重载码垛机器人机构设计及其运动控制研究

摘要

码垛机器人作为一种在物流行业应用最为广泛的机器人，其承载能力、操作范围、码垛速度、结构可靠性和系统的稳定性以及机器人的自动化程度是研究中最关键的技术。烧结砖是房屋建造的必需材料，烧结砖的很多生产工序已经实现了机械化和自动化，但在烧结砖生产的最后环节——成品砖卸载码垛方面，仍然是传统的人工手动操作方式。因此，研究和设计应用于成品砖装卸的重载码垛机器人具有较大的现实意义。
　　本文首先根据成品砖的生产流程，确定机器人卸垛系统的总体方案以及工作要求，为机器人的结构设计提供依据。在参考多种码垛机器人的结构后，确定了本文研究的重载码垛机器人为垂直式关节机器人。并在此基础上，设计了机器人的整体结构和各个旋转关节，各关节采用交流伺服电机加精密减速器方案。对交流伺服电机和减速器进行了型号选取，并结合其具体参数，给出了主要零部件的详细结构图。
　　利用ANSYS软件，对机器人进行了静力学分析，得到重载码垛机器人在文中所列两个典型位姿处的变形量与力的关系，得出在5000N以内，机器人的变性属于弹性变形，各部分的刚度完全满足设计要求。采用D-H法，建立了重载码垛机器人的数学模型，推导了其运动学方程的正逆解，并对其进行数值仿真验证;推导出了机器人的速度模型，为运动控制提供了理论依据;设计了机器人运动控制系统，利用嵌入式技术，对机器人的试验样机进行了运动控制。样机的应用试验表明，本文的设计合理，机器人能够完成相应动作，能够满足实际生产需要。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题来源及背景

1．1．1 课题来源

1．1．2 课题背景

1．2 码垛机器人发展现状

1．3 本文研究的主要内容及结构安排

1．4 本章小结

2 重载码垛机器人主要结构实现技术研究

2．1 概述

2．1．1 机电一体化技术和系统

2．1．2 制砖工厂制砖的生产流程介绍

2．1．3 制砖工厂的卸垛系统

2．2 重载码垛机器人的设计原理

2．2．1 制砖工厂卸垛系统总体方案

2．2．2 重载码垛机器人的设计原理

2．3 重载码垛机器人的机械本体设计

2．3．1 总体机械结构

2．3．2 机器人底座及腰部设计

2．3．3 铰链四连杆结构设计

2．3．4 机器人末端(手腕)设计

2．3．5 氮气缓冲装置

2．4 重载码垛机器人主要部件选型设计

2．4．1 减速器选型

2．4．2 交流伺服电机选型

2．5 机器人典型零件校核

2．5．1 平键的选择

2．5．2 平键连接强度计算

2．6 本章小结

3 重载码垛机器人静力分析

3．1 有限元法的概念

3．2 ANSYS简介

3．3 ANSYS有限元建模与处理

3．3．1 前处理

3．3．2 求解域离散化

3．3．3 求解器参数设定与求解

3．4 计算结果及分析

3．5 本章小结

4 重载码垛机器人运动分析

4．1 机器人运动学介绍

4．2 运动学分析方法

4．3 重载码垛机器人运动学方程

4．3．1 运动学正解

4．3．2 运动学逆解

4．4 机器人的角速度

4．5 本章小结

5 重载码垛机器人运动控制研究

5．1 运动控制系统总体设计

5．1．1 交流伺服电机的结构

5．1．2 交流伺服电机控制方式

5．1．3 运动控制系统总设计

5．2 机器人通信

5．2．1 串行通信

5．2．2 CAN总线通信

5．3 运动控制系统硬件设计

5．3．1 LPC1768简介及其最小系统

5．3．2 数字电路接口

5．3．3 通信电路

5．4 控制算法设计与软件实现

5．4．1 控制算法

5．4．2 软件实现

5．5 机器人的应用试验

5．6 本章小结

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献

附录1

攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果