码垛搬运机器人机械系统设计

程 锴

（南京以禾电子科技有限公司，江苏南京 210039）

0 引言

目前，码垛搬运机器人已经广泛应用于各个领域。它是集机械、电子、信息、智能技术、计算机科学等学科于一体的高新机电产品［1］。机械系统是其支承基础和执行机构，控制系统编程、规划与分析的最终目的是要通过机械系统的运转完成指定的任务［2］。课题所研究的码垛搬运机器人是以袋状物为搬运对象，主要用于大米、面粉、饲料等生产厂家车间物流系统中袋装物体的搬运、装夹等，要求动作灵活、工作范围大、结构紧凑、重量轻，因此机械系统设计是机器人设计的一个重要内容，其结果直接决定着机器人的工作性能［3-4］。

1 码垛搬运机器人的组成

码垛搬运机器人由机械系统、驱动系统和控制系统组成。机械系统由机座、腰部、大臂、小臂、腕部、手部和驱动装置组成，共有6个自由度，依次为腰部回转、大臂俯仰、小臂俯仰、腕部回转、腕部俯仰和手部回转。

1.1 机械系统

1.1.1 机座

机座是基础部分，承载着整个机器人的执行机构和驱动系统，起支撑和连接作用。

1.1.2 腰部

腰部是支撑臂部、腕部和手部的部件，臂部的回转运动和俯仰（或升降）运动均与腰部有比密切的关系。腰部因工作需要，有时也可作横向移动。

1.1.3 臂部

臂部分为大臂和小臂，是机器人的主要执行部件，支撑腕部、手部和被码垛物件。臂部的作用是带动手部和腕部在空间运动。臂部的总重量比较大，受力较复杂，在运动时，直接承受腕部、手部和被抓取物件的静、动载荷。

1.1.4 腕部

腕部是连接手部和臂部的部件，起支撑手部的作用，在臂部运动的基础上进一步改变和调整手部在空间的姿态，以扩大动作范围。

1.1.5 手部

手部，即末端执行器，用于执行任务，直接与物件接触，具有抓取功能。末端执行器可以是夹持器或者是专用工具等。夹持器是具有加持功能的装置，由于被码垛的物件形状多种多样，因此夹持器可分为两种：夹持式和吸附式。专用工具则是用于完成某项作业所需的装置，如焊枪、喷漆枪等。

1.2 驱动系统

驱动系统是机器人的动力源。驱动方式有液压、气压、电机。液压驱动适用于大负载的情况；气压驱动适合于节拍快、负载小且精度不高的场合；电动驱动适合于中等负载，特别是动作复杂、运动轨迹严格的机器人。

1.3 控制系统

机器人控制系统是一个与运动学和动力学原理密切相关、有耦合的、非线性的多变量控制系统。主要包括动作的顺序、应实现的路径与位置、动作时间间隔以及作用在物件上的作用力等。控制系统可以从不同角度分类，如按照控制运动的方式分为关节控制、笛卡尔空间运动自适应控制；按轨迹控制方式分为点位控制和连续轨迹控制；按速度控制方式分为速度控制、加速度控制和力控制。

1.4 位置检测装置

位置检测装置是控制机械系统的速度和位移，控制系统得到机械系统的位置反馈，与程序设定的位置进行比较，并自行调整，使机械系统以一定的精度达到设定位置。

2 码垛搬运机器人的性能参数

根据作业要求，以下是码垛搬运机器人设计的具体参数。

（1）结构形式：关节型；

（2）负荷能力：≤90 kg；

（3）工作能力：1 600袋/时；

（4）最大作用范围：2 700 mm；

（5）自由度数：6；

（6）位置重复精度：±0.06 mm；

（7）各轴运动范围及速度：

关节1：±185°，136°/s

关节2：+5°/-140°，130°/s

关节3：+155°/-120°，120°/s

关节4：±350°，292°/s39

关节5：±125°，258°/s

关节6：±350°，284°/s

3 机械系统总体结构

码垛搬运机器人可看作杆件结构，它是将机构学中的杆件和运动副相互连接而构成的开式运动链。

在码垛搬运机器人中，连杆即手臂，运动副称作关节。码垛搬运机器人采用的是转动关节。机器人末端称为腕部，它一般由3个转动关节组成。在码垛搬运机器人中，臂部决定机器人末端到达的位置，而腕部决定机器人的姿态［5］。臂部可以在垂直于机座的平面内运动，也可绕垂直轴转动。其操作灵活性好，对于各种各样的作业都有良好的适应性，运动速度较高，操作范围大。码垛搬运机器人总体结构如图1所示，结构尺寸如图2所示。

