水泥裝車機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

李凱

摘 要：以往在裝卸袋裝水泥時(shí)，常常需要大量人力，并且勞動(dòng)強(qiáng)度非常大，還需要耗費(fèi)較多時(shí)間。目前很多水泥廠商開(kāi)始應(yīng)用機(jī)械化裝車設(shè)備，不僅減輕了工人的工作量，還在很大程度上提高了裝車效率。文章對(duì)水泥裝車機(jī)器人的工作原理進(jìn)行了闡述，對(duì)水泥裝車機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了論述，并對(duì)裝車機(jī)器人的機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行了分析，以供相關(guān)人員參考。

關(guān)鍵詞：水泥裝車機(jī)器人；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；吊架；機(jī)械臂；運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

1.水泥裝車機(jī)器人工作原理

第一步，在水泥袋順著皮帶滑動(dòng)過(guò)程中，撥板會(huì)朝左側(cè)搬運(yùn)箱方向移動(dòng)，水泥袋就順著這個(gè)方向滑進(jìn)此搬運(yùn)箱。第二步，左側(cè)機(jī)械臂移動(dòng)到第一袋部位，與此同時(shí)，撥板朝右側(cè)搬運(yùn)箱方面移動(dòng)，第二袋水泥滑進(jìn)右側(cè)搬運(yùn)箱。第三步，左側(cè)機(jī)械臂返回過(guò)程中，右側(cè)機(jī)械臂朝第二袋水泥原先所在位置移動(dòng)，此時(shí)撥板朝左側(cè)搬運(yùn)箱移動(dòng)。按照這個(gè)流程循環(huán)往復(fù)，指導(dǎo)整排袋裝水泥碼放完成。在碼放每一層水泥袋時(shí)，移動(dòng)天車在導(dǎo)軌上不斷勻速移動(dòng)，當(dāng)碼完一層后，吊架部分的電動(dòng)缸會(huì)向上提升，持續(xù)碼放下一層[1]。

2.水泥裝車機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1機(jī)械臂設(shè)計(jì)

為保證迅速將袋裝水泥碼放到位，機(jī)器人從支架撥盤位置將水泥袋接收并碼放到制定位置，這要求機(jī)械臂應(yīng)擁有大小臂以及搬運(yùn)箱3個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，以便于接取和平移等各種動(dòng)作的實(shí)施。大小臂以及搬運(yùn)箱可利用減速電機(jī)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，減速電機(jī)的傳動(dòng)比較高，并且傳動(dòng)精度以及傳動(dòng)效率也非常高，傳統(tǒng)部件大都采用通用標(biāo)準(zhǔn)，并且市場(chǎng)售價(jià)相對(duì)較低，購(gòu)買與安裝都很容易。由于水泥裝車機(jī)器人的機(jī)械臂關(guān)節(jié)重量及其扭矩是逐步傳遞的，所以大臂力矩必須最大化。本機(jī)器人采用大力矩伺服電機(jī)為機(jī)械臂提供力矩。

2.2吊架設(shè)計(jì)

水泥裝車機(jī)器人的吊裝結(jié)構(gòu)的上下移動(dòng)是利用電動(dòng)缸的伸縮作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的，以有效調(diào)整水泥裝車時(shí)的高度，達(dá)到逐層碼放水泥袋的目的，并合理消除斜皮帶左右搖擺對(duì)裝車作業(yè)造成的影響。在吊架結(jié)構(gòu)中，上面部分有效連接移動(dòng)天車，并加強(qiáng)固定。下面部分連接電動(dòng)缸末端關(guān)節(jié)軸承以及支架。

2.3搬運(yùn)廂設(shè)計(jì)

