水泥装车机器人结构设计与分析

李凯

摘 要：以往在装卸袋装水泥时，常常需要大量人力，并且劳动强度非常大，还需要耗费较多时间。目前很多水泥厂商开始应用机械化装车设备，不仅减轻了工人的工作量，还在很大程度上提高了装车效率。文章对水泥装车机器人的工作原理进行了阐述，对水泥装车机器人的结构设计进行了论述，并对装车机器人的机械臂运动学进行了分析，以供相关人员参考。

关键词：水泥装车机器人；结构设计；吊架；机械臂；运动学分析

1.水泥装车机器人工作原理

第一步，在水泥袋顺着皮带滑动过程中，拨板会朝左侧搬运箱方向移动，水泥袋就顺着这个方向滑进此搬运箱。第二步，左侧机械臂移动到第一袋部位，与此同时，拨板朝右侧搬运箱方面移动，第二袋水泥滑进右侧搬运箱。第三步，左侧机械臂返回过程中，右侧机械臂朝第二袋水泥原先所在位置移动，此时拨板朝左侧搬运箱移动。按照这个流程循环往复，指导整排袋装水泥码放完成。在码放每一层水泥袋时，移动天车在导轨上不断匀速移动，当码完一层后，吊架部分的电动缸会向上提升，持续码放下一层[1]。

2.水泥装车机器人结构设计

2.1机械臂设计

为保证迅速将袋装水泥码放到位，机器人从支架拨盘位置将水泥袋接收并码放到制定位置，这要求机械臂应拥有大小臂以及搬运箱3个可转动关节，以便于接取和平移等各种动作的实施。大小臂以及搬运箱可利用减速电机实现转动，减速电机的传动比较高，并且传动精度以及传动效率也非常高，传统部件大都采用通用标准，并且市场售价相对较低，购买与安装都很容易。由于水泥装车机器人的机械臂关节重量及其扭矩是逐步传递的，所以大臂力矩必须最大化。本机器人采用大力矩伺服电机为机械臂提供力矩。

2.2吊架設计

水泥装车机器人的吊装结构的上下移动是利用电动缸的伸缩作用来实现的，以有效调整水泥装车时的高度，达到逐层码放水泥袋的目的，并合理消除斜皮带左右摇摆对装车作业造成的影响。在吊架结构中，上面部分有效连接移动天车，并加强固定。下面部分连接电动缸末端关节轴承以及支架。

2.3搬运厢设计

将机器人搬运箱结构中的伺服电机连接到减速器之后，同时又经底座装设在机器人的小臂结构的关节位置，减速器轴与中心轴在A型普通平键的基础实现连接，中心轴插装在小臂关节中的圆锥滚子轴承内圈，利用50型毡圈油封将下端轴承密封起来。相比于机器人的大臂结构，中心轴下端通过16x100型带孔销与法兰盘实现连接，法兰盘通过若干个螺栓与搬运箱外壳实现连接，搬运箱底部安装有24V电动滚筒，能够有效调节速度[2]。电机轴旋转过程中，中心轴受减速器作用而发生旋转，进而促使搬运箱进行转动。同时周边装设有接近式传感器，能够将搬运箱的转动速度控制在合理范围内，从而有效保证装车过程中对码放方向的要求。

3.机械臂运动学分析

水泥装车机器人的设计，涵盖了诸多运动学分析相关内容，尤其是机械臂运动学分析方面，其重点分析内容在于机械臂关节变量与末端执行器位姿的关系，主要包括运动学正解问题与运动学逆解问题等。机械臂运动学正分析是在机械臂各关节位移量或转角的基础上，对其末端执行器的位姿进行推算。而其运动学逆分析是在机械臂末端位姿的基础上对各关节位移量或转角进行计算。下面以机械臂运动学的正解为例，进行分析。

机械臂正解分析的主要内容是通过机械臂的运动学方程的建立，对末端执行器位姿围进行求解。从3自由度的机械臂方面出发，可得出相应的运动学方程：

（1）

该公式中：A1、A2、A3表示不同矩阵，是第m个连杆相对于第m-1个连杆的齐次变换。字母p表示末端点的位置矢量。字母n、字母o以及字母a，分别描述了相应姿态的3个相垂直的单位向量。

从这里可以得出：

（2）

在计算过程中应当对正解进行充分验证，以保证其正确性。当初始位置θ1=900，θ2=00，θ3=900时，将这些数据代入公式（2），可得出机械臂运动学方程结果：

此次计算结果与机械臂的具体位姿一致。

当大臂旋转900时，θ1=00，θ2=00，θ3=900，将这些数据代入公式（2），可得出机械臂运动学方程结果：

此次计算结果与机械臂具体位姿相一致。

从机械臂的运动学正解分析过程，可以发现，末端执行器位姿向量与其关节转角θ之间，存在一定的函数关系，若得知机械臂3个关节的转角θ1、θ2、θ3的确定值后，就能将其代入到公式（2）中，从而准确得出末端执行器位姿，以及相应位置的矢量，进而末端执行器坐标系相对于基坐标系的位姿也就得以确定，最后求得机械臂运动学正解。