搬運(yùn)機(jī)器人由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)三部分組成。
1、執(zhí)行機(jī)構(gòu)
1) 手部
手部既直接與工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平動(dòng)型(多為回轉(zhuǎn)型，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單)。手部多為兩指(也有多指);根據(jù)需要分為外抓式和內(nèi)抓式兩種;也可以用負(fù)壓式或真空式的空氣吸盤(主要用于可吸附的，光滑表面的零件或薄板零件)和電磁吸盤。
傳力機(jī)構(gòu)形式較多，常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母式、彈簧式和重力式。本次設(shè)計(jì)的手部選擇夾持類回轉(zhuǎn)型結(jié)構(gòu)手部。手部執(zhí)行依靠桿的伸縮運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)其張合運(yùn)動(dòng)，桿的動(dòng)力源來自后續(xù)驅(qū)動(dòng)源的液壓缸，該液壓缸采用的是伸縮式液壓缸，該液壓缸能夠節(jié)省橫向的工作空間。
2)腕部
腕部是連接手部和臂部的部件，并可用來調(diào)節(jié)被抓物體的方位，以擴(kuò)大機(jī)械手的動(dòng)作范圍，并使機(jī)械手變的更靈巧，適應(yīng)性更強(qiáng)。手腕有獨(dú)立的自由度。有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、上下擺動(dòng)、左右擺動(dòng)。一般腕部設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)再增加一個(gè)上下擺動(dòng)即可滿足工作要求，有些動(dòng)作較為簡(jiǎn)單的專用機(jī)械手，為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，可以不設(shè)腕部，而直接用臂部運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)手部搬運(yùn)工件。
目前，應(yīng)用最為廣泛的手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)液壓(氣)缸，它的結(jié)構(gòu)緊湊，靈巧但回轉(zhuǎn)角度小(一般小于?270)，并且要求嚴(yán)格密封，否則就難保證穩(wěn)定的輸出扭矩。因此在要求較大回轉(zhuǎn)角的情況下，采用齒條傳動(dòng)或鏈輪以及輪系結(jié)構(gòu)。本次設(shè)計(jì)的搬運(yùn)機(jī)器人的腕部是實(shí)現(xiàn)手部?180的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
腕部的驅(qū)動(dòng)方式采用直接驅(qū)動(dòng)的方式，由于腕部裝在手臂的末端，所以必須設(shè)計(jì)的十分緊湊可以把驅(qū)動(dòng)源裝在手腕上。機(jī)器人手部的張合是由雙作用單柱塞液壓缸驅(qū)動(dòng)的;而手腕的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)則由回轉(zhuǎn)液壓缸實(shí)現(xiàn)。將夾緊活塞缸的外殼與擺動(dòng)油缸的動(dòng)片連接在一起;當(dāng)回轉(zhuǎn)液壓缸中不同的油腔中進(jìn)油時(shí)即可實(shí)現(xiàn)手腕不同方向的回轉(zhuǎn)。
3)臂部
手臂部件是機(jī)械手的重要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部(包括工作或夾具)，并帶動(dòng)他們做空間運(yùn)動(dòng)。
臂部運(yùn)動(dòng)的目的：把手部送到空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)任意一點(diǎn)。如果改變手部的姿態(tài)(方位)，則用腕部的自由度加以實(shí)現(xiàn)。因此，一般來說臂部具有三個(gè)自由度才能滿足基本要求，即手臂的伸縮、左右旋轉(zhuǎn)、升降(或俯仰)運(yùn)動(dòng)。
手臂的各種運(yùn)動(dòng)通常用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(如液壓缸或者氣缸)和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的靜、動(dòng)載荷，而且自身運(yùn)動(dòng)較為多，受力復(fù)雜。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響機(jī)械手的工作性能。本次設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)臂部的上下移動(dòng)、前后伸縮、以及臂部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。手臂的運(yùn)動(dòng)參數(shù)：伸縮行程：1200mm;伸縮速度：83mm/s;升降行程：300mm;升降速度：67mm/s;回轉(zhuǎn)范圍：180~0。機(jī)器人手臂的伸縮使其手臂的工作長(zhǎng)度發(fā)生變化，在圓柱坐標(biāo)式結(jié)構(gòu)中，手臂的最 大工作長(zhǎng)度決定其末端所能達(dá)到的圓柱表面直徑。伸縮式臂部機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)可采用液壓缸直接驅(qū)動(dòng)。
4)機(jī)座