图1 总体结构

图2 结构尺寸

4 自由度的分配和腰部、臂部、腕部的构形

由于在同样的体积条件下，关节型机器人比非关节型机器人作业范围广，结构紧凑，动作和轨迹更灵活，因此该型机器人采用关节型的结构。

机械系统中最主要运动部件是腰部和臂部，其作用是支撑腕部和手部，使手部和腕部在作业范围内运动。腰部和臂部一般要有3 个自由度，才能使手部达到作业范围内的任意位置，腰部和臂部有许多种结构形式，常用的形式如图3所示［6］。

码垛搬运机器人，既要结构简单，也要控制容易。结合实际需求，确认具有6个自由度，其中腰部和臂部3个自由度，为腰部旋转、大臂和小臂的转动，如图3所示的第一种形式。

除了腰部和臂部的3 个自由度以外，其余3 个自由度均设计在腕部。图4 是通常情况下的3 自由度腕部结构形式。按照图中顺序依次是BBR型、BPP型、RBR型和RRR型。

图中的B指的是弯曲结构，其含义是腕关节在工作过程中相邻运动件轴线间的夹角呈变化状态；图中的R指的是转动结构，其含义是腕关节在工作过程中相邻运动件轴线间的夹角保持原来的状态。

旋转型关节作业范围广，重量轻，结构紧凑，关节易于密封防尘。本码垛搬运机器人使用了6 个旋转关节，结合各种腰部、臂部和腕部形式，最终的结构形式如图5所示。

腰部和臂部的3个自由度决定了手部的位置，腕部的3个自由度确定了手部的姿态。

5 传动系统的设计

首先对码垛搬运机器人总体结构方案进行确定，再通过绘图软件绘制初始结构图，最后完成传动系统的设计工作，如图6 所示。码垛搬运机器人的6 个电机控制6 个自由度。电机1 安装在腰部上，通过减速器实现腰部绕Z1轴旋转；电机2 安装在腰部上，通过减速器实现大臂绕Z2轴旋转；电机3 安装在小臂上，通过减速器实现小臂绕Z3轴旋转；电机4、5、6都安装在小臂上，电机4 通过带传动，实现整个腕部绕Z5轴旋转；电机5通过带传动，并通过一组锥齿轮减速，实现腕部绕Z4轴旋转；电机6通过锥齿轮减速实现手部绕Z5轴旋转。

6 驱动方式

机器人的驱动方式有很多种，目前常用的驱动方式分为液压驱动、气动驱动、电动驱动以及新型驱动4 种形式。在设计中，根据具体要求、作业环境以及上述4种驱动方式的特点来选择合适的驱动方式。

6.1 液压驱动

液压驱动是以液体作为工作介质，利用液体的压力能来传递动力。完整的液压系统由能源装置、执行装置、控制调节装置、辅助装置、液体介质组成。液压缸和液压马达是液压驱动的执行元件，其主要作用是将液体的压力能转换为机械能，从而获得需要的直线或回转运动。液压驱动具有较大输出驱动力；并且可以把油缸做成关节的一部分，结构简单，刚性好；可以实现任意位置的开停；调速简单平稳；润滑性好，寿命长等优点，但同时也具有油液易泄露；管路复杂；适用的温度范围窄；成本高等缺点。因此，在设计负载大、作业速度低的机器人时，采用液压驱动方式。

图3 几种多自由度机器人腰部臂部形式

图4 4种3自由度机器人腕部形式

图5 机器人结构形式

图6 传动系统设计示意

6.2 气动驱动

气动驱动具有快速性好；气源方便；废弃可直接排入大气不会造成污染，在任何位置只需一根高压管连接即可工作，比液压驱动干净、简单；通过调节气量实现无级调速；具有较好的缓冲作用；可把驱动器做成关节的一部分，结构简单、刚性好、成本低等优点，同时具有功率重量比小，驱动装置体积大；定位精度差；使用后的压缩空气排入大气时，会产生噪声；气压驱动系统容易生锈，低温下容易结冰等缺点。因此，在设计中小负载的机器人时，采用气动驱动方式。另一方面，伺服控制很难实现气动驱动，只有程序控制才能应用气动驱动。

6.3 电动驱动

电动驱动是利用电机产生的力和力矩，直接或间接来驱动机械系统，完成各种动作。电动驱动没有中间能量转换的过程，因此比液压及气动驱动效率高，使用方便且成本低。

（1）普通电机驱动的特点：包括交流、直流及伺服电机。交流电机一般不能进行调速或很难进行无极调速；直流电机能够实现无极调速，但直流电源价格较高；而伺服电机精度准确，高速性能好，反应灵敏，因此广泛应用于机器人领域。

