智能仓储机械手的设计与研究

机器人科学技术是当今社会一门迅速发展起来的综合性前沿学科, 是目前各个国家都在积极努力研究开发的一个崭新的科学领域, 投入了大量的科研资源, 并取得了突破性的进展, 为现代工业真正的进入工业自动化奠定了一定的基础。工业机器人 (或称机器人操作臂、机械手等) 是机器人学的又一个重要分支学科, 工业机器人是开式链结构, 一般是通过相关的柔性关节将一些刚性连杆交替连接而组成的, 通常在工业机器人操作臂的前端位置装有执行部件或相应的操作装置, 也常称为手或手爪。这种由若干个关节和一个或若干个手爪组成的机器人又称为多关节型机器人 (机械手) 。

本文设计的机械手的主要结构是机械手抓手、机械手臂、机座以及电动推杆。首先确定机械手动作的先后顺序:机械手爪3由电动推杆1驱动从正常搬运终点位置高度开始下降过程, 推杆收缩到最短行程及行程为零时, 智能机械手的抓手部分下降到货篮放置高度, 之后由电动推杆4驱动机械手爪3通过与3联接的导杆带动左边的小抓手收缩, 留出抓手夹紧货篮的距离, 待两侧抓手距离为货篮长度时, 电动推杆4回缩, 此时左边小抓手在弹簧的作用下回复原状, 机械手抓手抓紧货篮, 最后由底座上的电动推杆1推动平行四边形机构2, 推杆行程由零增大到该推杆的最大行程即为机械手实现将货篮由初始位置搬运到终点位置的过程。

通常来说, 自由度数目多时, 相应机械手能完成的运动方式越多, 可控能力及避障功能等越强, 但机械手结构也会相对复杂, 对于机械手刚度会被削弱, 控制也相对复杂, 运动过程中需考虑问题较多, 因此在保证实现基本功能和预定的运行方案的前提下, 应该尽可能的减少机械手的自由度。

本文中, 机械手平移机构与机械抓手原理图如下, 由于机械手对货篮有抓取及搬运要求, 所以需要确定机械手臂部分自由度为, 机械抓手部分的自由度为, 则可以根据自由度计算公式

得到

因此整个搬运机械手的自由度就可以确定了:

驱动系统是实现机械手中各种运动机构完成预定动作的动力源, 经常会使用的驱动方式主要为:电机驱动、液压驱动、气压驱动三种。根据不同工作需求, 可采用上述三种类型中的一种或多种组合形式的驱动系统, 具体选型应从输出功率和使用范围、结构性能和控制性能等各方面考虑, 选择合适的驱动方式。

电动机驱动:控制精度高, 输出功率大, 定位精度高, 反应迅速, 对于高速、高精度连续轨迹控制较方便, 机构性能好, 噪音较低, 结构紧凑, 不存在密封问题, 速度变化范围大, 效率较高, 是目前使用最广泛的驱动方式。

液压驱动:功率大, 结构简单, 能直接与被驱动的杆件相连, 响应快, 可无级调速, 体积小, 噪声大, 但由于液压油比较容易泄露, 对于易燃品及洁净度要求高的工作场合有局限性, 易由于泄露造成污染, 诱发火灾。

气压驱动:机构简单, 动作敏捷, 经济实用, 但是鉴于气体压缩后变化较大, 系统不够稳定, 机构缓冲能力低, 速度不高时较难进行控制, 且结构相对较大, 噪声大, 但密封问题较小, 无污染。

本文涉及的是仓储物流搬运机械手, 由于仓储环境多封闭, 故不宜采用有火灾隐患的液压驱动, 又因为搬运机械手对于输出功率及搬运过程中稳定性要求较高, 不宜采用控制精度低的气压驱动, 故应选用电动机驱动。

所以采用电动推杆作为驱动装置。控制方便, 反应灵敏, 运行速度可调, 适应范围较大。

本文研究与分析了智能仓储机械手的工作原理, 并计算其自由度, 由于自由度越多越不易实现对机械手运动轨迹的控制, 因此在确定机械手的自由度时, 应在满足要求的前提下选择较小的自由度, 选定自由度为2即可完成设计的运动, 使用电动推杆作为动力源, 结构简单, 占用空间较小, 可以使控制方式简便, 成本也较低, 同时使装置迅速完成预定动作, 反应灵敏。