面粉或化肥由编织袋统一包装，在装车时就会出现一个机械化的搬运过程，即要将一袋袋成品运上车.再例如在娃哈哈生产线上，一箱箱包装好的产品要被输送至空闲的储物空间来暂时存放，这些搬运过程在过去都是使用人力来
20、完成搬运工作，使用人力就会产生工作效率低.生产成本高的问题.码垛机器人就应运而生。在我们国内码垛机潺人研究领域，主要有上海交通大学机器人研究所和哈尔滨工业大学研究所，哈尔滨工业大学机人研究所研制的码垛机器人应用到生产中后，提高了生产效率，降低了生产成本，上海交通大学机器人研究所主要研究高速码垛机器人的开发，在相关问题上也取得了很大的突破15。许纪倍等人的著作为码垛机器人的设计提供了一种设计参考和思路16.吴勇等人说明了码垛机器人在我国网亟待发展应用迫切形势117。任锋阳提出我国将来的机器人的使用方向及发展方向的思路18.考虑到码跺机安全性能，王亚军等提出了有限元技术在设计工程应用仍具有一定的不
21、足之处，并展望了有限元技术在未来的发展19“刘英魁将有限元和:程结合.为工程向理提供新的解决思路20。股之平从基本知识入手，为码垛机器人的疲劳学分析奠定了分析基础21。在此基础上，很多学者针对非线性否加情况22-24以及加我Mi序125.20的不同研究出不同情况下损伤机理，齐忠华讨论了miner疲劳损伤积累假说的不足之处27。普网谦的著作帮助学省们在工程向即中能够更深入地应用模态分析28,谈世哲在实验平台上完成了验证码垛机器人的力控性徙的实验129。虽然国内针对码垛机的研究颇多.但是在整体上,我国在玛垛机器人技术上较国外的发展还是存在着很大需要进步的空间，码垛机器人的出现及早是在日本和瑞典两个
22、国家30,瑞典的ABB公司致力于研究开发工业机器人已羟三十多年，ABB公-2司在2011年推出的低15460码垛机器人,这种机器人主耍应用于工厂生产流水线的末端，其能完成对牛.产的成品或半成品的高速搬运规整31,32。IRB460每小时不间断工作时，完成的工作循环次数能达到2190次，除了在工作速度上比普通的码垛机器人快了15%左右外，它能达到的2.4米工作粮盖范困也是能铭满足更高的工作要求。德国的KUKA公司研发出世界上第一台完全由电机带动关节动作的工业机器人331.Arctic型KRQUANTECPA目前KUKA公司研制出是高能效的高负战级快速卸码垛机器人，如图1-1。我国在码垛机器人技术
23、上在要存在有起步晚，研发力量不足等问即134,还需要我国的科技工作者投入大量的精力去研究，NingF等人分析机器人的动力学特性，生成的驱动转矩的手普，并得到它的逆动力学方程.来改善系统的性能.通过基FMAT1.AB的仿真脸证了有效性35。在码垛机器人的工作空间及路径规划方面，COnStanlineSCUD等人提出种方法来确定光滑时间最优路径约束的机器人机械手。通过添加限制致动器来对机器人的工作进行约束，进而对机器人的工作路线做出优化36。Zkypah1.等对码垛机器人的设计进行优化，降低了计算复杂度37。KlcinBgClerMD等深刻研究讨论了运动轨迹中机器人所受的最小冲击38.在机器人的运
24、动自由度研究方面,GaoF等人利用基于PIUCke坐标系的方法研究了几种结构形式的机器人结构设计形式，最后推导出来机器人结构各关节的肢体的位移输出方程139。住单曾堆垛机器人设计领域，李方义等人在进行码垛机人的研究设计过程中，形成了一套先利用PrWESdidWorks等三维建模软件建立码垛机器人的：.维模型，进行运动学仿真,最后才能对所做的结构设计做出改进直至达到设计要求。由T机器人I：作过程中的一些限制使得它不能在有效的I：作过程中回到起始点和机械臂有很多自由，其控制系统相对发杂卬。GuanX等在对码垛机港入进行机械结构设计和运动学分析时，研究提出了一个关于机械设计和测试的详细算法，该经法通
