水平多关节型码垛机器人结构设计

应万明++张壮

摘 要：根据目前物流自动化对箱包等物料高速码垛的工作要求，确定了码垛机器人的基本技术指标，设计了三自由度水平关节型码垛机器人的机械结构。通过运动学分析得出了码垛机器人的运动学方程，并通过对运动学方程的逆解求出码垛机器人各关节的位姿，应用 Solid Works 软件构建了码垛机器人的三维实体模型，进行模型装配，实现了码垛机器人码垛过程的仿真。对码垛机器人结构的设计与运动学分析可以为设计和生产码垛机器人提供借鉴。

关键词：码垛机器人 三平动一垂直 SolidWorks设计

中图分类号：U46 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）08（c）-0108-03

1 背景概述

码垛是将装入容器（如纸箱、编织袋和桶等）的物料或者经过包装和未经包装的规则物品，按一定排列码放在托盘（木质）上，进行自动堆码。可堆码多层，然后推出以便于继续进行下一步包装或者用叉车运至仓库储存。码垛机器人可以实现智能化操作管理，从而大大减少劳动人员，降低劳动强度。码垛机器人已广泛应用于石化、食品、医药、饲料、粮食、有色矿物和建材等行业中的粉状、粒状物料以及规则有一定体积物品的自动码垛。

1.1 码垛机器人的技术指标

（1）产品形式：PET瓶、玻璃瓶。

（2）码垛物品：纸箱包装、膜包。

（3）包装瓶容量规格：500mL。

（4）码垛速度：不少于15箱/min（24瓶/箱）。

（5）物品重量：不大于20kg（每箱）。

（6）纸箱尺寸：385mm×270mm×235mm。

（7）码垛层数：4层。

1.2 码垛机器人的总体组成

此水平多关节型码垛机器人包括机架、垂直驱动链、水平驱动链和末端执行机构四部分。机架部分主体设计为支持柱，外加前防护盖板、后防护盖板、底座、底座配重及滑竿等。其中滑竿的作用是垂直驱动链中的动平台与滑竿通过滑块相连接，实现动平台的上下运动。

垂直驱动链部分选择伺服电机作为驱动动力，减速机作为减速部件，传动部分选择链轮链条传动。其伺服电机与横梁轴之间通过减速机和联轴器相连；链轮安装在横梁轴上；安装在链轮上的链条，其一端连接垂直驱动链中的动平台，另一端连接垂直运动配重，配重的作用是平衡和实现垂直方向的快速运动；链轮在横梁轴上的安装位置应使链条与动平台的连接部分处于垂直方向。

水平驱动链部分选择两个伺服电机作为驱动动力，选择多关节杆链作为传动装置。其中多关节杆链包括第一水平运动主动臂、第二水平运动主动臂、第一水平运动连接杆、第二水平运动从动臂、两个水平连接杆、水平运动保姿态杆及多个连接轴等。水平运动保姿态杆的作用是为了实现水平运动后末端执行机构的摆放角度不改变，即末端执行机构不需要安装相应的电机，减少设计成本。

末端执行机构部分包含两组气缸，其中一组气缸的作用是实现抓手部分的插入和退出动作，另一组气缸的作用是实现压板的压箱和撤销动作（压箱是为了防止纸箱脱落）。

现有的码垛成型方式主要是依靠末端执行机构的抓包及旋转调整一定角度的动作，进而摆放到指定位置，实现一定的码垛形式，但此种方式大多需要四自由度码垛机器人，除了垂直及水平方向的运动外，还必须在末端执行机构上安装一个驱动电机，实现垂直旋转运动，即所抓产品的旋转调整角度动作，因此，这种码垛成型方式既增加了末端执行机构的自身重量，也增加了制造成本。

基于以上说明结合比较几种国内外的码垛构型，本文所设计的水平多关节型码垛机器人及生产线则避免了以上缺点。水平多关节型码垛机器人中的水平驱动链运动时不改变末端执行机构所抓纸箱的摆放角度，则末端执行机构不需安装旋转驱动电机，只需在配套的生产线中安装转箱装置来实现不同的码垛形式。此种码垛机器人既减小了设计及制造难度，也减少了产品的成本。

2 水平多关节型码垛机器人的设计策略

2.1 末端执行机构的设计

末端执行机构与水平驱动链之间设定为通过末端平台相连接。末端执行机构的主体支撑部分为方钢和星型铝型材的组合体（命名为末端支架）；末端支架与末端平台之间通过末端连接法兰相连接；末端支架上安装两组气缸，一组气缸连接压板，故压板可以随气缸杆上下运动，当抓手插入纸箱底部时，压板压紧纸箱以防纸箱脱落；抓手与推板、直线轴承座、支架法兰等相连接组成一个运动体，该运动体穿过导杆，由另一组气缸提供动力，故此运动体可以沿导杆长度方向运动。