（2）步进电机驱动的特点：步进电机没有积累误差；同一台步进电机在不同的驱动方式下，特性也相差很大；力矩随转速的升高而下降；低速可以正常运行，高速则无法启动；控制系统也比较复杂。

（3）直线电机驱动的特点：响应速度快，控制精度高，动态刚度高，速度快、加减速过程短，启动推力大，行程长度不受限制，运行噪声低，传动效率高。

6.4 新型驱动

机器人技术的不断发展，各种依据新思想、新方法、新理论开发的驱动器不断涌现。从基于磁阻效应的磁致伸缩驱动器、压电效应的压电驱动器、静电效应的静电驱动器，到基于材料因温度形状变化的形状记忆合金驱动器、利用超声振动的超声波驱动器等等。

磁致伸缩驱动器主要用于微小驱动场合。压电驱动器可以达到驱动亚微米级的精度。静电驱动器可以在微小的尺寸变化时，产生很大的能量。形状记忆合金是一种特殊的合金，即使变形，当到达适当温度，则恢复为变形前的形状。超声波驱动器是利用超声波振动作为驱动力，结构简单、体积小、重量轻、响应快、力矩大，适合于照相机和摄像机等驱动。人工肌肉是模拟生物体的运动功能在机器人上应用，利用机械化学物质的高分子凝胶等制作人工肌肉。光驱动器是利用某种强电介质受光照射，产生几千伏/厘米的光感应电压。

6.5 驱动方式的选择

通过以上驱动形式的比较，结合同类机器人的设计经验，采用伺服电机驱动，并根据腰部、臂部及腕部作业情况，选用不同功率的伺服电机.

6.5.1 电机的计算

机器人工作能力为1 600袋/时，则Δt=2.25 s。

设转动角速度为4π rad/s,

设手腕侧摆的转动惯量为J6，物体重量90 kg，末端执行器重量30 kg，物体旋转直径为1 m计算。

所以

设控制手腕侧摆的电机的转矩为T6。

所以：T6=87.33 N·m

设手腕俯仰的转动惯量为J5，物体重量90 kg，末端执行器重量30 kg，腕部俯仰部分重量20 kg，腕长215 mm。

J5=ml2

所以

J5=15.05 kg·m2

T5=87.621 1 N·m

同理可得

J4=15.31 kg·m2，T4=89.15 N·m

J3=70.19 kg·m2，T3=408.65 N·m

J2=460.1 kg·m2，T2=2 678.69 N·m

J1=1 327.02 kg·m2，T1=7 725.89 N·m 6.5.2 减速器的设计计算

根据上述计算，减速器输出的最小转矩分别为：

T1min=7 725.89 N·mT2min=2 678.69 N·m

T3min=408.65 N·mT4min=89.15 N·m

T5min=87.621 1 N·mT6min=87.33 N·m

假设加速器的传动效率为80%，选用减速比为29的减速器，电机需要输出力矩：

Tout=Tmini·η

则：T1out=333.02 N·m

T2out=115.46 N·m

T3min=17.62 N·m

T4min=3.84 N·m

T5min=3.78 N·m

T6min=3.76 N·m

根据安川伺服电机选型手册，3号伺服电机选用带减速机的伺服电机：SGMGH-30AAAJ76C，4-6号伺服电机可选用同一款带减速机的伺服电机：SGMGH-09AAAJ76C。

1号、2号转矩过大，普通电机及减速器无法满足要求，因此考虑选用谐波进行传动，从而增大电机的输出转矩。

假设加速器的传动效率为90%，选用减速比为100的谐波减速器，电机需要输出力矩：

T1out=85.58 N·m

T2out=29.76 N·m

因此1 号、2 号电机选用安川不带减速机伺服电机SGMGH-1EAAA4E，SGMGH-55AAA4E，减速器选用XB1-250型单级谐波传动减速器。

7 结语

针对国内生产线传统码垛作业存在的不足，设计出一种6 自由度码垛搬运机器人。该码垛机器人具有应用广泛、结构简单、易于维护、工作效率高等特点。本文对码垛搬运机器人机械系统组成进行了描述，并根据任务要求确定了码垛搬运机器人的参数，分配自由度，根据各个关节的优缺点，确定总体结构形式及传动方式，通过对机器人系统的驱动方式的分析，确立了机器人系统机构的驱动方式，整个系统采用伺服电机驱动方式。码垛搬运机器人的研究工作是一个复杂的过程，本文只是完成了最基本的机械系统设计，许多细节今后还需要多加完善。