基于新型码垛机器人的结构设计与运动学分析
发表时间：2019-01-14T15:49:38.937Z 来源：《防护工程》2018年第31期作者：梁海龙
[导读] 该机器人结构设计合理，控制灵活，最大抓取载荷为100kg，工作能力达800次/h，完全满足工业现场的要求。广东利迅达机器人系统股份有限公司广东佛山 528251
摘要：码垛机器人是实现包装和物流自动化的关键装备，针对生产线上各种产品的码垛要求，实现自动、高速、准确、连续的码垛作业，降低工人劳动强度，提高生产效率，广泛应用于化工、建材、饮料、食品等行业生产线物料的堆放和搬运。
关键词：码垛机器人；结构设计；运动学；
码垛机器人是用在工业生产线上执行各种产品的获取、搬运、码垛、拆垛等任务的一类工业机器人，码垛机器人的使用能降低工人劳动强度，提高生产效率，降低生产成本。针对物流行业的搬运码放作业，文章设计了一种新型机器人机械结构，可使机器人码放货物更加准确、平稳，同时能够使机械臂实现轻量化，在同等条件下承载能力更强，提高了整机稳定性；运用解析几何法对该机器人的机构进行了详尽的运动学分析
一、新型码垛机器人的结构设计
1.总体机构的组成。码垛机器人的结构：该机器人的手臂，固定在腰部上，在该部分内小臂通过前大臂、后大臂与的搬运和码垛作业，且机械系统主要有四个关节部分组成，能实现四种运动：腰部旋转，大臂上下运动，小臂前后运动和手腕回转运动四种运动，全部由交流伺服电机驱动，这种结构的机器人完全可以满足生产线上需求。
2.水平及垂直关节的结构设计。水平及垂直关节部份都有一个电机，每个电机藉由控制同步带轮及齿型带的旋转来使滚珠丝杠转动，间而带动其滑块及拖板这样的运动可以使机器人实现大臂上下运动，小臂前后运动且可以满足驱动大惯性力矩负载和快速运动精确定位的要求。
3.腰部底座的结构设计。腰部底座关节机械构图，腰部底座的运动是藉由底部的伺服电机来控制空心轴，进而使机架实现了腰部旋转，并且经由实验证明底部基座及法兰的结构设计，可以降低机械关节运动时的工作噪音，而通常被搬运的物品只需要从一个位置，移到另一个位置上，绕垂直于水平方向的轴旋转调整放置方向，所以此结构满足现场工作的需求。
4.腕部及机器人手爪的结构设计。腕部关节及手爪机械构图，腕部电机控制手爪连接盘带动机器人手爪旋转，利用对箱状物机械手控制进行分析，该机构主要完成码垛操作中夹紧箱状物体的动作，机器人手爪底部安装气源入口及气源处理和压力继电器，工作时侧夹板开合由通电磁阀控制汽缸活塞杆缩回，带动两侧板互相靠近，从而完成夹紧动作，手爪板完全打开时，可以使张开的手爪之间的宽度大于包装箱的宽度，而另一个通电磁阀控制气缸实现手爪开合，以保证机械手的手爪准确、可靠地落于生产线运输辊之间或拖盘上。
二、运动学分析
1.工作原理。运动学分析是机器人轨迹规划和控制系统软件设计的前提和基础。码垛机器人一般采用点到点的运动模式，在开始码垛工作之前，需要先进行轨迹的规划，确定运动过程的路径点，使机器人能够准确、安全地将物品摆放到指定位置，避免打垛现象，轨迹规划是运动学反解的实际应用。码垛机器人主要由固定底座、回转台、大臂、小臂、抓手安装法兰、关节驱动电机、随动液压缸和连杆等组成，是具有4 个自由度的平行四边形机构混联工业机器臂俯仰、抓手旋转。由大臂驱动电机直接驱动大臂；由小臂驱动电机驱动小臂驱动件，通过平行四边形机构驱动小臂；另外还有2 个平行四边形机构用于使抓手安装法兰处始终保持水平，该结构的优点是可以减少一个驱动；抓手法兰可以根据各种工作场合安装相应的执行机构。码垛机器人完成一次码垛任务的典型工况如下：抓起上升→旋转到垛盘上→下降放到垛盘上。根据码垛任务的典型工况，拟定码垛任务如下：上升过程从工作空间的最低点到最高点→回转台旋转90°→下降过程从工作空间最高点到最低点。机器人的抓手根据实际作业对象进行选择，
2.基于码垛机器人运动学仿真。为准确地对执行末端进行分析求解，便于
系统对电机的控制，需要对机器人臂部进行运动分析。研究推导的基础上提出了一种简单直观的求解方法在机器人大小臂组合旋转的主剖面内设置一个固定的坐标系，在电机带动下沿轴方向水平运动两点分别为后大臂、前大臂与小臂的铰接点角为前大臂与水平轴的夹角。工业机器人运动学的研究包括2 个方面：运动学正解和运动学逆解。运动学正解是已知各杆件结构参数及关节变量，求末端执行器的空间位置和姿态。运动学逆解是已知满足工作要求时末端执行器的空间位置和姿态以及各杆件的结构参数，求各关节变量。工业机器人运动学分析时，常为机械手的每个连杆建立一个坐标系，并用齐次变换矩阵来描述这些坐标系间的相对位置和姿态。D － H 法是常用的建立杆件位姿关系的方法，该方法适用于串联机构，不能直接用于混联机器人。混联码垛机器人，如果采用D － H 法进行运动学分析，必须对其平行四边形机构进行简化。保持抓手安装法兰始终水平的2 个平行四边形可以简化，抓手安装法兰中心到小臂末端铰点的相对位置不变。因此，运动学仿真时，末端执行机构可以只计算到小臂末端铰点。驱动小臂的平行四边形可以通过移动驱动点的方式来进行简化。简化后的机构简图以及所建立的杆件坐标系码垛机器人执行码垛任务过程中，要使各个关节在停顿点冲击尽可能小，即在停顿点的角速度、角加速度尽可能为0，减小电机和机械部分的磨损。这就需要对点到点的码垛任务进行轨迹规划，再针对具体任务对运动学正反解进行仿真。采用多项式插值来实现点到点的轨迹规划，完全可以满足停顿点角速度、角加速度为0 的要求。机器人工具箱轨迹规划函数返回的为各个关节角位移、角速度、角加速度。采用运动学正解函数可以返回最后一个关节的坐标变化，即码垛机器人的运动轨迹；采用运动学逆解函数可以返回运动过程中各个关节的转角。
3.仿真结果与分析。运行仿真计算，进入后处理模块得到运动学仿真结果，并与运动学仿真得到的结果进行对比，动力学仿真得到的驱动电机所在关节处的驱动力矩当关节变量连续变化时，机器人末端执行器的位置坐标曲线平滑且连续，表明码垛机器人在运动过程中是平稳的。各关节在各停顿点的速度和角速度都为0，且整个过程平滑地变化，说明在整个运动过程中，节点冲击小、运动平稳；关节2、关节3 的最大速度接近最大角速度，但均未超过该最大值，说明完成码垛任务的时间已经接近最短。另外，运动学仿真结果有非常高的吻合度，数值仿真和模型仿真的正确性得到了相互验证，说明运动学仿真时对机构所做的简化对仿真结果没有影响，其为机器人动力学的仿真提供了可靠的模型。轨迹点的确定必须要在码垛机器人的最大工作空间内，这样才能保证按照工业需求摆放物品，避免机器人失控。根据确定的工作空间，判断时，只需要进行边缘点的判断，一旦发现有点不在工作空间内，就要重新设定码垛方式。