25、过实验收集数据。通过这些数据来计和机器人的工作空间，通过软MATI.AB模拟了工作空间，最后对比仿真的结果与实际工作结果41。刘扬等人在分析了码垛机器人的I：作要求后，给出了种基于混联设计的码垛机器人，通过建立坐标系将所要设计的机器人整体进行简化，最后简化成了一个拥有三自由度的机械F模型42,紧接着利用应用DenaYit和Harlenberg的D-H方法，构建出机器人的运动学模型，列解出机器人的运动学方程及逆运动学方程，及后利用SoIidWorks和ADAMS等软件进行工况下的模拟仿真351.-3-ISl-I库卡公司KR180R32001.22码垛机器人发展现在世界范闱内生产码垛机器人的公司企
26、业主要有德国的KUKA公司、日本的FANUC,H本的安川公司、还有瑞典的ABB公司16,47。德国的KUKA公司是世界上顶级工业机器人制造商之日本FANUC公司的码垛机器人主要应用在饮料行业48.49,强大到足以轻松处理纸巾，卫生纸和纸巾码垛。各个公司都开发出了自己公司系列的码垛机器人其各自具有其不同的应用范围.反观国内的码垛机器人的发展,在中国的制造业即将进入了工业4.O时代，日益繁荣的物流业引发了针对成批fit货物的分拣、搬运的问超150,由此，我国也加入到了研发码垛机器人的行列中来了，除了以高校为主要的研发力量，我国也在码垛机器人的研发上投入了很大财力和物力。我国的码垛机器人在要针对的工
27、作情况是货物批盘大，所以在进I码垛机器人的价格等各方面因素下，我国生产的码垛稳定性强，安全耐用的特点都备受商家的音睐，码垛机器人的未来发展趋势是更加简单的人机操作界面，更高的可靠性和安全性，丰富多样的抓手形式，适应性更强.具体戕括起来就是，未来码垛机器人的机电结合更加紧密，码垛速度更快，设计结构的柔性增加，可根据生产工作要求来自行配置所祐要的机愣人结构形状尺寸，其能修完成的任务范围也变得越来越广51。1.3 本文的主要研究内容本章主要分析了在现有的生产中存在的大批大址优物的分拣搬运工作问题.在结合了相应的相关资料后，设计给出一个能好满足给定的工作要求的一种关节式四自由度码垛机器人，研究r整个机
28、器人从结构设计再到对其结构进行运动分析的整个过程，以求所设计的机减结构能够解决现实生产过程中所出现的问题，具体的内容有以卜.几个部分：(D介绍/码垛机器人产生和应用的背景，阐明r研究码垛机器人的重要意义，然后又介绍了国内外研尢码垛机器人的现状，针对我国的所存在问题给出了分析和建议，最后对未来的码垛机落人的发展趋势做了详细的叙述。(2)针对所要完成的工作要求，首先做出了其整体结构设计，然后又给出了几种不同的设计方案，最后根据分析，确定出最适合的方案.再根据工作任务要求，计算得出结构具体的形状结构尺寸以及选定相应的驱动方案。(3)结构和驱动等相关参数确定之后，利用SOIidWorkS建模软件对码垛
29、机器人进行建模，建模完成后，在进入有限元分析前对模型进行简化，利用ANSYS有限元分析软件对已有结构进行在受我荷后的特性分析，利用己有的理论做出疲劳寿命分析以及对整体结构进行模态分析来求得系统的响应，最后分析得到的计算结果，找到码球机器人最薄弱的环节，并对整体设计结构做出系统的评价。(4)对做码垛机器人的运动学分析和仿真的原因和重要性做出了阐述，然后乂介绍了运动学分析仿真的方法，最后选定采用D-H坐标系的分析方法来求解机储人的运动学正反解，利用D-H法建立起机器人的运动学数学模型，利用ADAMS和MAT1.AB对机器人的工作空间做出分析，并得到了搬运过程中，机器人的位移、速度、加速度的变化曲线
30、图，保证所设计的码垛机器人结构尺寸能蟾满足设计要求.(5)根据结构设计和零部件的选型，制作出样机实体，确定样机测试方案，搭建起样机测试平台，基于制作的样机，选用压力、位移传感器，DAQ数据采集卡和工业计算机及相配套的数据分析软件，完成对样机的实践性测试，来验证机械结构设计的正确性和可靠性。第2章码垛机器人整体设计2.1引言码垛机器人盛体设计，首先要根据所给出的工作要求对码垛机涔人结构做出初步规划，其中主要考虑其结构功能的实现性、灵活性和经济性等方面进行分析，进而确定码垛机器人的构型方案。本章在确定码垛机器人工作要求及构型方案的基础上，确定了码垛机器人的基本尺寸，设计三维建模及主要部件的选型。由
