基于SolidWorks的存碼垛機械手結構設計

劉慧梅+陳艷+張榮

摘要：本文利用SolidWorks對用于箱類和袋類物品取放的存碼垛工業機器人本體進行結構設計。存碼垛工業機器人本體主要有基座、腰部、大臂、小臂、末端執行器、等部件組成。本設計對工業機器人的研究有一定的參考價值。

關鍵詞：應用型本科；創新能力；機械制造基礎；教學改革

1 Solidworks軟件簡介

SolidWorks是法國達索公司最先在Windows系統上開發的一款三維設計軟件。其CAD功能方面涵蓋了所有的設計類型，實體建模、曲面設計、二維工程圖、裝配、運動仿真、結構分析等功能一應俱全。創新的自頂向下設計過程使得設計工作一目了然，實時的更新功能使得工程師可以隨時對產品特征參數進行動態修改。除此之外，SolidWorks還為不同的設計人群提供不同的功能模塊，包括鈑金、管道布線、電氣設計等，使得設計過程簡潔而豐富。

2 碼垛機器人的發展

國外，最早將工業機器人技術用于物體的碼放和搬運是日本和瑞典。1968年，日本第一次將機器人技術用于碼垛作業。1974年，瑞典ABB公司研發了全球第一臺全電控式工業機器人IRB6，主要應用于物品的取放和物料的搬運。隨著計算機技術、工業機器人技術以及人工智能控制等技術的發展和日趨成熟，日本、意大利、德國、美國、瑞典、韓國等國家在碼垛機器人的研究上做了大量工作，相應推出了自己的碼垛機器人，如日本的FANUC和OKURA以及FUJI系列，德國的KUKA系列，瑞典的ABB系列等。工業機器人技術的飛速發展，使得碼垛機器人在各個行業都得到了廣泛的應用。

3 碼垛機器人的工作對象

本文設計的碼垛機器人的工作對象及其參數如下：

（1）碼垛物品：箱類物品（如一箱紙巾）和袋類物品（如一袋洗衣粉）等。

（2）物品尺寸：長為200至500mm，寬為200至400mm，高為100至300mm。

（3）物品質量：每件物品為5至15kg。

（4）物品運動范圍：以機器人為中心的，半徑為3m，角度為90至180度。

4 碼垛機器人結構設計

本文設計的碼垛機器人為關節型機器人，這類機器人占地面積小、機構緊湊，工作空間大，還能穿過障礙物進行抓取，是機器人中使用最多的一種結構型式。碼垛機器人的本體（即機械手）包括基座、腰部、大臂、小臂、末端執行器（俗稱爪子），它的運動主要由碼垛機械手手臂的俯仰運動和腰部的旋轉運動組成。

4.1 手爪的結構設計

機械手臂末端抓取器大致可分為：夾鉗式、專用操作式、吸附式、仿生多指式四類。由于工作對象為箱式或袋式物品，只需要設計能從不同角度抓取物品的夾鉗式即可。其結構如圖1所示，可以抓取不同大小多個種類的箱式或袋式貨物。

4.2 臂部的結構設計

手臂部件（簡稱臂部）是機器人的重要執行部件，它的作用是支承腕部（關節）和手部（包括工件和工具），并帶動它們在空間運動，臂部還安裝一些傳動驅動機構，從臂部的受力情況來看，它在工作中直接承受腕，手和工件的靜動載荷，自身運動 又較多，所以受力情況復雜。

臂部主要是進行俯仰運動，這里采用鉸接活塞缸實現臂部的俯仰運動。該機構的特點是，工作范圍大、靈活性好。

4.2.1 大臂的結構設計

大臂是臂部的組成部分，它兩端分別與小臂和立柱相連，它都是通過鉸鏈連接。大臂的運動是通過與立柱相連的鉸鏈活塞缸來進行運動傳遞的，它的運動軌跡就是一個圓弧形，通過活塞缸來進行俯仰運動，運動單一，結構簡單。它較之小臂粗大，因為它是碼垛機器人主要的受力部分之一。其三維結構如圖2所示。

4.2.2 小臂的結構設計

小臂兩端是與大臂和末端執行器連接，這里采用鉸鏈連接，大臂與小臂之間的運動傳遞，采用鉸接活塞缸來實現，其結構簡單，運動性能好。小臂比之大臂在設計時材料消耗要比大臂少，體積也小，重量輕。其三維結構如圖3.5所示。

4.3 立柱（腰部）的結構設計

立柱主要是支撐大臂小臂的重量，連接大臂和底座，并且固定了活塞缸的運動范圍。結合要求與設計過程，腰部的結構材料為合金結構鋼，無經淬火與回火處理。其三維結構如圖4所示。

4.4 活塞缸的設計

本次設計，我采用最多的動力傳動方式就是活塞缸，因為它工作形式單一，只能進行伸縮運動，且結構簡單，由缸體和活塞缸組成，并且它在機器人的設計中運用很廣泛。其三維結構如圖5所示。

4.5 底座的結構設計

底座是承受碼垛機器人整體重量的主要部件，且由于碼垛機器人的手臂長，導致機器人整體重心并不在底座中線上，所以底座較為寬大。其三維結構如圖6所示。基于底座在本次設計中的作用，選取底座的材料為鑄鐵，且設計底座尺寸為：長×寬×高= 280 mm×120 mm× 20 mm。

5 結論

碼垛機械手的總體結構如圖7所示，其運動是由腰部的旋轉、手臂的俯仰、末端執行器的夾緊和放松組成。碼垛機器人工作的全部流程：第一步，大臂處的活塞桿運動，帶動小臂進行下伏運動，從而末端執行器接近物品，并通過夾緊缸將物品抓取；第二步，大臂進行上仰運動，帶動物品上升；第三步，腰部回轉缸進行回轉運動，將物品移到堆放指定區域上空；第四步，大臂又下伏，將物品放在堆放臺上，并且夾緊缸放松物品，最后大臂上仰，腰部旋轉回到原位。

參考文獻：

[1] 殷際英，何廣平.關節型機器人[M].北京：化學工業出版社，2003.7.

[2] 侯國柱.關節型機器人的結構設計及其運動學分析[D].內蒙古工業大學，2007.