河北工业大学城市学院2015届本科毕业设计说明书
a)直角坐标型b)圆柱坐标型c)球坐标系型d)关节型坐标型e)平面关节型
图2.1 工业机器人的坐标形式
对两种坐标形式进行进一步对比： 1）机械安装及维护
直角坐标型的每个结构呈现模块化，方便客户自己更换和维修，维修费用低。关节型则有较高的集成化程度，需要专业的人员进行安装和维护。
2）工作精度的对比
直角坐标型机器人由于构造非常简单，重复定位精度为0.05mm，关节型机器人的重复定位精度则为0.06mm。
3）灵活性对比
直角坐标型机器人灵活性较差，所需的空间较大，运动速度较慢；而关节型机器人灵敏度则比较灵活，反应速度较快。
4）根据应用案例，对不同行业的机器人应用情况对比如图2.2。
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图2.2 不同行业机器人应用对比
综上，并考虑到码垛机器人要求较高的重复定位精度，来保证码垛的稳定性，我将机器人设计为两种机器人的综合，在关节机器人的基础上添加可沿直角坐标运动的丝杠结构，精度可达0.01mm。
2．2码垛机器人结构设计总体方案的确定
基本技术指标：
水泥尺寸：水泥袋的尺寸为730×500mm。
水泥质量：约为50kg。加上机械手的重量，总负载设为70kg。 码垛速度：每小时1000袋。 总体方案确定：
码垛机器人工作时实现平移和水平面内的旋转即可，不需要对水泥进行反转，
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故只需四个自由度。
具体运动的实现设计出两种方案。
方案一：后大臂沿丝杠做上下运动，前大臂沿丝杠做左右运动，腰部做旋转运动，实现机器人码垛过程。但是各关节通过铰接轴相连，运动所能达到的空间较小，运动精度不能保证，并且运动轨迹不能确定。如图2.3所示：
图2.3方案一
方案二：在方案一的基础上改进，采用两个平行四边形机构进行并联，使运动轨迹得到保证，铰接轴处需安装关节轴承，以减小摩擦。如图2.4所示：
图2.4方案二
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故选第二种方案。
2． 3水泥码垛机器人传动方案的设计
驱动方式的选择：
经常使用的驱动方法有电气式（电机）、液压式（液压马达）、气压式（气压马达）。这三种驱动方式的特点如表2.1 所示
表2.1 驱动方式对比
种类 特点 优点 缺点 需要添加减速装置；信号和动力的方电气式 向保持一致；有交流和直流的区别 操作比较简单；能进行定位伺服；响应速度快、方便与CPU连接 瞬时输出得功率大；过载性差，易引起事故；受环境噪音的影响较大 能够输出得功率要求操作人员地较大，工作时较平稳，液压式 技术熟练；压力值有有可靠的性能，响应范围的限制 速度快 且易泄露且有污染 大；液压源要求高，设备需要的空间需要工作人员的气压式 技术熟练；压力值有范围限制 操作简单、价格便宜；不用考虑污染问题，速度较快 功率小，所需空间大；有较大的噪音，伺服控制时不稳定 经过对这三种驱动方式进行比较，结合码垛机器人本身的设计目的和控制要求，以及各种驱动方式的优缺点，决定选择电气式电动机驱动。
电机的选择：
需要完成的4种运动全部选择电机进行驱动。由于机器人工作过程中需要电机正转和反转交替进行，故可选用步进电机或伺服电机。机器人运动时旋转速度较低，故选用中低速的电机即可。考虑到步进电机在较低速运行会出现低频振动，而交流伺服电机同时适用于高、低速，性能更加可靠，精度更高。故选用交流伺服电机。对于伺服电机，选用著名厂家科尔摩根AKM的产品，该产品含减速箱、
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编码器以及其它附属件，拥有多种机型，可以很好的实现控制功能。
选择电机，要确定4点要求：a）机器人运动所需要的转矩，以及相应的速度。b）在不同地负载下的持续工作时间。c）机器人运动过程中所需要的加速度。d）机器人运动负载的转动惯量。再由功率和能量守恒，所有参数要折算到电机输出轴上。
电机及其配套装置的选取如表2.2所示。
表 2.2 各关节驱动装置
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电机 减速装置 关节最高角速度 腰部回转关节 AKM83T φ22mm RV-400C-35.6-A-B 100°/s 水平位移旋转电机 AKM83Tφ22mm 同步带 100°/s 竖直位移旋转电机 AKM83Tφ22mm 同步带 100°/s 手腕回转关节 AKM72L φ14mm 谐波减速器 180°/s 注：相关参数可参阅《帝人RV减速器样本》和《科尔摩根AKM伺服电机选型指南》
传动方式的选择：
可以采用的传动方式有齿轮传动、链传动、带传动等。其各自优缺点对比如表2.3所示：
表 2.3 各传动方式优缺点
优点 缺点 齿轮传动的传动比精确，齿轮传动 可以承受较高的转速和扭矩 需要润滑，有噪音，成本高，反向运动时有冲击。 链传动 由于有啮合动作，传动比成本较高，运转时会产生振- 11 -