码垛机器人说明书
前言 本说明书阐述了此四自由度码垛机器人使用方法。请仔细阅读并理解此说明书后使用机器人。打开包装请先对照装箱清单检查配件是否齐全，若有遗漏请尽快与我们联系。
目录 概述............................................... 错误!未定义书签。机器人的搬运及安装................................. 错误!未定义书签。 警告标示....................................... 错误!未定义书签。 机器人安装环境................................. 错误!未定义书签。 机器人运动范围及安全围栏安装................... 错误!未定义书签。 机器人的搬运方法............................... 错误!未定义书签。 基座安装尺寸................................... 错误!未定义书签。 机器人端持器的安装............................. 错误!未定义书签。 气路连接....................................... 错误!未定义书签。机器人控制柜的搬运与安装........................... 错误!未定义书签。 注意事项....................................... 错误!未定义书签。 机器人控制箱安装环境........................... 错误!未定义书签。 机器人控制箱的内部电气接线..................... 错误!未定义书签。 机器人控制箱的搬运............................. 错误!未定义书签。 机器人控制箱的外部连接......................... 错误!未定义书签。机器人系统与生产线的连接........................... 错误!未定义书签。机器人操作方法..................................... 错误!未定义书签。 机器人的开关机.................................. 错误!未定义书签。 操作界面的认识.................................. 错误!未定义书签。 操作界面的使用方法.............................. 错误!未定义书签。常见故障分析及处理................................. 错误!未定义书签。 机器人无法运行................................. 错误!未定义书签。 机器人未按既定规划运行......................... 错误!未定义书签。 机器人系统提示“系统正在运行”................. 错误!未定义书签。机器人保养与维护................................... 错误!未定义书签。 机械部件的养护.................................. 错误!未定义书签。 控制系统的维护.................................. 错误!未定义书签。
码垛机器人应用程序说明 一、文件说明 该文件夹下4个主要文件如下： 1． 码垛仿真视频(包含工件).wmv是一层码垛的完整仿真视频， 该视频包含了工 件和传送带运动的仿真。 2． 机器人码垛视频（不含工件）.wmv是一层码垛工业机器人的仿真视频，仅包 含机器人运动。 3． Maduohuanjing.rspag是码垛机器人的仿真环境打包文件，读者可在此基础 上进行码垛练习。 4． maduoshili.rspag是一个示例程序，其工作过程如机器人码垛视频（不含 工件）.wmv所示。 二、示例程序解析 本示例程序完成的工作过程如下： 机器人上电后， 按下复位按钮， 机器人复位， 复位完成后， 发出复位完成信号。 机器人在接收到启动信号后， 运行到待抓取点， 同时传送带电机工作。当检测到工件到位信号后，机器人抓取工件（运行到抓取 点，气缸夹紧工件），检测到夹紧后，依次进行码垛（运行放置点，放下工件）。 IO信号配置如表1所示。 表 1 IO 信号配置表 Name Type of Signal Assigned to uni Unit mapping 信号注释 Di0 Digital input Board10 0 复位信号 Di1 Digital input Board10 1 启动信号 Di2 Digital input Board10 2 工件到位信号 Di3 Digital input Board10 3 夹紧信号 Di4 Digital input Board10 4 松开信号 Do0 Digital output Board10 32 复位完成信号 Do1 Digital output Board10 33 电机运行信号 Do2 Digital output Board10 34 气缸工作 该程序中，设置了左右2个工件坐标系，通过在1个坐标系下示教定位， 实现另外一个坐标系的定位。参考程序如下。 PROC main() WaitDI di0, 1? MoveJ phome, v1000, z10,tool0? Set do0? WaitDI di1, 1? MoveL p10, v1000, z10,tool0? Set do1? WaitDI di2, 1? MoveL p20, v1000, z10,tool0? Set do2? WaitDI di3, 1?
