自動貼瓷磚機器人系統(tǒng)設(shè)計分析

李月芹

摘 要：本文將分別對機器人本體的設(shè)計、驅(qū)動裝置的選擇、末端執(zhí)行器以及氣動系統(tǒng)的設(shè)計進行全面介紹，以期為有關(guān)部門提供可靠參考，并為建筑行業(yè)的全面發(fā)展提供助力。

關(guān)鍵詞：自動貼瓷磚機器人;機器人系統(tǒng);氣動系統(tǒng);系統(tǒng)設(shè)計;驅(qū)動裝置

中圖分類號：TP249 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）21-0058-02

0 引言

如今，在建筑行業(yè)高速發(fā)展的大背景下，智能化機器人的全面開發(fā)已經(jīng)深入到了建筑領(lǐng)域當中，該領(lǐng)域也是相關(guān)開發(fā)研究工作的重點領(lǐng)域。在各類建筑空間當中，往往存在很多需要貼瓷磚的地面以及壁面等，比如衛(wèi)生間、游泳池以及工作間等。自動貼瓷磚機器人的出現(xiàn)，可以緩解相應勞動壓力，節(jié)約經(jīng)濟成本。

1 機器人本體設(shè)計

1.1 分析本體構(gòu)型

如今建筑市場當中存在多種多樣的機器人，然而很多機器人都被應用到具有較大負載的碼垛作業(yè)、搬運物料作業(yè)或者具有較小負載的裝配電子元件作業(yè)、焊接作業(yè)當中，如果圍繞這些機器人設(shè)計貼瓷磚機器人，極易出現(xiàn)由于不相符的負載，致使功率不足或者被浪費，進而增加了成本[1]。貼瓷磚機器人一般需要具備幾大特征，即結(jié)構(gòu)簡單、所有關(guān)節(jié)能夠協(xié)調(diào)、靈活地進行動作以及具有較大工作空間等。因此，設(shè)計的機器人可以是關(guān)節(jié)坐標形式且串聯(lián)的機器人，其組成部分包含了小臂、大臂以及底座。設(shè)計的手臂位置關(guān)節(jié)有三個，主要被用在對手腕參考點部位加以確定，即定位部分。設(shè)計的手腕位置關(guān)節(jié)也有三個，主要被用在對機械手的末端姿態(tài)加以確定，即定向部分。這就使得貼瓷磚機器人自由度有六個，且每個關(guān)節(jié)都屬于旋轉(zhuǎn)式的關(guān)節(jié)，讓機械手能夠到達所處環(huán)境中所有位置，以便對瓷磚進行靈活抓取，并且充分滿足瓷磚粘貼實際需求。

1.2 設(shè)計傳動方案

（1）腰關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)。直接連接機器人的腰部以及電機，這樣設(shè)計使得機器人整體結(jié)構(gòu)能夠更加簡單，更利于布線、方便后續(xù)安裝，進而使傳動的路線被有效減短。在底座上方放置腰部，并且使電動機輸出端與諧波減震器相連接，而諧波減震器可以向腰關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)中心進行輸出，進而使得腰關(guān)節(jié)和整體機構(gòu)進行回轉(zhuǎn)。（2）大、小臂俯仰。直接連接諧波減震器以及電機，在此過程中直接連接諧波減震器與電機輸出軸，使得大臂進行轉(zhuǎn)動。因為自動貼瓷磚機器人并沒有過大的負載，所以設(shè)計成此類側(cè)置式的電機結(jié)構(gòu)，具有便于安裝和維修、減少操作空間中的干涉以及較大運動空間和簡單結(jié)構(gòu)等優(yōu)點。（3）腕部滾轉(zhuǎn)。將同步帶和電機相連，這能夠使得同步帶可以向諧波減震器傳遞回轉(zhuǎn)運動，隨后帶動腕部進行滾轉(zhuǎn)[2]。這種設(shè)計可以確保其第三關(guān)節(jié)有合適的配重。（4）腕部俯仰和翻轉(zhuǎn)。電機能夠經(jīng)由減速器，向錐齒輪傳遞回轉(zhuǎn)運動，并且經(jīng)由錐齒輪換向，向同步帶傳遞回轉(zhuǎn)運動，隨后帶動腕部俯仰。腰關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)和腕部翻轉(zhuǎn)的運動有著較為類似的運動形式，都會應用到直接經(jīng)由電機的方式，將回轉(zhuǎn)運動向減速器進行傳遞，最后再將其傳遞至末端執(zhí)行器當中。這種設(shè)計方式，能夠最大限度地縮短傳動鏈。

2 選擇驅(qū)動裝置

按照不同的能量轉(zhuǎn)換模式，我們可以把驅(qū)動模式詳細劃分成電力驅(qū)動、氣壓驅(qū)動以及液壓驅(qū)動，每一種驅(qū)動模式都具備各自不同的特征，即：

