基于SolidWorks的存码垛机械手结构设计

刘慧梅+陈艳+张荣

摘要：本文利用SolidWorks对用于箱类和袋类物品取放的存码垛工业机器人本体进行结构设计。存码垛工业机器人本体主要有基座、腰部、大臂、小臂、末端执行器、等部件组成。本设计对工业机器人的研究有一定的参考价值。

关键词：应用型本科；创新能力；机械制造基础；教学改革

1 Solidworks软件简介

SolidWorks是法国达索公司最先在Windows系统上开发的一款三维设计软件。其CAD功能方面涵盖了所有的设计类型，实体建模、曲面设计、二维工程图、装配、运动仿真、结构分析等功能一应俱全。创新的自顶向下设计过程使得设计工作一目了然，实时的更新功能使得工程师可以随时对产品特征参数进行动态修改。除此之外，SolidWorks还为不同的设计人群提供不同的功能模块，包括钣金、管道布线、电气设计等，使得设计过程简洁而丰富。

2 码垛机器人的发展

国外，最早将工业机器人技术用于物体的码放和搬运是日本和瑞典。1968年，日本第一次将机器人技术用于码垛作业。1974年，瑞典ABB公司研发了全球第一台全电控式工业机器人IRB6，主要应用于物品的取放和物料的搬运。随着计算机技术、工业机器人技术以及人工智能控制等技术的发展和日趋成熟，日本、意大利、德国、美国、瑞典、韩国等国家在码垛机器人的研究上做了大量工作，相应推出了自己的码垛机器人，如日本的FANUC和OKURA以及FUJI系列，德国的KUKA系列，瑞典的ABB系列等。工业机器人技术的飞速发展，使得码垛机器人在各个行业都得到了广泛的应用。

3 码垛机器人的工作对象

本文设计的码垛机器人的工作对象及其参数如下：

（1）码垛物品：箱类物品（如一箱纸巾）和袋类物品（如一袋洗衣粉）等。

（2）物品尺寸：长为200至500mm，宽为200至400mm，高为100至300mm。

（3）物品质量：每件物品为5至15kg。

（4）物品运动范围：以机器人为中心的，半径为3m，角度为90至180度。

4 码垛机器人结构设计

本文设计的码垛机器人为关节型机器人，这类机器人占地面积小、机构紧凑，工作空间大，还能穿过障碍物进行抓取，是机器人中使用最多的一种结构型式。码垛机器人的本体（即机械手）包括基座、腰部、大臂、小臂、末端执行器（俗称爪子），它的运动主要由码垛机械手手臂的俯仰运动和腰部的旋转运动组成。

4.1 手爪的结构设计

机械手臂末端抓取器大致可分为：夹钳式、专用操作式、吸附式、仿生多指式四类。由于工作对象为箱式或袋式物品，只需要设计能从不同角度抓取物品的夹钳式即可。其结构如图1所示，可以抓取不同大小多个种类的箱式或袋式货物。

4.2 臂部的结构设计

手臂部件（简称臂部）是机器人的重要执行部件，它的作用是支承腕部（关节）和手部（包括工件和工具），并带动它们在空间运动，臂部还安装一些传动驱动机构，从臂部的受力情况来看，它在工作中直接承受腕，手和工件的静动载荷，自身运动 又较多，所以受力情况复杂。

臂部主要是进行俯仰运动，这里采用铰接活塞缸实现臂部的俯仰运动。该机构的特点是，工作范围大、灵活性好。

4.2.1 大臂的结构设计

大臂是臂部的组成部分，它两端分别与小臂和立柱相连，它都是通过铰链连接。大臂的运动是通过与立柱相连的铰链活塞缸来进行运动传递的，它的运动轨迹就是一个圆弧形，通过活塞缸来进行俯仰运动，运动单一，结构简单。它较之小臂粗大，因为它是码垛机器人主要的受力部分之一。其三维结构如图2所示。

4.2.2 小臂的结构设计

小臂两端是与大臂和末端执行器连接，这里采用铰链连接，大臂与小臂之间的运动传递，采用铰接活塞缸来实现，其结构简单，运动性能好。小臂比之大臂在设计时材料消耗要比大臂少，体积也小，重量轻。其三维结构如图3.5所示。

4.3 立柱（腰部）的结构设计

立柱主要是支撑大臂小臂的重量，连接大臂和底座，并且固定了活塞缸的运动范围。结合要求与设计过程，腰部的结构材料为合金结构钢，无经淬火与回火处理。其三维结构如图4所示。

4.4 活塞缸的设计

本次设计，我采用最多的动力传动方式就是活塞缸，因为它工作形式单一，只能进行伸缩运动，且结构简单，由缸体和活塞缸组成，并且它在机器人的设计中运用很广泛。其三维结构如图5所示。

4.5 底座的结构设计

底座是承受码垛机器人整体重量的主要部件，且由于码垛机器人的手臂长，导致机器人整体重心并不在底座中线上，所以底座较为宽大。其三维结构如图6所示。基于底座在本次设计中的作用，选取底座的材料为铸铁，且设计底座尺寸为：长×宽×高= 280 mm×120 mm× 20 mm。

5 结论

码垛机械手的总体结构如图7所示，其运动是由腰部的旋转、手臂的俯仰、末端执行器的夹紧和放松组成。码垛机器人工作的全部流程：第一步，大臂处的活塞杆运动，带动小臂进行下伏运动，从而末端执行器接近物品，并通过夹紧缸将物品抓取；第二步，大臂进行上仰运动，带动物品上升；第三步，腰部回转缸进行回转运动，将物品移到堆放指定区域上空；第四步，大臂又下伏，将物品放在堆放台上，并且夹紧缸放松物品，最后大臂上仰，腰部旋转回到原位。

参考文献：

[1] 殷际英，何广平.关节型机器人[M].北京：化学工业出版社，2003.7.

[2] 侯国柱.关节型机器人的结构设计及其运动学分析[D].内蒙古工业大学，2007.