水平多關節型碼垛機器人結構設計

應萬明++張壯

摘 要：根據目前物流自動化對箱包等物料高速碼垛的工作要求，確定了碼垛機器人的基本技術指標，設計了三自由度水平關節型碼垛機器人的機械結構。通過運動學分析得出了碼垛機器人的運動學方程，并通過對運動學方程的逆解求出碼垛機器人各關節的位姿，應用 Solid Works 軟件構建了碼垛機器人的三維實體模型，進行模型裝配，實現了碼垛機器人碼垛過程的仿真。對碼垛機器人結構的設計與運動學分析可以為設計和生產碼垛機器人提供借鑒。

關鍵詞：碼垛機器人 三平動一垂直 SolidWorks設計

中圖分類號：U46 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）08（c）-0108-03

1 背景概述

碼垛是將裝入容器（如紙箱、編織袋和桶等）的物料或者經過包裝和未經包裝的規則物品，按一定排列碼放在托盤（木質）上，進行自動堆碼?？啥汛a多層，然后推出以便于繼續進行下一步包裝或者用叉車運至倉庫儲存。碼垛機器人可以實現智能化操作管理，從而大大減少勞動人員，降低勞動強度。碼垛機器人已廣泛應用于石化、食品、醫藥、飼料、糧食、有色礦物和建材等行業中的粉狀、粒狀物料以及規則有一定體積物品的自動碼垛。

1.1 碼垛機器人的技術指標

（1）產品形式：PET瓶、玻璃瓶。

（2）碼垛物品：紙箱包裝、膜包。

（3）包裝瓶容量規格：500mL。

（4）碼垛速度：不少于15箱/min（24瓶/箱）。

（5）物品重量：不大于20kg（每箱）。

（6）紙箱尺寸：385mm×270mm×235mm。

（7）碼垛層數：4層。

1.2 碼垛機器人的總體組成

此水平多關節型碼垛機器人包括機架、垂直驅動鏈、水平驅動鏈和末端執行機構四部分。機架部分主體設計為支持柱，外加前防護蓋板、后防護蓋板、底座、底座配重及滑竿等。其中滑竿的作用是垂直驅動鏈中的動平臺與滑竿通過滑塊相連接，實現動平臺的上下運動。

垂直驅動鏈部分選擇伺服電機作為驅動動力，減速機作為減速部件，傳動部分選擇鏈輪鏈條傳動。其伺服電機與橫梁軸之間通過減速機和聯軸器相連；鏈輪安裝在橫梁軸上；安裝在鏈輪上的鏈條，其一端連接垂直驅動鏈中的動平臺，另一端連接垂直運動配重，配重的作用是平衡和實現垂直方向的快速運動；鏈輪在橫梁軸上的安裝位置應使鏈條與動平臺的連接部分處于垂直方向。

水平驅動鏈部分選擇兩個伺服電機作為驅動動力，選擇多關節桿鏈作為傳動裝置。其中多關節桿鏈包括第一水平運動主動臂、第二水平運動主動臂、第一水平運動連接桿、第二水平運動從動臂、兩個水平連接桿、水平運動保姿態桿及多個連接軸等。水平運動保姿態桿的作用是為了實現水平運動后末端執行機構的擺放角度不改變，即末端執行機構不需要安裝相應的電機，減少設計成本。

末端執行機構部分包含兩組氣缸，其中一組氣缸的作用是實現抓手部分的插入和退出動作，另一組氣缸的作用是實現壓板的壓箱和撤銷動作（壓箱是為了防止紙箱脫落）。

現有的碼垛成型方式主要是依靠末端執行機構的抓包及旋轉調整一定角度的動作，進而擺放到指定位置，實現一定的碼垛形式，但此種方式大多需要四自由度碼垛機器人，除了垂直及水平方向的運動外，還必須在末端執行機構上安裝一個驅動電機，實現垂直旋轉運動，即所抓產品的旋轉調整角度動作，因此，這種碼垛成型方式既增加了末端執行機構的自身重量，也增加了制造成本。

基于以上說明結合比較幾種國內外的碼垛構型，本文所設計的水平多關節型碼垛機器人及生產線則避免了以上缺點。水平多關節型碼垛機器人中的水平驅動鏈運動時不改變末端執行機構所抓紙箱的擺放角度，則末端執行機構不需安裝旋轉驅動電機，只需在配套的生產線中安裝轉箱裝置來實現不同的碼垛形式。此種碼垛機器人既減小了設計及制造難度，也減少了產品的成本。

2 水平多關節型碼垛機器人的設計策略

2.1 末端執行機構的設計

末端執行機構與水平驅動鏈之間設定為通過末端平臺相連接。末端執行機構的主體支撐部分為方鋼和星型鋁型材的組合體（命名為末端支架）；末端支架與末端平臺之間通過末端連接法蘭相連接；末端支架上安裝兩組氣缸，一組氣缸連接壓板，故壓板可以隨氣缸桿上下運動，當抓手插入紙箱底部時，壓板壓緊紙箱以防紙箱脫落；抓手與推板、直線軸承座、支架法蘭等相連接組成一個運動體，該運動體穿過導桿，由另一組氣缸提供動力，故此運動體可以沿導桿長度方向運動。