第2章机器人位置运动学 2.1 引言 本章将研究机器人正逆运动学。当已知所有的关节变量时，可用正运动学来确定机器人末端手的位姿。如果要使机器人末端手放在特定的点上并且具有特定的姿态，可用逆运动学来计算出每一关节变量的值。首先利用矩阵建立物体、位置、姿态以及运动的表示方法，然后研究直角坐标型、圆柱坐标型以及球坐标型等不同构型机器人的正逆运动学，最后利用Denavit-Hartenberg(D-H)表示法来推导机器人所有可能构型的正逆运动学方程。 实际上，机器手型的机器人没有末端执行器，多数情况下，机器人上附有一个抓持器。根据实际应用，用户可为机器人附加不同的末端执行器。显然，末端执行器的大小和长度决定了机器人的末端位置，即如果末端执行器的长短不同，那么机器人的末端位置也不同。在这一章中，假设机器人的末端是一个平板面，如有必要可在其上附加末端执行器，以后便称该平板面为机器人的“手”或“端面”。如有必要，还可以将末端执行器的长度加到机器人的末端来确定末端执行器的位姿。 2.2 机器人机构 机器手型的机器人具有多个自由度（DOF），并有三维开环链式机构。 在具有单自由度的系统中，当变量设定为特定值时，机器人机构就完全确定了，所有其他变量也就随之而定。如图2.1所示的四杆机构，当曲柄转角设定为120°时，则连杆与摇杆的角度也就确定了。然而在一个多自由度机构中，必须独立设定所有的输入变量才能知道其余的参数。机器人就是这样的多自由度机构，必须知道每一关节变量才能知道机器人的手处在什么位置。
图2.1 具有单自由度闭环的四杆机构 如果机器人要在空间运动，那么机器人就需要具有三维的结构。虽然也可能有二维多自由度的机器人，但它们并不常见。 机器人是开环机构，它与闭环机构不同（例如四杆机构），即使设定所有的关节变量，也不能确保机器人的手准确地处于给定的位置。这是因为如果关节或连杆有丝毫的偏差，该关节之后的所有关节的位置都会改变且没有反馈。例如，在图2.2所示的四杆机构中，如果连杆AB 偏移，它将影响2O B 杆。而在开环系统中（例如机器人），由于没有反馈，之后的所有构件都会发生偏移。于是，在开环系统中，必须不断测量所有关节和连杆的参数，或者监控系统的末端，以便知道机器的运动位置。通过比较如下的两个连杆机构的向量方程，可以表示出这种差别，该向量方程表示了不同连杆之间的关系。 1122O A AB OO O B +=+ （2.1） 11O A AB BC OC ++= （2.2） 可见，如果连杆AB 偏移，连杆2O B 也会相应地移动，式（2.1）的两边随连杆的变化而 改变。而另一方面，如果机器人的连杆AB 偏移，所有的后续连杆也会移动，除非1O C 有其他方法测量，否则这种变化是未知的。 为了弥补开环机器人的这一缺陷，机器人手的位置可由类似摄像机的装置来进行不断测 量，于是机器人需借助外部手段（比如辅助手臂或激光束）来构成闭环系统。或者按照常规做法，也可通过增加机器人连杆和关节强度来减少偏移，采用这种方法将导致机器人重量重、
基于新型码垛机器人的结构设计与运动学分析 发表时间：2019-01-14T15:49:38.937Z 来源：《防护工程》2018年第31期作者：梁海龙 [导读] 该机器人结构设计合理，控制灵活，最大抓取载荷为100kg，工作能力达800次/h，完全满足工业现场的要求。广东利迅达机器人系统股份有限公司广东佛山 528251 摘要：码垛机器人是实现包装和物流自动化的关键装备，针对生产线上各种产品的码垛要求，实现自动、高速、准确、连续的码垛作业，降低工人劳动强度，提高生产效率，广泛应用于化工、建材、饮料、食品等行业生产线物料的堆放和搬运。 关键词：码垛机器人；结构设计；运动学； 码垛机器人是用在工业生产线上执行各种产品的获取、搬运、码垛、拆垛等任务的一类工业机器人，码垛机器人的使用能降低工人劳动强度，提高生产效率，降低生产成本。针对物流行业的搬运码放作业，文章设计了一种新型机器人机械结构，可使机器人码放货物更加准确、平稳，同时能够使机械臂实现轻量化，在同等条件下承载能力更强，提高了整机稳定性；运用解析几何法对该机器人的机构进行了详尽的运动学分析 一、新型码垛机器人的结构设计 1.总体机构的组成。码垛机器人的结构：该机器人的手臂，固定在腰部上，在该部分内小臂通过前大臂、后大臂与的搬运和码垛作业，且机械系统主要有四个关节部分组成，能实现四种运动：腰部旋转，大臂上下运动，小臂前后运动和手腕回转运动四种运动，全部由交流伺服电机驱动，这种结构的机器人完全可以满足生产线上需求。 2.水平及垂直关节的结构设计。水平及垂直关节部份都有一个电机，每个电机藉由控制同步带轮及齿型带的旋转来使滚珠丝杠转动，间而带动其滑块及拖板这样的运动可以使机器人实现大臂上下运动，小臂前后运动且可以满足驱动大惯性力矩负载和快速运动精确定位的要求。 3.腰部底座的结构设计。腰部底座关节机械构图，腰部底座的运动是藉由底部的伺服电机来控制空心轴，进而使机架实现了腰部旋转，并且经由实验证明底部基座及法兰的结构设计，可以降低机械关节运动时的工作噪音，而通常被搬运的物品只需要从一个位置，移到另一个位置上，绕垂直于水平方向的轴旋转调整放置方向，所以此结构满足现场工作的需求。 4.腕部及机器人手爪的结构设计。腕部关节及手爪机械构图，腕部电机控制手爪连接盘带动机器人手爪旋转，利用对箱状物机械手控制进行分析，该机构主要完成码垛操作中夹紧箱状物体的动作，机器人手爪底部安装气源入口及气源处理和压力继电器，工作时侧夹板开合由通电磁阀控制汽缸活塞杆缩回，带动两侧板互相靠近，从而完成夹紧动作，手爪板完全打开时，可以使张开的手爪之间的宽度大于包装箱的宽度，而另一个通电磁阀控制气缸实现手爪开合，以保证机械手的手爪准确、可靠地落于生产线运输辊之间或拖盘上。 二、运动学分析 1.工作原理。运动学分析是机器人轨迹规划和控制系统软件设计的前提和基础。码垛机器人一般采用点到点的运动模式，在开始码垛工作之前，需要先进行轨迹的规划，确定运动过程的路径点，使机器人能够准确、安全地将物品摆放到指定位置，避免打垛现象，轨迹规划是运动学反解的实际应用。码垛机器人主要由固定底座、回转台、大臂、小臂、抓手安装法兰、关节驱动电机、随动液压缸和连杆等组成，是具有4 个自由度的平行四边形机构混联工业机器臂俯仰、抓手旋转。