將機(jī)器人搬運(yùn)箱結(jié)構(gòu)中的伺服電機(jī)連接到減速器之后，同時(shí)又經(jīng)底座裝設(shè)在機(jī)器人的小臂結(jié)構(gòu)的關(guān)節(jié)位置，減速器軸與中心軸在A型普通平鍵的基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)連接，中心軸插裝在小臂關(guān)節(jié)中的圓錐滾子軸承內(nèi)圈，利用50型氈圈油封將下端軸承密封起來(lái)。相比于機(jī)器人的大臂結(jié)構(gòu)，中心軸下端通過(guò)16x100型帶孔銷與法蘭盤實(shí)現(xiàn)連接，法蘭盤通過(guò)若干個(gè)螺栓與搬運(yùn)箱外殼實(shí)現(xiàn)連接，搬運(yùn)箱底部安裝有24V電動(dòng)滾筒，能夠有效調(diào)節(jié)速度[2]。電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，中心軸受減速器作用而發(fā)生旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而促使搬運(yùn)箱進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)周邊裝設(shè)有接近式傳感器，能夠?qū)徇\(yùn)箱的轉(zhuǎn)動(dòng)速度控制在合理范圍內(nèi)，從而有效保證裝車過(guò)程中對(duì)碼放方向的要求。

3.機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

水泥裝車機(jī)器人的設(shè)計(jì)，涵蓋了諸多運(yùn)動(dòng)學(xué)分析相關(guān)內(nèi)容，尤其是機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)分析方面，其重點(diǎn)分析內(nèi)容在于機(jī)械臂關(guān)節(jié)變量與末端執(zhí)行器位姿的關(guān)系，主要包括運(yùn)動(dòng)學(xué)正解問(wèn)題與運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解問(wèn)題等。機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)正分析是在機(jī)械臂各關(guān)節(jié)位移量或轉(zhuǎn)角的基礎(chǔ)上，對(duì)其末端執(zhí)行器的位姿進(jìn)行推算。而其運(yùn)動(dòng)學(xué)逆分析是在機(jī)械臂末端位姿的基礎(chǔ)上對(duì)各關(guān)節(jié)位移量或轉(zhuǎn)角進(jìn)行計(jì)算。下面以機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)的正解為例，進(jìn)行分析。

機(jī)械臂正解分析的主要內(nèi)容是通過(guò)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的建立，對(duì)末端執(zhí)行器位姿圍進(jìn)行求解。從3自由度的機(jī)械臂方面出發(fā)，可得出相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程：

（1）

該公式中：A1、A2、A3表示不同矩陣，是第m個(gè)連桿相對(duì)于第m-1個(gè)連桿的齊次變換。字母p表示末端點(diǎn)的位置矢量。字母n、字母o以及字母a，分別描述了相應(yīng)姿態(tài)的3個(gè)相垂直的單位向量。

從這里可以得出：

（2）

在計(jì)算過(guò)程中應(yīng)當(dāng)對(duì)正解進(jìn)行充分驗(yàn)證，以保證其正確性。當(dāng)初始位置θ1=900，θ2=00，θ3=900時(shí)，將這些數(shù)據(jù)代入公式（2），可得出機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)方程結(jié)果：

此次計(jì)算結(jié)果與機(jī)械臂的具體位姿一致。

當(dāng)大臂旋轉(zhuǎn)900時(shí)，θ1=00，θ2=00，θ3=900，將這些數(shù)據(jù)代入公式（2），可得出機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)方程結(jié)果：

此次計(jì)算結(jié)果與機(jī)械臂具體位姿相一致。

從機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)正解分析過(guò)程，可以發(fā)現(xiàn)，末端執(zhí)行器位姿向量與其關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角θ之間，存在一定的函數(shù)關(guān)系，若得知機(jī)械臂3個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角θ1、θ2、θ3的確定值后，就能將其代入到公式（2）中，從而準(zhǔn)確得出末端執(zhí)行器位姿，以及相應(yīng)位置的矢量，進(jìn)而末端執(zhí)行器坐標(biāo)系相對(duì)于基坐標(biāo)系的位姿也就得以確定，最后求得機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)正解。