電力驅(qū)動：此類驅(qū)動是如今被最多采用的驅(qū)動之一，又可以被劃分為交流伺服電動機、步進電動機以及直流伺服電動機等。該驅(qū)動方式具備成本低、沒有環(huán)境污染以及高精度運動等優(yōu)勢。氣壓驅(qū)動：以此驅(qū)動方式設(shè)計的自動貼瓷磚機器人擁有價格較低、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)勢，其有方便的空氣來源，且能夠迅速動作。然而因為空氣能夠被壓縮，會使得此類驅(qū)動具有較差的工作穩(wěn)定性，較小的抓取力，其抓取力通常僅為百牛、甚至幾十牛。液壓驅(qū)動：此類驅(qū)動雖然具備較高的精度和較大的抓取力，可以平穩(wěn)地進行傳動、緊湊的結(jié)構(gòu)以及較為靈敏的動作等，然而此類設(shè)計往往對密封性具有較高要求，并不適合被應用到溫度具有較大變化的場合當中，并且需要為其配備相應的液壓系統(tǒng)，這就會增加成本。相比于氣壓驅(qū)動和液壓驅(qū)動這兩類驅(qū)動，電力驅(qū)動的重量更輕、轉(zhuǎn)動慣量更小、體積更小、過載能力更強。與此同時，電力驅(qū)動的電機還擁有直流伺服電動機基本屬性。

2.1 靜力分析

對于選擇傳動件和驅(qū)動件的工作而言，自動貼瓷磚機器人各關(guān)節(jié)動力的參數(shù)便是主要憑證。在此過程中的設(shè)計方法一般有兩類，即動力學方法以及靜力學方法：

（1）動力學方法：此方法通常可以被用到運動速度較大的機械當中。這主要是因為機器人每一個關(guān)節(jié)都具有較高的速度，所以具備較大的動載荷，所以其粘滯摩擦、向心加速度以及哥氏加速度都不可以被忽略。（2）靜力學方法：運動速度較低的機械，其在運動時所生成的動載荷也會較低，因此可以將摩擦、相信加速度以及哥氏加速度等量的干擾忽略掉，而這，便為“靜力學方法”[3]。因為本文的機器人主要被設(shè)計應用到粘貼瓷磚的工作當中，因此重點應當考慮機器人的整體協(xié)調(diào)性，所需的運動速度并不大，所以應當選擇靜力學方法。

在實際的設(shè)計過程中，為了較為精準地測出各關(guān)節(jié)力矩，筆者借助了UG8.0軟件分析測量的功能，這主要是由于此項功能在對測量原點進行設(shè)置之后，能夠?qū)T性矩、桿件質(zhì)量以及重心位置等必要參數(shù)直接測量出來：

（1）第一關(guān)節(jié)：對第一關(guān)節(jié)之外其余裝配體進行測量，能夠獲得之前關(guān)節(jié)質(zhì)心重力，此時考慮到動載狀況以及安全系數(shù)的影響，應當把所計算的力矩與綜合安全系數(shù)相乘，從而獲得第一關(guān)節(jié)最大力矩，隨后的各關(guān)節(jié)處理方式相同。（2）第二關(guān)節(jié)：測量原點應當設(shè)置成大臂和腰關(guān)節(jié)接合面中心的位置。計算方式同（1）。（3）第三關(guān)節(jié)：測量原點應當設(shè)置成小臂和大臂接合面的中心位置。計算方式同（1）。（4）第四關(guān)節(jié)：將小臂和四軸的連接面當作中心，從而建立相應坐標系，設(shè)置測量原點。（5）第五關(guān)節(jié)：測量原點應當設(shè)置成腕部的回轉(zhuǎn)軸心。計算方式同（1）。（6）第六關(guān)節(jié)：此關(guān)節(jié)具有較小的受力，能夠應用同軸5電機。

2.2 選擇電機

在通常情況下，伺服電機一般具有較大的輸出速度，然而其具備較小的承受力矩，這就要求將減速裝置（此設(shè)計當中應用諧波減速器）安置到伺服電機的后面，以便使電機輸出扭矩增大。在諧波減速器工作的時候，因為齒間屬于面的接觸，相比于其余轉(zhuǎn)動形式，擁有更高的重疊系數(shù)，因此使得單位面積中齒具有較小的載荷，以及較高的承載能力。除此之外，諧波減震器還擁有高運動精度、較大傳動、較小體積、較輕的質(zhì)量、較高的傳動效率、較長的應用壽命、較平穩(wěn)的傳動以及無噪音和無沖擊等優(yōu)勢，所以其當前應用越來越廣泛。

在本文自動貼瓷磚機器人的設(shè)計過程中，主要的性能指標為：（1）10kg的額定負載;（2）±0.4mm的重復定位精準度;（3）1442mm的工作半徑;（4）手轉(zhuǎn)運動的范圍是-180°至180°，其最大的速度為240deg/s;（5）腰關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)的范圍是-165°至230°，其最大的速度為150deg/s;（6）小臂的運動范圍是-130°至260°，其最大的速度為150deg/s;（7）大筆的運動范圍是-75°至150°，其最大的速度為150deg/s;（8）腕擺的運動范圍是-105°至210°，其最大的速度為240deg/s;（9）腕轉(zhuǎn)的運動范圍是-180°至180°，其最大的速度為150deg/s。