31、于传统码垛机器人存在的空间占用大、各关节结构体枳全域大、驱动能耗大的问返，在考虑以上问题的同时还要注意以下问题：(1)码垛机器人所工作的工作环境一般是加工车间的生产线,生产线的空间结构布置规则有序,这就对码垛机器人的结构提出了要求,其空间结构在能实现既定的轨迹运动的同时；还要尽可能的满足结构体积小重盘轻来满足发杂的生产环境，灵巧的结构设计不仅能使整体结构柔性增加，而且还能提高工作效率，降低能源消耗，节约成产成本.(2)安全稳定性设计，码垛机器人在工作时，需要高速反纪执行个动作循环,能够保证每次搬运动作都准确到位对于整个生产过程的连贯性有很大的意义。结构控制简单，工人操作方便，在复杂的一个机器，
32、最后也是要在实践中去检脍的，只有在生产实践中能锅方便的使用才是最重要的.2.2码垛机器人设计方案22.1码垛机器人工作要求介绍本文中所设计的码垛机器人用于完成50kg袋装面粉的码垛工作，从而代替人工重灾性简单乏味的体力劳动，码垛速度快、效率虑，解放/大部分人力资源，提高了面粉在市场的流动速度，提高工厂效益。其工作时的主要流程为：抓取袋装面粉、搬运袋装面粉到码垛位置、根据垛型调整袋装面粉姿态、将袋装面粉正确跺型。码垛机器人的工作便是不断重更上述四个基本过程。其主要性能参数要求如卜表。-6-笫2女妈垛机器人将体设i表2-1性俄参数序号项目要求1领定码垛效率500次/小时2安装方式落地式3承监能力（
33、含手爪）210kg4袋装面黝尺寸500X90OnmA（前后）I50011nIM上下）2300Mn5动作范圉C4左右）330D（抓手）330。6位置重更精度0.5(n7驱动能力伺服电机驱动8工作环境温度-15b45C2.2.2垛机器人构型方案确定按照结构坐标系的不同，码垛机器人也呈现出不同的类型。所谓机器人构里，就是指机器人的机械结构配置.方式，其中包含机器人的自由度、主要关节的运动方式、零部件之间的相对运动以及位巴关系等。根据机械手臂坐标特性的不同机器人的构型可分成以下四种：直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型和多关节型，如图2-1。目前这四种机器人普遍应用于各种工业流水线。可以根据不同的场合环境
34、的要求，空间的限制，以及所搬运的物品的要求，选择出适当的机器人进行工作。直角+标里码垛机器人。由于这种机器人在笛卡尔坐标系中各个轴之间的运动相互独立的，因此在进行运动分析时各个轴都可以单独处理的线性方程，因此在机制人投入到工作之前，对其运动进行计算控制的过程都是比较简单的，这是其他类别的机器人不具备的优势：这类机器人的刚性大，在执行任务过程中，机器人本身具有的精度不会因工作环境而改变。因此这类机器人很容易能完成具有高精度要求的任务：但是由于机器人的各个轴相互独立，因此操作空间比做小，并且有着占地面积大、运行效率低、难以实现较为纪杂的运动等不足之处。C）球形坐标机零人图2T四种同垛机器人荷图圆柱
35、坐标型码垛机器人“圆柱坐标型码垛机器人拥有一个可以让机械评来旋转的中轴.进而可以满足比较苛刻的位置的工作要求。通过对机械皆的加长，机器人的工作范围可以相对扩大，且在机器人进行投入使用前对其进行运动的分析控制比较方便：采用液压传动装置对码垛机器人机械再的直线部分进行驱动，这样既能够保证供给的动力能最大化满足任务要求乂能保证运动过程的平稳性：但是由于机器人材料的强度限制，这种机器人的工作空间是一定的且很难进行扩大；机械臂直线羯动部分由于其结构比较特殊，一般很难对其进行密封防尘处理，在进行作业时手髀后端容易碰到工作范圉内的其他物体，因此工作环境和工作条件对其运动的限制很大。球坐标型码垛机器人，这种机
