李賀軍 ， 翟梽錦 ， 任小中

（1.黃河交通學(xué)院機電工程學(xué)院，河南 焦作 454950；2.焦作市智能機器人工程技術(shù)研究中心，河南 焦作 454950）

工業(yè)機器人具有速度快、效率高、可節(jié)約人工成本等優(yōu)勢，在食品行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用，可用于上料、搬運、裝卸、分揀、碼垛、包裝等工序[1-3]。但目前常用的多關(guān)節(jié)型機器人、SCARA 型機器人、平行桿型機器人成本較高，直角坐標(biāo)機器人、圓柱坐標(biāo)機器人等雖然成本較低[4-5]，但自由度低，靈活性差，這些因素限制了工業(yè)機器人在小企業(yè)中的推廣與應(yīng)用，也制約了小企業(yè)生產(chǎn)智能化、自動化的發(fā)展[6-8]?；诖?，本文設(shè)計了一種低成本的小型碼垛機器人，能實現(xiàn)90°、60°、45°等定角度擺臂，同時具有移動功能，可用于餅干、沙琪瑪、薯片、香腸等箱裝食品的搬運和碼垛工作，也可以配合企業(yè)現(xiàn)有的食品生產(chǎn)線，靈活解決小批量、個性化訂單的上下料問題[9-10]。

1 總體方案設(shè)計

如圖1 所示，輪式食品碼垛機器人主要由車體驅(qū)動機構(gòu)、機械臂升降機構(gòu)、夾爪平移機構(gòu)、機械臂旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和夾爪機構(gòu)組成。車體驅(qū)動機構(gòu)可以采用驅(qū)動帶輪加同步帶的形式帶動后輪運動；機械臂升降機構(gòu)可以通過電機絲杠機構(gòu)將機械臂和滑塊連接在一起，電機正轉(zhuǎn)帶動機械臂沿著導(dǎo)柱下移，電機反轉(zhuǎn)則機械臂上移；夾爪平移機構(gòu)可以采用驅(qū)動帶輪加同步帶的形式，電動機轉(zhuǎn)動使夾爪沿著導(dǎo)軌左右移動；機械臂旋轉(zhuǎn)機構(gòu)采用槽輪機構(gòu)，電動機帶動旋轉(zhuǎn)機構(gòu)主動撥盤，通過圓柱銷帶動槽輪轉(zhuǎn)動，可實現(xiàn)定角度間歇運動；夾爪機構(gòu)采用雙氣缸夾緊機構(gòu)，可以實現(xiàn)快速夾緊和卸料的目標(biāo)，同時，上面也設(shè)有氣缸，用于配合升降機構(gòu)拓展上下工作空間。

圖1 總體方案設(shè)計圖

2 車體運動學(xué)分析

機器人車體驅(qū)動采用兩后輪獨立驅(qū)動，前輪隨動的輪式機構(gòu)，機器人運動機構(gòu)分析如圖2所示。

假設(shè)機器人的方向輪相對于車體縱軸的旋轉(zhuǎn)角度為φ，車體縱軸與X 軸的夾角為θ，左輪速度為V1，右輪速度為V2，車體速度為Vp， 驅(qū)動輪軸距為B，則：

X 向速度分量：

Y 向速度分量：

假設(shè)V1=0，則車體角速度w1=；假設(shè)V2=0，則車體角速度w2=

根據(jù)運動合成，此時車體角速度為：

機器人運動學(xué)方程為：

車體轉(zhuǎn)動半徑r為：

當(dāng)V1和V2速度相反時，|V1+V2|＜|V2-V1|，r＜B/2，機器人在實際作業(yè)時，只需控制V1和V2的速度大小，即可以實現(xiàn)小半徑轉(zhuǎn)彎和零半徑回轉(zhuǎn)，能夠適應(yīng)狹窄通道和緊湊型食品生產(chǎn)車間。