機(jī)座是機(jī)身機(jī)器人的基礎(chǔ)部分，起支撐作用。對(duì)固定式機(jī)器人，直接聯(lián)接在地面上，對(duì)可移動(dòng)式機(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)和俯仰)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)或俯仰等運(yùn)動(dòng)的驅(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。
2、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)
驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是搬運(yùn)機(jī)器人的重要組成部分。根據(jù)動(dòng)力源的不同，工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)大致可分為液壓、氣動(dòng)、電動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)等四類。
(1)液壓傳動(dòng)。具有較大功率體積比，常用于大負(fù)載的場(chǎng)合;壓力、流量均容易控制，可無級(jí)調(diào)速;反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，維修方便;但液體對(duì)溫度變化敏感，油液泄漏易著火;中小型專用機(jī)械手或機(jī)器人都有應(yīng)用，重型機(jī)械手多為液壓驅(qū)動(dòng);液壓元件成本較高，油路也比較復(fù)雜。
(2)氣壓傳動(dòng)。氣動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)單，成本低，適合于節(jié)拍快、負(fù)載小且精度要求不高的場(chǎng)合，常用于點(diǎn)位控制、抓取、彈性握持和真空吸附，可高速，但沖擊較嚴(yán)重，精 確定位困難;維修簡(jiǎn)單，能在高溫、粉塵等惡劣環(huán)境中使用，泄漏無影響;中小型專用機(jī)械手或機(jī)器人都有應(yīng)用。
(3)電動(dòng)。有異步電機(jī)、直流電機(jī)、步進(jìn)或伺服電機(jī)等電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式。電動(dòng)機(jī)使用簡(jiǎn)單，且隨著材料性能的提高，電動(dòng)機(jī)性能也逐漸提高，目前主要適合于中等負(fù)載，特別是適合動(dòng)作復(fù)雜、運(yùn)動(dòng)軌跡嚴(yán)格的工業(yè)機(jī)器人和各種微型機(jī)器人。
(4)制動(dòng)器：
制動(dòng)器及其作用： 制動(dòng)器是將機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分的能量變?yōu)闊崮茚尫?，從而使運(yùn)動(dòng)的機(jī)械速度降低或者停止的裝置，它大致可分為機(jī)械制動(dòng)器和電氣制動(dòng)起兩類。 在機(jī)器人機(jī)構(gòu)中，學(xué)要使用制動(dòng)器的情況如下：
① 特殊情況下的瞬間停止和需要采取安全措施
② 停電時(shí)，防止運(yùn)動(dòng)部分下滑而破壞其他裝置。
機(jī)械制動(dòng)器：
機(jī)械制動(dòng)器有螺旋式自動(dòng)加載制動(dòng)器、盤式制動(dòng)器、閘瓦式制動(dòng)器和電磁制動(dòng)器等幾種。其中最典型的是電磁制動(dòng)器。
在機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中常使用伺服電動(dòng)機(jī)，伺服電機(jī)本身的特性決定了電磁制動(dòng)器是不可缺少的部件。從原理上講，這種制動(dòng)器就是用彈簧力制動(dòng)的盤式制動(dòng)器，只有勵(lì)磁電流通過線圈時(shí)制動(dòng)器打開，這時(shí)制動(dòng)器不起制動(dòng)作用，而當(dāng)電源斷開線圈中無勵(lì)磁電流時(shí)，在彈簧力的作用下處于制動(dòng)狀態(tài)的常閉方式。因此這種制動(dòng)器被稱為無勵(lì)磁動(dòng)作型電磁制動(dòng)器。又因?yàn)檫@種制動(dòng)器常用于安全制動(dòng)場(chǎng)合，所以也稱為安全制動(dòng)器。
電氣制動(dòng)器
電動(dòng)機(jī)是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的裝置，反之，他也具有將旋轉(zhuǎn)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電功能。換言之，伺服電機(jī)是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，可將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，同時(shí)也能通過其反過程來達(dá)到制動(dòng)的目的。但對(duì)于直流電機(jī)、同步電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)等各種不同類型的電機(jī)，必須分別采用適當(dāng)?shù)闹苿?dòng)電路。
3、控制機(jī)構(gòu)
1、執(zhí)行機(jī)構(gòu)
1) 手部
手部既直接與工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平動(dòng)型(多為回轉(zhuǎn)型，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單)。手部多為兩指(也有多指);根據(jù)需要分為外抓式和內(nèi)抓式兩種;也可以用負(fù)壓式或真空式的空氣吸盤(主要用于可吸附的，光滑表面的零件或薄板零件)和電磁吸盤。