通過上述參數(shù)指標可知，本文所設(shè)計的機器人，其前三軸轉(zhuǎn)速是25r/min，根據(jù)電機的最大轉(zhuǎn)速（3000r/min），應當選取的減速比為120r/min，進而選擇合適的伺服電機。軸4和軸5具有40r/min的輸出速度，軸6具有60r/min的轉(zhuǎn)速，其相應電機轉(zhuǎn)速也是3000r/min，應當選取的減速比：軸4為120r/min，軸5和軸6的為75r/min，進而選擇最合適的伺服電機[4]。

3 設(shè)計末端執(zhí)行器

在一般狀況下，機器人末端往往會裝載一些對相應任務(wù)予以有效完成各類要求、任務(wù)的工具，即機器人“末端執(zhí)行器”。通常這些末端執(zhí)行器應當方便更換以及維修。在各類實際工作過程中，機器人的設(shè)計者一般會按照機器人需要執(zhí)行的不同任務(wù)和要求展開設(shè)計，進而選擇最合適的末端執(zhí)行器。本文設(shè)計的機器人，其主要是被應用到粘貼瓷磚的工作當中，即此機器人應當精準抓取瓷磚。所以，所設(shè)計的末端執(zhí)行器主要的結(jié)構(gòu)為“吸盤式”，同時裝有按照各種瓷磚尺寸所設(shè)計的位置調(diào)節(jié)輔助粘貼瓷磚傳感器，以便進行測距、攝像等操作。

4 設(shè)計氣動系統(tǒng)

如今能夠?qū)ξ矬w進行吸附的方式主要有兩大類，即磁吸附方式以及負壓方式。然而前者一般僅適用在導磁物體當中，但是瓷磚并不屬于導磁物體，所以本文設(shè)計的機器人將使用“負壓方式”。該方式主要是經(jīng)由吸盤內(nèi)部和外部氣壓差作用，于物體的表面形成吸附力，從而順利抓取瓷磚。設(shè)計的氣動系統(tǒng)一般的組成部分包含了電磁換向閥、空氣壓縮機、空氣分配器、真空發(fā)生器、真空過濾器以及真空吸盤等真空元件，在設(shè)計過程中需要嚴格遵循氣管長度取最短的原則來最大限度地縮短吸盤吸附瓷磚的工作時間。除此之外，因為一部分真空件具備較大的質(zhì)量，因此應當將這部分真空件全部安裝于同一控制板之上，隨后將該控制板安裝于自動貼瓷磚機器人的手臂之后，以便使該機器人的末端執(zhí)行器整體質(zhì)量有效降低。

當前，真空發(fā)生器已經(jīng)被越來越廣泛地運用到電子原件、機器人等裝配工作領(lǐng)域當中，如今較為常見的真空發(fā)生器一般擁有良好的可靠性、較高的真空度、穩(wěn)定的運行能力以及相對簡單的結(jié)構(gòu)等眾多優(yōu)勢。真空發(fā)生器主要是借助對起源進行壓縮，從而創(chuàng)造真空條件。一般來說，真空吸盤和真空發(fā)生器往往會相互配合，特別是吸附非金屬材料的效果較好，其可靠性較高，所以如今真空發(fā)生器也會被廣泛應用到搬運機械手的設(shè)計工作當中。如今應用較為普遍的真空發(fā)生器，主要的組成部分包含了擴散腔、噴管以及吸附腔。在實際的工作過程中，會從真空發(fā)生器噴管部分高速地將壓縮空氣噴射出來，隨后于噴管出口的周圍形成相應的射流，隨后形成卷吸流動，而在卷吸流動作用過程中，噴管出口周圍空氣將會被持續(xù)吸走，導致吸附腔中的壓力逐漸降低，直至被降到大氣壓以下，進而形成真空環(huán)境。

5 結(jié)語

總體而言，在室內(nèi)裝飾行業(yè)當中，貼瓷磚屬于一項極為重要也十分常見的工作，這主要是由于瓷磚自身具備清潔方便、美觀以及強耐用性等優(yōu)勢和特征。自動貼瓷磚機器人的出現(xiàn)，能夠使得貼瓷磚工作早日實現(xiàn)自動化，幫助工作人員降低工作強度，進而實現(xiàn)有關(guān)企業(yè)經(jīng)濟效益的最大化，將人工勞動有效替代。

參考文獻

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[2] 花勇，趙剛.一種室內(nèi)分體式自動鋪磚機的控制系統(tǒng)設(shè)計[J].信息與電腦（理論版），2016（16）：117-119.

[3] 黃澤宇.貼瓷磚機器人移動本體的設(shè)計及運動規(guī)劃[D].東北大學，2015.

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