末端执行机构的工作情况，具体为：末端连接法兰与末端平台相连接用以吊起整个末端执行机构；末端支架安装在末端连接法兰下面作为末端执行机构的框架；支架法兰、直线轴承、直线轴承座、推板、抓手等组成一个运动体，此运动体在气缸组一的带动下沿着导杆的长度方向往复运动，当开始抓箱时，此运动体沿着A方向插进纸箱底部；抓手插进纸箱底部后，气缸組二带动压板向下运动则可压紧纸箱，而后末端执行机构就可根据工作要求将纸箱搬运到指定位置；纸箱到达指定位置后需先将抓手部分的运动体沿A方向的相反方向撤出抓手，随后将压板升起，即可完成整个搬运纸箱过程，随后进入下一次搬箱过程，依次重复。

2.2 水平驱动链的设计

本文所设计的水平驱动链如图2所示。初步设定各参数为：第一水平运动主动臂（12）、第一水平运动连接杆（14）、

第二水平运动从动臂（15）、水平连接杆二（18）均长1500mm；第二水平运动主动臂（13）长300mm；水平连接杆一（17）长1500+300=1800mm；水平运动保姿态杆（16）中钝角100°两边的边长均为300mm。水平驱动链在一次的搬运过程中，其第一水平运动主动臂（12）约转角100°，第二水平运动主动臂（13）约转角60°。endprint

根据伺服电机、减速机的尺寸及水平運动传动系统中各杆的连接情况设计承载水平驱动链的动平台，此动平台上下端面安装伺服电机和减速机，且安装部位相对动平台中部对称，动平台的上端面中安装第一水平运动主动臂及第一水平运动连接杆的两孔中心距为300mm。

由于将设计用链轮带动动平台，则链轮的中心轴到动平台中与链条相连接部位的中心的距离应等于链轮的分度圆半径为宜，而根据已设计的动平台知，此链接部位的中心到动平台靠近机架的平面的距离为75mm。

至此可通过SolidWork s软件精确设计整个水平驱动链及与末端执行机构和垂直驱动链相连接部位的末端平台和垂直运动动平台。垂直运动动平台材料选取铸造碳钢，故可估算出垂直驱动链需要带动的载荷约为600kg。动平台通过连接滑块及滑竿与机架部分相连接，即连接滑块固联在动平台上，滑竿固联在机架上，且连接滑块可以在滑竿上沿滑竿长度方向上下运动，根据连接滑块的设计可确定此滑块厚度为40mm，根据滑竿的设计可初步确定此滑竿长2200mm。

2.3 机架设计

机架主要有支持柱、前防护盖板、后防护盖板、底座板、底座配重及滑竿。

（1）支持柱为整个机架的主体，包含三面板，垂直驱动链主要安装在支持柱（20）上，其中长2200mm，底面为边长为600mm的正方形。

（2）前防护盖板用来遮挡垂直驱动链的主传动部分，起到保护及美观的作用。

（3）后防护盖板与支持柱一起共同组成机架的框架。

（4）底座板用于确定整个机器人的安装位置，通过地脚螺栓安装与定位，与支持柱及后防护盖板之间的联接方式为焊接。

（5）底座配重分别安装在底座板的两边，每边各10块，每块约重7kg，即每边总重70kg。滑竿的作用是为了让动平台跟随滑块沿滑竿的方向运动，另外为了让滑块和滑竿之间更好的配合，它们的截面设计成特定形状。

3 生产线的设计策略

此生产线主要由传输线主体、转箱装置、挡箱装置组成，其中传输线主体由传输支架、槽钢横梁、滚筒及纸箱挡板等。具体如图3所示。

转箱装置的作用是将传输到此处的纸箱旋转90°，而水平驱动链及末端执行机构的动作会保持纸箱的摆放方向不变，因此两者结合后会摆放成不同的码垛形式。

转箱装置的运动过程如下：当纸箱传输到一定位置时，转箱气缸将竖直方向伸出气缸杆带动旋转头及旋转滚子运动，待纸箱旋转90°后沿水平方向的反方向撤回，即可完成一次转箱动作。转箱导杆具有辅助旋转头及旋转滚子运动的作用。

挡箱装置的作用是阻挡住纸箱的传输，使之停留在一定的位置，待上一个（或一些）纸箱被搬走后，将停留在此处的纸箱放行。

挡箱装置的运动过程如下：当纸箱传输到挡箱装置安装的位置时，挡箱气缸将沿斜方向伸出气缸杆带动挡板运动，待上一个（或一些）纸箱被搬走后沿E方向的反方向撤回，即可完成一次挡箱动作。

参考文献

[1] 万彦文.关于码垛机器人结构设计研究[J].中国科技博览，2015（8）.

[2] 牟晓华.翅片管码垛机器人结构设计、优化与控制的研究[D].上海海洋大学，2016.endprint