由大臂驱动电机直接驱动大臂；由小臂驱动电机驱动小臂驱动件，通过平行四边形机构驱动小臂；另外还有2 个平行四边形机构用于使抓手安装法兰处始终保持水平，该结构的优点是可以减少一个驱动；抓手法兰可以根据各种工作场合安装相应的执行机构。码垛机器人完成一次码垛任务的典型工况如下：抓起上升→旋转到垛盘上→下降放到垛盘上。根据码垛任务的典型工况，拟定码垛任务如下：上升过程从工作空间的最低点到最高点→回转台旋转90°→下降过程从工作空间最高点到最低点。机器人的抓手根据实际作业对象进行选择， 2.基于码垛机器人运动学仿真。为准确地对执行末端进行分析求解，便于 系统对电机的控制，需要对机器人臂部进行运动分析。研究推导的基础上提出了一种简单直观的求解方法在机器人大小臂组合旋转的主剖面内设置一个固定的坐标系，在电机带动下沿轴方向水平运动两点分别为后大臂、前大臂与小臂的铰接点角为前大臂与水平轴的夹角。工业机器人运动学的研究包括2 个方面：运动学正解和运动学逆解。运动学正解是已知各杆件结构参数及关节变量，求末端执行器的空间位置和姿态。运动学逆解是已知满足工作要求时末端执行器的空间位置和姿态以及各杆件的结构参数，求各关节变量。工业机器人运动学分析时，常为机械手的每个连杆建立一个坐标系，并用齐次变换矩阵来描述这些坐标系间的相对位置和姿态。D － H 法是常用的建立杆件位姿关系的方法，该方法适用于串联机构，不能直接用于混联机器人。混联码垛机器人，如果采用D － H 法进行运动学分析，必须对其平行四边形机构进行简化。保持抓手安装法兰始终水平的2 个平行四边形可以简化，抓手安装法兰中心到小臂末端铰点的相对位置不变。因此，运动学仿真时，末端执行机构可以只计算到小臂末端铰点。驱动小臂的平行四边形可以通过移动驱动点的方式来进行简化。简化后的机构简图以及所建立的杆件坐标系码垛机器人执行码垛任务过程中，要使各个关节在停顿点冲击尽可能小，即在停顿点的角速度、角加速度尽可能为0，减小电机和机械部分的磨损。这就需要对点到点的码垛任务进行轨迹规划，再针对具体任务对运动学正反解进行仿真。采用多项式插值来实现点到点的轨迹规划，完全可以满足停顿点角速度、角加速度为0 的要求。机器人工具箱轨迹规划函数返回的为各个关节角位移、角速度、角加速度。采用运动学正解函数可以返回最后一个关节的坐标变化，即码垛机器人的运动轨迹；采用运动学逆解函数可以返回运动过程中各个关节的转角。 3.仿真结果与分析。运行仿真计算，进入后处理模块得到运动学仿真结果，并与运动学仿真得到的结果进行对比，动力学仿真得到的驱动电机所在关节处的驱动力矩当关节变量连续变化时，机器人末端执行器的位置坐标曲线平滑且连续，表明码垛机器人在运动过程中是平稳的。各关节在各停顿点的速度和角速度都为0，且整个过程平滑地变化，说明在整个运动过程中，节点冲击小、运动平稳；关节2、关节3 的最大速度接近最大角速度，但均未超过该最大值，说明完成码垛任务的时间已经接近最短。另外，运动学仿真结果有非常高的吻合度，数值仿真和模型仿真的正确性得到了相互验证，说明运动学仿真时对机构所做的简化对仿真结果没有影响，其为机器人动力学的仿真提供了可靠的模型。轨迹点的确定必须要在码垛机器人的最大工作空间内，这样才能保证按照工业需求摆放物品，避免机器人失控。根据确定的工作空间，判断时，只需要进行边缘点的判断，一旦发现有点不在工作空间内，就要重新设定码垛方式。
码垛机器人简要教程青岛宝佳自动化设备有限公司
码垛机器人简要教程 一、上电 主电器柜上电后，将机器人控制柜上的电源开关由OFF顺时针拨到ON。 二、机器人控制柜上电后，首先观察机器抓手的位置，若是正常工 作突然断电的情况，重新上电，自动状态启动后，机器人会按断电前的工作状态继续工作。若是程序要重新从第0步运行的话，机械手必须位于两个辊道抓取区的位置之一，否则程序无法运行，需手动将抓手运行到位（输出O36或O37亮）。 三、手动将抓手运行到位 将控制柜和示教器上的自动/手动控制开关都打到手动位置， 1、将抓手运行到1#位：手动将抓手运行到1#辊道抓取区上 端，然后调入100#程序，手动运行第3行程序（输出O34亮），然后运行到第5行程序，将抓手运行到位（输出O36亮）。 2、将抓手运行到2#位：手动将抓手运行到2#辊道抓取区上 端，然后调入100#程序，手动运行第7程序（输出O35亮）， 然后运行到第9行程序，将抓手运行到位（输出O37亮）。四、退出100#程序。将控制柜和示教器上的自动/手动控制开关都 打到自动位置，调入50#码垛主程序运行。 五、送入托盘、满托盘铲走后、辊道线停止重新启动都需要按绿色
启动按钮码垛才能开始。 六、若是码垛过程中出现特殊情况，急停后，需要手动移动机器手 离开急停时的位置，若还要继续码垛，必须记住急停时抓手所处位置，不能调用100#程序移动抓手，只能用手动方式移动抓手，处理完后，用手动方式将抓手移动到急停时的位置，再转到自动方式继续进行码垛，否则，必须将已码垛托盘铲走（未满托盘，两边托盘都铲走），50#主程序从第0步开始运行，码垛重新开始。 七、通过通用输入信号监视器查看托盘数和托盘检测光电传感器 的信号输入是否正确，检查两个安全光电传感器信号输入是否正确。检查辊道输送线控制触摸屏上的辊道线工作状态及光电传感器的输入信号是否和实际情况正确对应。 八、若抓手抓取工件的基准位置和辊道上端位置变化，首先依次将 抓手移动到四个位置，同时将四个原始位置在100#程序中进行更改，即100#程序的四个轨迹点: 1 Convyer1 upside（输出信号O34）、 2 Convyer1 clamp position（输出信号O36） 3 Convyer2 upside（输出信号O35） 4 Convyer1 clamp position（输出信号O37） 更改保存后，通过100#程序依次运行到4个点，将6个码垛子程序（1、2、3、5、6、7）中相应的轨迹点都进行更改。 若码垛中间过渡点（为防止碰撞辊道设置的轨迹点）需要更改：1#码垛区为5 Convyer1 Outside，将1、2、3三个子程序中相应
