重载码垛机器人总体设计(3)

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1.2 国内外研究状况

1.2.1 码垛机器人发展状况

1.2.2 并联码垛机器人发展综述

1.2.3 并联机器人的运动学建模

1.2.4 并联机器人的工作空间

1.3 课题任务

重载码垛机器人总要求：

搬运范围：径向 500mm～2000mm,铅直 0～3000mm,周向 -185°～+185°；搬运载荷：0.1～500kg；便于更换不同原理的取物器，且可在水平面内任何方向拾取物体。

具体设计工作如下： 1）依据参考构型图给定的总体布局，进行运动学分析，给出：a.满足搬运范围的具体工作空间，b.主要结构件尺度，c.二维并联机构伸缩杆原长及伸缩行程，d.关节间主要联结点位置尺寸； 2）进行受力分析，给出：伸缩杆最小截面尺寸建议，选择底端回转支承和末端回转轴承；

3）机器人总体三维实体造型；

4）具体设计底端回转部件和末端回转部件并绘制相应的工程图纸（Auto CAD）.

2 结构选择和运动学分析和尺寸综合

2.1.码垛机器人构型的选择

码垛作业任务如下：从生产线指定位置搬起物品，搬运物品至码垛目标区域，将物品按要求码放堆垛，之后进入下一次工作循环。针对码垛任务要求，对混联码垛机器人进行了结构设计，拟采用的方案是在一个机器人底座上装一个回转支承，回转支承上装一个回转支座，在回转支座上安装一台二维平动并联机构，再在其动平台上添加一个回转轴，安装抓取机械手。其中两维平动并联机构由两根电动伸缩杆和平行保持装置构成。

机器人主要由底座，回转支承，伸缩杆和末端抓取装置组成。底座为整个机器人本体的

基础，回转支承用来连接回转支座，伸缩杆可伸缩调整末端的位置。同时还设计了一个平行保持装置，使得末端抓取装置始终保持竖直状态。末端抓取装置拟采用一个回转轴外面加一个外壳，外壳上焊接一个耳与伸缩杆和平行连杆进行连接。

初步设计了如图 1 和图 2 的两种方案，均采用混联的结构，不同之处有两点，第一点是

回转支座的设计不同，图 1 是一个矩形块右侧再焊接一个耳，然后伸缩杆直接通过铰接的方式和耳相连接；图二为一个圆板上铸造两个矩形竖直板，中间焊接一个连接块增加刚度，矩形块再分别钻三组孔，孔中再通过几根轴构成三组转动副，伸缩杆通过矩形板中间的转动副与回转支座相连接。第二点不同之处是伸缩杆在左侧伸出的长度不同，图一中直接通过支座铰接，不伸出长度，图二在转动副的左侧还伸出一段长度。

分析两种方案的优缺点，图一的回转支座比图二的设计更为简单，加工难度更低，且在相同最大杆长，相同伸缩行程的伸缩杆的条件下，图一的工作区间的最大范围更大，而图二的回转支座设计更为复杂一点，但是在相同最大长度，相同伸缩行程的伸缩杆条件下，图二的杆的原长更小，也就是工作区间的最小范围更小；另外，由于左侧伸出了一段长度，可以平衡右端重物的一部分重量，使得回转支座的受力更加均匀一点，增加了回转支座的寿命。同时，由于增大最大工作区间可以通过增加杆的最大长度来实现，而减小最小工作区间则要通过减小原长来实现，减小原长的可实施性比增加最大长度要差，故综合考虑选择了图二的设计方案。文献综述

2.2 码垛机器人的运动学分析

2.2.1 作图法分析杆的最大长度和原长

首先任意选取伸缩杆与回转支座的连接位置，如图一所示，作两点的中轴线，分别以两个连接点为圆心作半径相同的圆，大圆和小圆均有交点，大圆半径代表杆的最大长度，小圆半径代表杆的原长，大圆重合的部分为两根杆均能到达的区域，两个小圆并起来的区域为杆到不了的区域，去掉多余的线，如图 2,小圆和大圆中间的区域，只考率坐标轴右侧的区域，那么该区域即为伸缩杆的工作区间。然后把规定的工作区间看作是一个矩形块，将矩形块往工作区间里面放，最优化的选择即为工作空间的利用率最大，根据对称的性质，作图可知当规定的空间正好也与作的中轴线对称且左侧与两小圆相切，右侧上下端正好与工作区间相交的时候，工作空间的利用率是最大的。