傳力機(jī)構(gòu)形式較多，常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母式、彈簧式和重力式。本次設(shè)計(jì)的手部選擇夾持類回轉(zhuǎn)型結(jié)構(gòu)手部。手部執(zhí)行依靠桿的伸縮運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)其張合運(yùn)動(dòng)，桿的動(dòng)力源來自后續(xù)驅(qū)動(dòng)源的液壓缸，該液壓缸采用的是伸縮式液壓缸，該液壓缸能夠節(jié)省橫向的工作空間。
2)腕部
腕部是連接手部和臂部的部件，并可用來調(diào)節(jié)被抓物體的方位，以擴(kuò)大機(jī)械手的動(dòng)作范圍，并使機(jī)械手變的更靈巧，適應(yīng)性更強(qiáng)。手腕有獨(dú)立的自由度。有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、上下擺動(dòng)、左右擺動(dòng)。一般腕部設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)再增加一個(gè)上下擺動(dòng)即可滿足工作要求，有些動(dòng)作較為簡(jiǎn)單的專用機(jī)械手，為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，可以不設(shè)腕部，而直接用臂部運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)手部搬運(yùn)工件。
目前，應(yīng)用最為廣泛的手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)液壓(氣)缸，它的結(jié)構(gòu)緊湊，靈巧但回轉(zhuǎn)角度小(一般小于?270)，并且要求嚴(yán)格密封，否則就難保證穩(wěn)定的輸出扭矩。因此在要求較大回轉(zhuǎn)角的情況下，采用齒條傳動(dòng)或鏈輪以及輪系結(jié)構(gòu)。本次設(shè)計(jì)的搬運(yùn)機(jī)器人的腕部是實(shí)現(xiàn)手部?180的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
腕部的驅(qū)動(dòng)方式采用直接驅(qū)動(dòng)的方式，由于腕部裝在手臂的末端，所以必須設(shè)計(jì)的十分緊湊可以把驅(qū)動(dòng)源裝在手腕上。機(jī)器人手部的張合是由雙作用單柱塞液壓缸驅(qū)動(dòng)的;而手腕的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)則由回轉(zhuǎn)液壓缸實(shí)現(xiàn)。將夾緊活塞缸的外殼與擺動(dòng)油缸的動(dòng)片連接在一起;當(dāng)回轉(zhuǎn)液壓缸中不同的油腔中進(jìn)油時(shí)即可實(shí)現(xiàn)手腕不同方向的回轉(zhuǎn)。
3)臂部
手臂部件是機(jī)械手的重要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部(包括工作或夾具)，并帶動(dòng)他們做空間運(yùn)動(dòng)。
臂部運(yùn)動(dòng)的目的：把手部送到空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)任意一點(diǎn)。如果改變手部的姿態(tài)(方位)，則用腕部的自由度加以實(shí)現(xiàn)。因此，一般來說臂部具有三個(gè)自由度才能滿足基本要求，即手臂的伸縮、左右旋轉(zhuǎn)、升降(或俯仰)運(yùn)動(dòng)。
手臂的各種運(yùn)動(dòng)通常用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(如液壓缸或者氣缸)和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的靜、動(dòng)載荷，而且自身運(yùn)動(dòng)較為多，受力復(fù)雜。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響機(jī)械手的工作性能。本次設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)臂部的上下移動(dòng)、前后伸縮、以及臂部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。手臂的運(yùn)動(dòng)參數(shù)：伸縮行程：1200mm;伸縮速度：83mm/s;升降行程：300mm;升降速度：67mm/s;回轉(zhuǎn)范圍：180~0。機(jī)器人手臂的伸縮使其手臂的工作長(zhǎng)度發(fā)生變化，在圓柱坐標(biāo)式結(jié)構(gòu)中，手臂的最 大工作長(zhǎng)度決定其末端所能達(dá)到的圓柱表面直徑。伸縮式臂部機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)可采用液壓缸直接驅(qū)動(dòng)。
4)機(jī)座
機(jī)座是機(jī)身機(jī)器人的基礎(chǔ)部分，起支撐作用。對(duì)固定式機(jī)器人，直接聯(lián)接在地面上，對(duì)可移動(dòng)式機(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)和俯仰)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)或俯仰等運(yùn)動(dòng)的驅(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。
2、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)
驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是搬運(yùn)機(jī)器人的重要組成部分。根據(jù)動(dòng)力源的不同，工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)大致可分為液壓、氣動(dòng)、電動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)等四類。