码垛机器人设计_毕业设计说明书 目录 第一章绪论 (1) 1.1课题的背景、来源及意义 (1) 1.2码垛机器人的发展进程及发展趋势 (2) 1.3课题的设计内容 (2) 第二章码垛机器人总体结构设计 (4) 2.1方案的确定 (4) 2.2总体设计思路 (6) 第三章码垛机器人腕部和腰部设计 (7) 3.1码垛机器人腕部设计 (7) 3.1.1 减速机的计算与选型 (7) 3.1.2联轴器的计算与选型 (8) 3.1.3轴承的选型 (10) 3.2码垛机器人腰部设计 (11) 3.2.1腰部电机选型 (11) 3.2.2腰部联轴器计算选型 (12) 3.3本章小结 (13) 第四章码垛机器人手臂结构及其驱动系统设计 (14) 4.1平面机构受力分析 (14) 4.2手臂关节轴承的选型与校核 (15) 4.3销轴校核 (16) 4.3.1 后大臂与支架销轴联接校核 (16) 4.3.2 后大臂与小臂销轴联接校核 (17) 4.3.3 前大臂与支架销轴联接校核 (17) 4.3.4 前大臂与小臂销轴联接校核 (18) 4.3.5 其它销轴联接校核 (18) 4.4竖直滚珠丝杠螺母副的计算与选型 (19) 4.4.1 最大工作载荷的计算 (19) 4.4.2 最大动载荷的计算 (19) 4.4.3 初选滚珠丝杠副型号 (20) 4.4.4 传动效率计算 (20) 4.4.5刚度的验算 (21)
内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 4.4.6压杆稳定性校核 (22) 4.5水平滚珠丝杠螺母副的计算与选型 (23) 4.5.1最大工作载荷的计算 (23) 4.5.2最大动载荷的计算 (23) 4.5.3初选滚珠丝杠副型号 (24) 4.5.4 传动效率计算 (24) 4.5.5刚度的验算 (24) 4.5.6压杆稳定性校核 (26) 4.6水平滚动导轨副的计算选型 (26) 4.6.1滑块承受工作载荷的计算及导轨型号的选择 (26) 4.6.2额定行程寿命的计算 (28) 4.7竖直滚动导轨副的计算选型 (30) 4.7.1滑块承受工作载荷的计算及导轨型号的选择 (30) 4.7.2.额定行程寿命L的计算 (30) 第五章 PRO/E建模和仿真 (32) 5.1主要部件建模及其简介 (32) 5.1.1轴承建模的主要过程 (32) 5.1.2 机器人的主要部件及装配模型 (35) 5.2三维机构运动仿真的基本介绍 (37) 5.2.1 机构运动仿真的特点 (37) 5.2.2 机构运动仿真的工作流程 (37) 5.2.3 机构仿真运动装配连接的概念及定义 (37) 5.2.4 机构的仿真运动 (38) 第六章 ANSYS有限元分析 (40) 结论 (46) 参考文献 (47) 谢辞 (48)
码垛机器人 摘要：随着我国经济的持续发展和科学技术的突飞猛进，使得机器人在码垛、 涂胶、点焊、弧焊、喷涂、搬运、测量等行业有着相当广泛的应用。 现在有很多个原因，包括包装的种类、工厂环境和客户需求等将码垛变成包装工厂里一块难啃的骨头。为了克服这些困难，码垛设备的各个方面都在发展改进，包括从机械手到操纵它的软件。最近市场上对灵活性的需求不断增长，这一个趋势已经影响到了包装的多个方面，生产线的后段也不例外。一个处理随机装载的机器人码垛机需要特殊的软件，通过软件，机器人码垛机与生产线的其他部分相连接，这是个巨大的进步。 关键词：码垛，机器人，装载，生产线; 一、码垛机器人简介 最近市场上对灵活性的需求不断增长，这一个趋势已经影响到了包装的多个方面，生产线的后段也不例外。零售客户，尤其是那些具有影响力的如沃尔玛一样的大型超市，经常需要定制一些随机货盘，但是他们不得不定制每一个货盘，而货盘的形式只是偶尔会有重复。而且这类随机的货盘的高效生产是比较困难的。对于随机货盘来说，码垛机器人是唯一的选择。尽管如此，机器人装载也面临比较多的问题，如果要以较高的速度进行生产，将更加困难重重。 二、码垛机器人设计 首要任务是根据机器人所要完成的工作，先确定机器人的结构组成。可以是龙门式，挂壁安装式等。再按工作要求所给出各轴的运动行程、负载、运动速度、加速度，动作周期来选每个运动轴直线运动单元的型号，所配驱动电机及所配精密行星减速机的型号。 下图是一个典型的三维机器人码垛的现场布置情况。 下面即以此系统为例对沈阳鼎冷机电码垛机器人进行深入的阐述 此码垛机器人是应用箱体码垛搬运工作上的。 三、生产线路：
分类号 密级 毕业设计(论文) 码垛机器人设计 所在学院机械与电气工程学院 专业机械设计制造及其自动化 班级11机自x班 姓名 学号 指导老师 2015年3月31日 1
摘要 机器人码垛机非常适合用于柔性包装流水线，大大缩短了包装周期时间。具有极高的精度，再加上卓越的传送带跟踪性能，不论是固定位置操作，还是运动中操作，其拾放精度均为一流。体积小、速度快，配有全套辅助设备（从集成式空气与信号系统至抓料器）。可配套使用包装软件，机械方面集成简单，编程更是十分方便。从效率上说，码垛机器人不仅能承担高负重，而且速度和质量远远高于人工。 关键词：机器人，码垛 II
Abstract The robot palletizer is very suitable for the flexible packaging production line, greatly shorten the cycle time of packaging. With high precision, and excellent tracking performance of conveyor belt, whether fixed position operation, or movement in the operation, the pick and place precision are first-class. Small size, fast speed, equipped with a full set of auxiliary equipment (from the integrated air and signal system to catch feeder). Supporting the use of packaging machinery integration software, simple programming, it is very convenient. From the efficiency, palletizing robot can not only bear the high load, and the speed and quality is much higher than that of artificial. Key Words:palletizer 3