圖2 機器人運動機構(gòu)分析

3 主要零部件設(shè)計校核

輪式食品碼垛機器人的主要設(shè)計內(nèi)容包括電動機的選型計算、同步帶傳動設(shè)計、絲杠傳動設(shè)計、軸的設(shè)計與校核、軸承的選型與校核、鍵的選擇與校核、聯(lián)軸器的選擇、導(dǎo)軌的選型計算、導(dǎo)柱的設(shè)計校核、氣缸的選擇、夾緊機構(gòu)設(shè)計、槽輪機構(gòu)設(shè)計等，其中，車體軸承的計算校核如下：

初選6206 型深溝球軸承，量動載荷P為：

式中，X為徑向載荷系數(shù)（X=1）；Y為軸向載荷系數(shù)（Y=0）；徑向載荷Fr=2 136.4 N；軸向載荷Fa表示支撐軸主要承受的徑向力（Fa=0）。

基本額定壽命為：

式中，Cr為基本額定動載荷（Cr=15.2 kN）；ft為溫度系數(shù)，工作溫度小于100 ℃時，取ft=1；fp為載荷系數(shù)，工作時沖擊較小，取fp=1；ε為軸承壽命指數(shù)，球軸承取ε=3；軸承轉(zhuǎn)速n=88.4 r/min；預(yù)期壽命L=48 000 h（10年，2 班制）。

可以得出：L＜L10h，軸承壽命合格。

4 零部件三維設(shè)計

基于SolidWorks 三維設(shè)計平臺，設(shè)計了撥盤、槽輪、車體、驅(qū)動輪、導(dǎo)向輪、夾爪、導(dǎo)柱、絲杠、導(dǎo)軌、機械臂等共計83 個零部件，部分零部件的三維造型如圖3所示。

圖3 部分零部件三維造型

5 裝配設(shè)計與分析

該機器人的裝配設(shè)計主要包括末端執(zhí)行器的裝配設(shè)計、機械臂的裝配設(shè)計、升降機構(gòu)的裝配設(shè)計以及車體的裝配設(shè)計等，經(jīng)過干涉檢查、間隙驗證、孔對齊等評估，裝配方案合理，機器人總裝圖如圖4所示。

圖4 機器人總裝圖

機器人移動由驅(qū)動電機11 通過同步帶1 與同步帶9 傳動帶動后輪8 實現(xiàn)；機械臂升降運動由升降電機22 通過絲杠機構(gòu)實現(xiàn)；機械臂旋轉(zhuǎn)運動由旋轉(zhuǎn)電機13 通過槽輪機構(gòu)控制，可實現(xiàn)90°定角度轉(zhuǎn)動，另外通過更換不同的槽輪機構(gòu)，可實現(xiàn)60°、45°等定角度擺臂運動，在間歇期，可以完成食品箱的夾持和卸料工作。其主要技術(shù)參數(shù)有：長寬高（1 800 mm*1 210 mm*1 750 mm），整機質(zhì)量（210 kg），自由度（5），車體移動速度（5 km/h），最大承載量（8 kg），機械臂工作空間（上下為910 mm，左右為778 mm，定角度為90°）。

6 結(jié)論

1）機器人零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，經(jīng)裝配評估，無干涉、間隙、孔未對齊等問題，裝配設(shè)計合理，能實現(xiàn)機械臂旋轉(zhuǎn)、升降和平移動作。

2）車體采用兩后輪獨立驅(qū)動，前輪隨動的驅(qū)動方式，可以實現(xiàn)小半徑轉(zhuǎn)彎和零半徑回轉(zhuǎn)運動，適用于狹窄通道和緊湊型車間。

3）通過更換不同的槽輪機構(gòu)，可以實現(xiàn)機械臂的45°、60°、90°等定角度旋轉(zhuǎn)運動，適用于角度固定的碼垛作業(yè)操作。本研究可以為移動食品碼垛機器人的設(shè)計提供一定參考。