36、器人的特点是它的机械臂能够绕其各自的中心轴旋转，因此能够完成到达各种苛刻位置，完成各种曳杂任务的的耍求.这类机器人工作时所等到达的空间范围比较广，机器人驱动部分具有很离的密封性；但坐标在机器人各部分的运动关系较为混乱，各部分机构在运转时可能会产生耦合现象，并旦在投入使用前很琲对机器人进行控制计算分析。密封困难和空间死区的问题仍然存在直线驱动装置中。关节坐标型码垛机落人。关节坐标型码垛机罂人不能够直观的解读其末端位姿，进行控制时需要求运动学的正反解，因此控制起来十分麻烦“虽然关节型机器人运动学比其他三种机罂人相对复杂,但是它具有结构配合索凌、运动起来十分灵活、有着极强的工作能力等优点,使得关节型
37、的码垛机器人在各类工业生产线上作为高效的“搬运工”被广泛应用。码垛机器人的构型选择需要遵循以下原则：(1)工作空间足锅大.机器人的工作空间是指其机械臂末端能够延伸到的所有位置的合集，较大的工作空间使机器人具有较强的通用性,对不同的工作环境有着较强的适应能力，能够出色地完成不同的工作要求。因此，码垛机器人的设计和选型是要在能够满足工作任务需求的前提卜.，尽量选择较大的工作空间，以提高机器人的工作柔性，预防机器人工作中会出现不可知的新问题.(2)机构设计必须合理“机器人的驱动方案很大程度上是由机器人各个关节的相对位置来决定的，不同的关节位置便会产生出各种各样的传动方案，大部分机器人在设计过程中都会
38、将移动关节设计安装在基座附近，使机器人各个关节运动的配合更紧密，当关节.距离基座较远时.，可以设计添加相应的机械传动系统来传递机械村执行任务时所需的运动和力。(3)消除奇异位型。奇异位型是指机器人处在工作空间内工作时使其至少丢失一个自由度时的某一姿态，即机器人处于工作空间内的非工作区，好比平面机构出现死点，机器人动作停止，不能继续下一步动作。此时机器人不能正常工作，轻则造成机港人结构部件的损毁，重则发生重大事故.因此，设计机器人构型时要充分考虑到是否具有奇异点存在于工作空间内，如果存在,要及时修改构型来消除工作空间的奇异点，修改构型时需要注意不要产生新的奇异点。(4)较少的自由度。虽然机器人的
39、自由度越高，机器人就越灵活，回避障碍物和消除奇异位型的能力也越强，但是过多的自由度会导致机渊人结构更加豆杂、刚度减弱、成本增加、计算控制难度变大，过于灵敏反而会影响机器人运转的稳定性。因此，机器人构型选择应遵循上述选型原则，并在能够满足工作的要求的前提下，尽量减少机器人的自由度。因此，考虑到码垛机器人的运动特性、工作要求、控制精度以及工作负载等各方面要求，因此将本文中的码垛机器人设计成四自由度关节机器人，并对其进行设计和研究.-22.32231为了保证码垛机器人工作的准确性、快速性和平和性，必须选择适合码垛机器人工作的驱动方式。工业上经常用的张动方式有液压骈动、气压驱动、电机驱动，这三种聊动方
40、式都有其各白的优点和做点，其适用的场合也都不相同。三种岖动方式的优点和缺点对比如表2-2所示.-2-2驱动方式对比骤动方式优点缺点气压弱动动作快成本低,安全清洁精度差,噪声大液压弱动精度高,输出力大且稳定，可无极调速油液成本高,且故感.易污染电机驱动传动噪声小，并且具有很商的承载能力容易丢步，产生误差考虑到任务要求，本文的码垛机器人各个关节处的运动选择电机来驱动，以保证各个关节运动的精准性，快速性。目前工业上广泛应用的电机有步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机等，下面便对以上提出的三种电机的优点、缺点和适用范围进行比较：步进电机：这种电机可将接受到的电脉冲信号转化为机械信号，输出一个线位移或者
41、用位移信号.在额定工作状态下，电机的输出只取决于脉冲信号的频率与须数，当负我变化时电机的输出也不会因此而改变.其控制精度主要取决于步进电机传动系统各个传动送之间的精度。步进电机在应用上有很多优点，由于结构简单因此价格成木低，不需要检测环节，广泛适用于对传动精度要求不是很高的场合。但步进电机并不能像普通的直流电机，交流电机可以在常规卜使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用因此为了用好步进电机却非易事，必须掌握机械、电机、电子及计算机等诸多专业的专业基础知识.直流伺服电机：直流伺服电机在进行电枢操作时具有良好的机械特性和调节特性、启动转矩大、调速的范围比较宽、控制精度高。