第一章系统结构 系统由三台伺服电机完成，其中一台作为旋转轴，用NSK直驱电机驱动；两外两台作为水平轴和垂直轴，用台达伺服电机驱动。 现分别采用三个接近开关作为三个轴原点回归的JOG近点信号。 第二章控制方式 1、伺服驱动器设置： 台达驱动器设置为PT控制模式，即外部脉冲+方向控制，并将DI1 与DI2功能设为伺服启动与异常重置；NSK将PC参数设为1（外部 脉冲/方向）。 2、台达驱动器包括2个输入点，另外包括输入脉冲/方向的CN1端 子3个；NSK驱动器包括6个输入点 台达驱动器输入点NSK驱动器输入点 DI1 伺服启动CN端子7伺服启动 DI2 异常重置CN端子4解除警报 CN端子22输入/方向信号+（CW+）CN1端子35 Sign 端指令脉波的 外加电源 CN1端子37 位置指令符号(－) CN端子23输入/方向信号—（CW—）CN1端子41 位置指令脉波(－) CN端子24输入/脉冲信号+（CCW+） CN端子25输入/脉冲信号—（CCW—）3参数设定 NSK中需要整定的伺服参数包括： 名称注释当前设定值
LO 负载惯量0.019 VG 速度比例增益 2.2 PG 位置比例增益0.002 SG 伺服增益0 FP 第一低通滤波频率200 FS 第二低通滤波频率200 注：详细参数参照参数一览表。 注：参数整定流程见操作手册第5章 注：LO的设定一般采用自动整定AT—OK完成，详见简明操作手册。 第三章PLC I/O点分配 1、输入： X11 Z轴JOG信号 X12 Y轴JOG信号 X16 X轴JOG信号 2、输出： Y0 Z轴高速脉冲Y10Y轴伺服启动 Y1 Z轴方向Y11Y轴异常重置 Y4 Y轴高速脉冲Y14X轴伺服启动 Y5 Y轴方向Y15X轴异常重置 Y6 X轴高速脉冲Y20Z轴伺服启动 Y7 X轴方向Y21Z轴异常重置
机器人简易操作说明 1. 机器人左边为一线（L1），右边为二线(L2)。 2机器人每次停关机时要按“停止”之后再将电柜门上的旋转按钮打到“手动状态”，把触摸屏上的“急停”按钮也按下去，然后再切断主电源。 3开机流程；打开电柜主电源—按下电源启动按钮(控制柜上绿灯亮)—电柜门上的旋转按钮打到“自动”—然后点击“回归原点”，原点回归之后，显示码垛准备状态，再点击—“开始”—“继续”—“托盘数量检测”（观察与实际放的托盘数量是否一致，不一致要进行手动修改，修改好再按—“继续”，然后按下护栏上对应的复位按钮（先按哪个复位按钮，就先从哪边码垛），这时机器人跟输送线都处在自动工作中。 4机器人开机之后如果出现报警，如（系统气压过低，就要检查压力开关上的气压是否达到设定值），符合要求之后，再按“复位”之后把电柜门上的按钮打到“自动”，系统会提示未寻找原点，点击开始，机器人就自动回归原点，原点回好之后，会出现码垛准备中，再检查是不是该码第一层第一步，这时机器人电柜门上的按钮打到手动状态，点击触摸屏“数据载入”选项，将步数和层数都改为1即可，改好之后要一直按保存按钮，直到出现数据保存成功，再按返回按钮，然后按钮打到自动，点击开始，然后按下
护栏上的复位按钮，机器人就进入自动码垛工作状态。（记住，这时打到自动后点击“开始”之后会提示“继续”，在这个画面看一下，“托盘数量是否正确”，如果显示与实际放的数量不符，点击“修改”，改成正确的托盘数量即可） 5在护栏上有闯入光电，每边一个按钮盒按钮即复位按钮，在机器人自动码垛过程中不可以有人闯入码垛区的，护栏上的光电一但被遮挡住，机器人就会停止下来（为安全考虑，机器人在自动码垛时，绝不允许人员的进入，否则会有危险！有人员遮住护栏上的闯入光电，机器人就会报警，并停止自动码垛。如果闯入，机器人会报“1#码垛区安全门非正常闯入”“2#码垛区安全门非正常闯入”画面，这时必须在触摸屏上点击复位，会出现“开始”，点击开始，显示“一线二线的托盘数量”，如果正确，点击“继续”，然后按下护栏上的“复位按钮”.（这个报警画面必须在触摸屏上复位，如果不在触摸屏上点击复位，直接按复位按钮是没有作用的！） 6在正常码垛过程中如果出现码包的数量不满一托盘的时候，等最后一包抓完，看如果是一线就按下触摸屏左下角L1按钮，触摸屏会自动显示第一层第一步，要是二线则按L2按钮，也显示第一层第一步，然后机器人电柜上的绿色指示灯会闪烁，蜂鸣器也会响，这时叉车师傅方可进
电子科技大学 实验报告 学生姓名： 一、实验室名称：机电一体化实验室 二、实验项目名称：实验三SCARA 学号： 机器人的运动学分析 三、实验原理： 机器人正运动学所研究的内容是：给定机器人各关节的角度，计算机器人末端执行器相对于参考坐标系的位置和姿态问题。 各连杆变换矩阵相乘，可得到机器人末端执行器的位姿方程（正运动学方程） 为： n x o x a x p x 0T40T1 11T2 22T3 d3 n y o y a y p y （ 1-5）3T4 4= o z a z p z n z 0001 式 1-5 表示了 SCARA 手臂变换矩阵0 T4，它描述了末端连杆坐标系{4} 相对基坐标系 {0} 的位姿，是机械手运动分析和综合的基础。 式中： n x c1c2c4s1 s2 c4 c1 s2s4s1 c2 s4，n y s1c2 c4c1 s2 c4s1 s2 s4c1c2 s4 n z0 ， o x c1c2 s4s1 s2 s4 c1 s2 c4s1c2c4 o y s1c2 s4c1 s2 s4s1 s2 c4c1c2c4 o z0 ， a x0 ， a y0 ， a z1 p x c1 c2 l2s1s2l 2c1l 1， p y s1c2 l 2 c1 s2 l 2 s1l1， p z d3 机器人逆运动学研究的内容是：已知机器人末端的位置和姿态，求机器人对应于这个位置和姿态的全部关节角，以驱动关节上的电机，从而使手部的位姿符合要求。与机器人正运动学分析不同，逆问题的解是复杂的，而且具有多解性。