(1)液壓傳動(dòng)。具有較大功率體積比，常用于大負(fù)載的場(chǎng)合;壓力、流量均容易控制，可無級(jí)調(diào)速;反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，維修方便;但液體對(duì)溫度變化敏感，油液泄漏易著火;中小型專用機(jī)械手或機(jī)器人都有應(yīng)用，重型機(jī)械手多為液壓驅(qū)動(dòng);液壓元件成本較高，油路也比較復(fù)雜。
(2)氣壓傳動(dòng)。氣動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)單，成本低，適合于節(jié)拍快、負(fù)載小且精度要求不高的場(chǎng)合，常用于點(diǎn)位控制、抓取、彈性握持和真空吸附，可高速，但沖擊較嚴(yán)重，精 確定位困難;維修簡(jiǎn)單，能在高溫、粉塵等惡劣環(huán)境中使用，泄漏無影響;中小型專用機(jī)械手或機(jī)器人都有應(yīng)用。
(3)電動(dòng)。有異步電機(jī)、直流電機(jī)、步進(jìn)或伺服電機(jī)等電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式。電動(dòng)機(jī)使用簡(jiǎn)單，且隨著材料性能的提高，電動(dòng)機(jī)性能也逐漸提高，目前主要適合于中等負(fù)載，特別是適合動(dòng)作復(fù)雜、運(yùn)動(dòng)軌跡嚴(yán)格的工業(yè)機(jī)器人和各種微型機(jī)器人。
(4)制動(dòng)器：
制動(dòng)器及其作用： 制動(dòng)器是將機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分的能量變?yōu)闊崮茚尫?，從而使運(yùn)動(dòng)的機(jī)械速度降低或者停止的裝置，它大致可分為機(jī)械制動(dòng)器和電氣制動(dòng)起兩類。 在機(jī)器人機(jī)構(gòu)中，學(xué)要使用制動(dòng)器的情況如下：
① 特殊情況下的瞬間停止和需要采取安全措施
② 停電時(shí)，防止運(yùn)動(dòng)部分下滑而破壞其他裝置。
機(jī)械制動(dòng)器：
機(jī)械制動(dòng)器有螺旋式自動(dòng)加載制動(dòng)器、盤式制動(dòng)器、閘瓦式制動(dòng)器和電磁制動(dòng)器等幾種。其中最典型的是電磁制動(dòng)器。
在機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中常使用伺服電動(dòng)機(jī)，伺服電機(jī)本身的特性決定了電磁制動(dòng)器是不可缺少的部件。從原理上講，這種制動(dòng)器就是用彈簧力制動(dòng)的盤式制動(dòng)器，只有勵(lì)磁電流通過線圈時(shí)制動(dòng)器打開，這時(shí)制動(dòng)器不起制動(dòng)作用，而當(dāng)電源斷開線圈中無勵(lì)磁電流時(shí)，在彈簧力的作用下處于制動(dòng)狀態(tài)的常閉方式。因此這種制動(dòng)器被稱為無勵(lì)磁動(dòng)作型電磁制動(dòng)器。又因?yàn)檫@種制動(dòng)器常用于安全制動(dòng)場(chǎng)合，所以也稱為安全制動(dòng)器。
電氣制動(dòng)器
電動(dòng)機(jī)是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的裝置，反之，他也具有將旋轉(zhuǎn)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電功能。換言之，伺服電機(jī)是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，可將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，同時(shí)也能通過其反過程來達(dá)到制動(dòng)的目的。但對(duì)于直流電機(jī)、同步電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)等各種不同類型的電機(jī)，必須分別采用適當(dāng)?shù)闹苿?dòng)電路。
3、控制機(jī)構(gòu)
構(gòu)建機(jī)器人平臺(tái)的核心是建立機(jī)器人的控制系統(tǒng)。首先需要選擇和硬件平臺(tái)，控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)對(duì)于系統(tǒng)的開放性、實(shí)現(xiàn)方式和開發(fā)工作量有很大的影響。一般常用的控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)應(yīng)滿足：硬件系統(tǒng)基于標(biāo)準(zhǔn)總線機(jī)構(gòu)，具有可伸縮性;硬件結(jié)構(gòu)具有必要的實(shí)時(shí)計(jì)算能力;硬件系統(tǒng)模塊化，便于添加或更改各種接口、傳感器和特殊計(jì)算機(jī)等;低成本。到目前為止，一般機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件平臺(tái)可以大致分為兩類：基于VME總線(Versamodel Eurocard由Motorola公司1981年推出的第 一代32位工業(yè)開放標(biāo)準(zhǔn)總線)的系統(tǒng)和基于PC總線的系統(tǒng)。近年來，隨著PC機(jī)性能的快速發(fā)展，可靠性大為提高，價(jià)格卻大幅度降低，以PC機(jī)為核心的控制系統(tǒng)已廣泛被機(jī)器人控制領(lǐng)域所接受。
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