42、但是其结构比较笈杂,操作比较繁顼,占用空间比较大,成本相对较高,维护难度比校高，而且容易产生一定电磁干扰，因此对工作环境有一定要求。交流伺服电机：交流伺服电机无电刷,具有结构简单、操作方便，转子的转动惯-IO-搔小、动态性能好、输出功率大、使用安全方便,控制精度高、过载能力强、速度响应快，控制技术比较成熟等优点，并且其运行可鸵.维护方便,但是价格比以上所介绍的电机昂贵.通过三种电机的比收，直流伺服电机在码垛机器人性能配合方面有明显的优势，其良好的动态特性，较高的控制精度、较大的启动转矩以及较宽的调速范困等优点，使其广泛应用于工业自动化控制场合，而且直流伺服电机的机械特性和调节特性比其他两种电机
43、更适合码垛机器人工作任务的要求，因此，选择直流何服电机作为本论文中所设计研究的码躲机器人的驱动电机.22.3.2减速器是作用于电机与负教之间用来减速增扭的一种传动机构.由于工作机功率的要求，电机的输出转速一般都远高于实际机器需要的转速而转矩却远小于工作的要求，所以她速器的使用是用来降低转速和增大输出的转矩，以满足工作机的需求,减速器按照传动级数、齿轮形转、布设形式可分为很多种类型，但是为满足机器人特定的工作要求，需要在行星齿轮减速器、接线针轮减速器、谐波减速器这三种常用的减速器中选择出适合码垛机器人工作运行的减速器.各减速器特点如表所示.表2-3三种齿轮对比行星齿轮M速器传动精度高.具有很大的
44、减速价格成本甑性价比不限比，且.野损小携线针枪成连器体枳小，效率而，磨投小，传动运作时产生喋音较大，结构IX杂平货不易维护谐波出轮M速器传动啖声小，并且具有很离的承M1.MHAr丁小*gA我住力冲IIr破块产巫,不能高速运转类型优点映点通过表2-3对比分析由于码垛过程是码垛机器人循环往亚的进行高速运动，且负载重盘般较大，并吐对于摆放物品的位置需要极很高的摆放精度要求，在三种战速器中，摆线针轮减速器能够完美的完成码垛机器人工作任务要求并且具有较很高的性价比，因此选择视线针轮陵速器作为码垛机器人的减速装K1.2.23.3ftflW台合格的码垛机器人其系统需要具有稳定性、快速性和准确性，因此本文所设
45、计的码垛机器人的传动机构应符合以下几点：Ia较离的精度要求.码垛机器人在码垛过程中的田复定位精度很大程度上取决于码垛机器人的定位精度和进给传动机构的传动精度。2响应速度快。当输入信号作用到系统中并使系统产生响应的这段时间称之为响应速度，其对码垛机器人的工作效率和工作精度都有很大的影响。39无间隙传动。这里的传动间隙指的是码垛机器人运作时产生的反向间隙。由于码垛过程是一个电复的过程，因此容易存在反向间隙.反向间隙的存在会严承降低码垛机器人的运动精度，随着时间的积累，精度会越来越低。4较长的使用寿命。由于物品的填装有误差，因此外加载荷在码垛机器人码垛过程中不断变化，并且码垛机工作环境一般较为恶劣，
46、使码垛机的寿命下降,稳定性受到严承破坏，所以系统的刚性、阻尼和增益一定要选择合适，这样才能保证系统具有一定的稳定性。另外还要严格按照规定对系统进行维护,并定时对系统进行润滑处理.，防止其部分关节部位磨损严重，延长码垛机的使用寿命。5使用和维拧方便，由于码垛机特殊的工作特性，其传动系统是整个系统中及薄弱环节，所以在进行设计时，应充分考虑到当传动系统发生故障时，所设计的结构能够有利于维修人员进行维修，最大限度的减小维修工作量，这样不仅方便维修人员，还能增加工作效益，码操机器人工作过程中的主要运动包括：腰部的转动、前大铃、后大臂和上小符的垂直运动、执行末端的旋转运动.根据码垛任务要求,将码垛机器人的运作方案确定为:腰部的转动：从直流伺机电机开始，经过减速器，最终