1）求关节 1： 1 A arctg 1 A 2 l 12 l 22 p x 2 p y 2 arctg p x 式中：A p x 2 ； p y 2l 1 p y 2 2）求关节 2： 2 r cos( 1 ) arctg ) l 1 r sin( 1 式中 ： r p x 2 p y 2 ；arctg p x p y 3). 求 关节变 量 d 3 令左右矩阵中的第三行第四个元素（3.4）相等，可得： d 3 p z 4). 求 关节变 量 θ 4 令左右矩阵中的第二行第一个元素（1.1,2.1 ）相等，即： sin 1 n x cos 1n y sin 2 cos 4 cos 2 sin 4 由上式可求得： 4 arctg ( sin 1 n x cos 1 n y )2 cos 1 n x sin 1 n y 四、实验目的： 1. 理解 SCARA 机器人运动学的 D-H 坐标系的建立方法； 2. 掌握 SCARA 机器人的运动学方程的建立； 3. 会运用方程求解运动学的正解和反解； （ 1-8） （ 1-9） （ 1-10 ）
PROC main( Label1: Inital; WHILETRUEDO Pick; Pallet; IF pndi13_diection_selet = 1 THEN Pallet; ELSE Pallet_vert; ENDIF IF nCount = Totality THEN MoveLpHome, v800, fine, tool0; PulseDO\PLength:=1, pndo10_palletOK_part; IF pndi12_palletOK_all = 1 THEN PulseDO\PLength:=1, pndo11_palletOK_all; Stop; ENDIF GOTO Label1;
ENDIF ENDWHILE ENDPROC PROC Inital( MoveJpHome, v600, fine, tool0; Totality :=n_Totality; Row :=n_Row; Height := 1; Y := 1; H1 := 1; H2 := 1; nCount := 0; PulseDO\PLength:=0.5, do00_tuici; Reset do00_tuici; Reset do01_shangci; Reset pndo09_pick_ok; Reset pndo10_palletOK_part; Reset pndo11_palletOK_all; ENDPROC
PROC Pallet( MoveL pPlace_safe10, v600, z100, tool0; MoveJ pPlace_safe30, v600, z100, tool0; pPlace := pPlace_base; IF Height MOD 2 = 1 THEN pPlace := Offs(pPlace,X_offser,Y_offser - (Y - 1 * 61,Z_offser + (H1 - 1 * 28; ELSE pPlace := Offs(pPlace,X_offser,Y_offser + 15 - (Y - 1 * 61,Z_offser + (H2 - 1 * 26; ENDIF MoveLOffs(pPlace,0,0,50, v300, fine, tool0\WObj:=wobj_place; MoveLpPlace, v20, fine, tool0\WObj:=wobj_place; PulseDO\PLength:=1, do00_tuici; WaitTime 1; WaitDI di01_tuici_OK, 1; MoveLOffs(pPlace,0,0,300, v300, z30, tool0\WObj:=wobj_place; MoveL pPlace_safe30, v600, z50, tool0; IncrnCount; IF Y = Row THEN
本 科 毕 业 论 文（设 计） 题目（中文 学学 完 成 日 期 2017 年 3 月
摘要 当今世界，工业化日趋成熟，机器人被广泛的应用于各行各业，最常用到的有四自由度，六自由度机器人。其中，自动化水平较高的汽车制造业和电子装配业经常常常要使用到六自由度机器人。因此对其实施运动学分析，是进行科学设计的基础，也是降低机器人生产成本，优化机器人运动轨迹的前提。此外，运动分析过程有效的模拟了机器人运动的真实情况，有助于提供有效可行的优化方案。本文主要探讨六自由度机器人的运动分析，基于经典运动学以及动力学的研究方法概念，首先通过solidworks做出机械臂各部分零件的三维图，然后通过SolidWorks装配出六自由度机器人机械臂的三维模型。通过该模型，选取其中一个关节和底座，并用SolidWorks进行运动学分析，对六自由度机器人的运动学和动力学计算方法进行了仿真验证。最后得到六自由度机器人的其中一个自由度的运动仿真实例。通过对该运动仿真实例的分析，得出最佳优化方案，优化机器人的运动轨迹提高机器人的工作效率，降低机器人生产成本。 关键词：六自由度机器人；运动分析；运动学；动力学；