末端執行機構的工作情況，具體為：末端連接法蘭與末端平臺相連接用以吊起整個末端執行機構；末端支架安裝在末端連接法蘭下面作為末端執行機構的框架；支架法蘭、直線軸承、直線軸承座、推板、抓手等組成一個運動體，此運動體在氣缸組一的帶動下沿著導桿的長度方向往復運動，當開始抓箱時，此運動體沿著A方向插進紙箱底部；抓手插進紙箱底部后，氣缸組二帶動壓板向下運動則可壓緊紙箱，而后末端執行機構就可根據工作要求將紙箱搬運到指定位置；紙箱到達指定位置后需先將抓手部分的運動體沿A方向的相反方向撤出抓手，隨后將壓板升起，即可完成整個搬運紙箱過程，隨后進入下一次搬箱過程，依次重復。

2.2 水平驅動鏈的設計

本文所設計的水平驅動鏈如圖2所示。初步設定各參數為：第一水平運動主動臂（12）、第一水平運動連接桿（14）、

第二水平運動從動臂（15）、水平連接桿二（18）均長1500mm；第二水平運動主動臂（13）長300mm；水平連接桿一（17）長1500+300=1800mm；水平運動保姿態桿（16）中鈍角100°兩邊的邊長均為300mm。水平驅動鏈在一次的搬運過程中，其第一水平運動主動臂（12）約轉角100°，第二水平運動主動臂（13）約轉角60°。endprint

根據伺服電機、減速機的尺寸及水平運動傳動系統中各桿的連接情況設計承載水平驅動鏈的動平臺，此動平臺上下端面安裝伺服電機和減速機，且安裝部位相對動平臺中部對稱，動平臺的上端面中安裝第一水平運動主動臂及第一水平運動連接桿的兩孔中心距為300mm。

由于將設計用鏈輪帶動動平臺，則鏈輪的中心軸到動平臺中與鏈條相連接部位的中心的距離應等于鏈輪的分度圓半徑為宜，而根據已設計的動平臺知，此鏈接部位的中心到動平臺靠近機架的平面的距離為75mm。

至此可通過SolidWork s軟件精確設計整個水平驅動鏈及與末端執行機構和垂直驅動鏈相連接部位的末端平臺和垂直運動動平臺。垂直運動動平臺材料選取鑄造碳鋼，故可估算出垂直驅動鏈需要帶動的載荷約為600kg。動平臺通過連接滑塊及滑竿與機架部分相連接，即連接滑塊固聯在動平臺上，滑竿固聯在機架上，且連接滑塊可以在滑竿上沿滑竿長度方向上下運動，根據連接滑塊的設計可確定此滑塊厚度為40mm，根據滑竿的設計可初步確定此滑竿長2200mm。

2.3 機架設計

機架主要有支持柱、前防護蓋板、后防護蓋板、底座板、底座配重及滑竿。

（1）支持柱為整個機架的主體，包含三面板，垂直驅動鏈主要安裝在支持柱（20）上，其中長2200mm，底面為邊長為600mm的正方形。

（2）前防護蓋板用來遮擋垂直驅動鏈的主傳動部分，起到保護及美觀的作用。

（3）后防護蓋板與支持柱一起共同組成機架的框架。

（4）底座板用于確定整個機器人的安裝位置，通過地腳螺栓安裝與定位，與支持柱及后防護蓋板之間的聯接方式為焊接。

（5）底座配重分別安裝在底座板的兩邊，每邊各10塊，每塊約重7kg，即每邊總重70kg?；偷淖饔檬菫榱俗寗悠脚_跟隨滑塊沿滑竿的方向運動，另外為了讓滑塊和滑竿之間更好的配合，它們的截面設計成特定形狀。

3 生產線的設計策略

此生產線主要由傳輸線主體、轉箱裝置、擋箱裝置組成，其中傳輸線主體由傳輸支架、槽鋼橫梁、滾筒及紙箱擋板等。具體如圖3所示。

轉箱裝置的作用是將傳輸到此處的紙箱旋轉90°，而水平驅動鏈及末端執行機構的動作會保持紙箱的擺放方向不變，因此兩者結合后會擺放成不同的碼垛形式。

轉箱裝置的運動過程如下：當紙箱傳輸到一定位置時，轉箱氣缸將豎直方向伸出氣缸桿帶動旋轉頭及旋轉滾子運動，待紙箱旋轉90°后沿水平方向的反方向撤回，即可完成一次轉箱動作。轉箱導桿具有輔助旋轉頭及旋轉滾子運動的作用。

擋箱裝置的作用是阻擋住紙箱的傳輸，使之停留在一定的位置，待上一個（或一些）紙箱被搬走后，將停留在此處的紙箱放行。

擋箱裝置的運動過程如下：當紙箱傳輸到擋箱裝置安裝的位置時，擋箱氣缸將沿斜方向伸出氣缸桿帶動擋板運動，待上一個（或一些）紙箱被搬走后沿E方向的反方向撤回，即可完成一次擋箱動作。

參考文獻

[1] 萬彥文.關于碼垛機器人結構設計研究[J].中國科技博覽，2015（8）.

[2] 牟曉華.翅片管碼垛機器人結構設計、優化與控制的研究[D].上海海洋大學，2016.endprint