目录 摘要 ...................................................................................................................... I Abstract ............................................................................... 错误！未定义书签。 1 绪论 (1) 1.1课题背景及研究的目的和意义 (1) 1.2机器人国内外发展现状及前景展望--------------------------1 2 六自由度机器人运动学分析 (3) 2.1六自由度机器人的结构-------------------------------------1 2.2运动学分析----------------------------------------------1 3 六自由度机器人动力学分析 (5) 3.1综述----------------------------------------------------3 3.2机器人动力学研究方法------------------------------------3 3.2.1几项假设-------------------------------------------3 3.2.2目标-----------------------------------------------4 3.2.3数学工具-------------------------------------------5 3.3动力学原理----------------------------------------------3 3.3.1动量矩定理---------------------------------------------------------------6 3.3.2能量守恒定理--------------------------------------6 3.3.3牛顿—欧拉方程------------------------------------7 3.3.4达朗贝尔原理--------------------------------------8 3.3.5拉格朗日方程--------------------------------------9 4 六自由度机器人运动分析 (8) 4.1运动分析的软件背景---------------------------------------3 4.2运用solidworks建立六度机器人机械臂三维模型--------------9 4.3运用Solidworks对进行运动学分析-------------------------4 5 结论 (14)
码垛机器人使用说明 非常感谢贵公司购买码垛机器人。 本系统是将上流传送带传送过来的产品按一定的堆放形状放置到托盘上的码垛机器人设备。 1.功能概述 为适应我国在石油、化工领域的快速发展，我们在吸收国外先进技术的基础上，自主开发了RB200型垂直多关节型机器人。 RB200型码垛机器人是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种规定作业的机电一体化生产设备。其主要由机械本体、伺服驱动系统、手臂机构、末端执行器（抓手）、末端执行器姿态调节机构以及检测机构等构成，它根据不同的物料包装、堆垛顺序、层数要求等进行参数设置，实现不同类型物料包装的码垛作业。 2.码垛机器人与传统机械式码垛机比较,特点如下: 2.1.结构简单、零部件少。因此零部件的故障率低、性能可靠、保养维修简单、所需库 存零部件少。 2.2.占地面积小。有利于客户厂房的总体布置，并可留出较大的库房面积。 2.3.适用性强。当客户产品的尺寸、体积、形状及托盘的外形尺寸发生变化时只需在触 摸屏上稍做修改即可，不会影响客户的正常的生产，甚至一台码垛机器人可同时对两条包装不同物料的生产线进行码垛操作。 2.4.能耗低。传统机械式码垛机的功率在26kW左右，而码垛机器人的功率为10kW，能大 大降低客户的长期运行成本。 3.主要技术特点： 3.1.码垛机器人具有4个自由度，分别为手臂的两个关节沿垂直轴、水平轴作直线运动， 机械本体和抓手绕各自的回转轴作回转运动。 3.2.手臂采用平行四边形连杆机构，由伺服电机通过带轮、同步带、滚珠丝杠、直线导 轨驱动，并采用末端执行器姿态调节机构，使末端执行器（抓手）实现垂直轴、水平轴无藕合线性运动。 3.3.机械本体用于承载手臂机构及其驱动机构，机械本体安装在交叉滚子轴承上，由伺 服电机通过精密摆线减速机驱动，实现码垛机器人在水平面内的回转作业。
机器人码垛机操作规程 一、设备操作员 1.设备操作员是最熟悉设备的人，为了更好的使用和维护设备，设备操作员应具有一定的机械和电气方面的知识，有一定编程基础的更好。 2.设备操作员应知道设备上每一个按钮、阀门、光电、气缸、电机等主要部件的作用，知道此部件由谁控制或它控制谁，故障出现时，能快速地通过故障现象分析原因，想到可能出现问题的部件及解决办法。排除故障的速度是一个设备操作员熟练程度的表现。 3.操作人员应该认真执行设备操作规程，保证设备正常运转，减少故障，防止事故发生。 4.设备操作员的基本任务有：设备的日常维护、操作设备前对设备现场清理、设备运行状态检查、常见故障排除、做好交接班工作和记录等。 二、设备介绍 一楼的码垛设备包括机器人码垛机和供栈机、栈板线、进箱线AB和控制设备等辅助设备。码垛机负责为A、B两条线码垛，A线为1.8L、0.9L线，B线为5L线。栈板线从供栈机开始依次包括出栈线、送栈线、码垛线A、码垛线B。控制设备包括控制箱和控制柜，控制箱配合示教盘共同控制机器人码垛机，控制柜控制其他辅助设备以及码垛机的启动。
三、设备按钮操作说明 1.控制箱 操作面板上的按钮从左到右、从上到下的顺序依次为： 方式开关——可进行自动（AUTO）与手动（T1、T2）的切换，其中T2操作时速度较快不易控制，不熟练时手动操作建议使用T1。切换时需插入钥匙。 异常恢复（FAULT RESET）——当有异常状况时报警灯会亮，排除异常后按下此键可解除报警。 启动按钮（CYCLE START）——为操作方便和安全的考虑，此按键只起运行指示的作用，机器的启动将在控制柜上操作，当机器人处于自动运行状态时此灯会亮。 报警（FAULT）——当有异常状况时此灯会亮，此时机器人将不能启动。 紧急停止（EMERGENCY）——紧急时按下此键，可使机械手臂在任何位置强制停止，解除方法为向右旋转使其跳起来。 电源指示灯（POWER）——电源开关打开后灯亮，关闭后灯灭。 USB插孔——用于程序备份。 电源开关——摇柄往上扳到ON，电源打开；摇柄往下扳到OFF，电源关闭。 2.示教盘 示教盘开关——手动操作时需将此开关调到ON上。