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3面粉码垛机器人的结构设计

3.1面粉码垛机器人底座及其驱动设计

本文研究的六轴面粉码垛机器人底座作为机器人整体结构的承载部位，同时还要兼顾调整工作位置的职能。为了保障底座的稳定性和载荷能力，底座结构设计如图9所示。该结构采用蜗杆减速驱动，驱动电机位于结构的右侧，通过蜗杆转动带动蜗轮转动，蜗轮位于底座中心位置，可以有效避免偏心振动对工作精度的影响。驱动电机与底座外壳联结，保证了运动时不会受外在因素的干扰，进而进行稳定工作。动力由蜗轮通过键槽传递到回转轴上，进而传递到整个机构上，使机器人能够精确地调整工作位置，完成码垛操作。

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1.底座2.蜗轮3.伺服电机4.支撑轴承5.回转轴6.蜗杆

图9底座结构图

3.2面粉码垛机器人腰部设计

基于作业任务需求，本文研发的六轴面粉码垛机器人的腰部机构主要由大臂和平衡杆构成，各个关节处采用转动轴的设计方式，来保证关节的灵活性。底座作为整个机器人的承载机构，既要承载臂部和端部结构，又要调整工作位置。因此，其设计还需要考虑静动态时的稳定性，腰部结构设计如图10所示。左侧伺服电机带动大臂转动，来实现机器人腰部机械结构的整体调动工作；右侧伺服电机带动连杆转动，平衡杆与连杆连接，并与连接座相连，连杆转动带动平衡杆摆动，从而连接座转动。平衡杆一端与大臂和连杆构成平行四边形，这个设计结构保证了端部的中心轴线垂直，设计的平衡杆能在一定程度上减少突发情况带来的震动问题。

1.底座2.伺服电机3.大臂4.连接座5.平衡杆6.连杆

图10腰部结构图

3.3面粉码垛机器人小臂设及腕部设计

在六轴面粉码垛机器人中，小臂和腕部构成了机器人末端的重要组成部分，该部分负责与物品进行接触并完成码垛工作。小臂的具体结构如图11所示，其运动由三个伺服电机提供动力，这三个电机分别通过齿轮的啮合来带动小臂轴、腕部轴以及末端夹爪轴的转动。

1.整体转动伺服电2.支撑座3.腕部转4.末端夹爪转动轴5.腕部6.小臂轴7.轴承8.齿轮9.腕部转动伺服电机10.末端夹爪转动伺服电机

图11小臂结构图

如图12所示，本文重点探讨了六轴面粉码垛机器人腕部结构设计。采用三轴层层嵌套的方式，并通过齿轮啮合的方式带动工作。腕部转动的带动工作通过伺服电机对大锥齿轮的驱动来实现的。同时，小锥齿轮带动圆柱齿轮转动，圆柱齿轮再通过小锥齿传动，带动末端转动锥齿轮，从而实现末端夹爪的转动。这种设计有效保障了机器人末端夹爪能够精准抓取和灵活转动，更好的应用到各种物品的搬运工作中。

1.连接板2.末端连接轴3.末端转动锥齿轮对4.圆柱齿轮对5.外壳

6.腕部转动锥齿轮对7.末端转动锥齿轮对

图12腕部结构图

3.4面粉码垛机器人末端执行器设计

末端执行器与上述腕部底座进行法兰连接，可以实现转动，其实现物体的夹爪，其结构图如图13所示。气缸活动端与夹爪末端及滑块连接，气缸上下运动推动滑块沿轨道运动，滑块与两指连接，实现指关节的张合动作。

1.气缸2.夹爪3.连接板4.滑块5.固定块

图13夹爪结构图

3.5面粉码垛机器人整体结构

整体模型将上诉各个部位完成装配后，我们得到了六自由度机械手的三维模型，如图14所示。该模型以转动关节为核心，实现了六个自由度的设计。底座可旋转，带动整个机构转动，而各关节则通过转动关节紧密相连。这种设计不仅保证了机械手的灵活性，还简化了结构，提升了整体性能，并且能够在大范围的工作空间作业。

图14整体结构图

4面粉码垛机器人主要部件的计算及选型

4.1伺服电机的计算及选型

本文深入计算与分析了机械大臂的伺服电机选型。在面粉码垛机器人大臂垂直且前端伸展至最远端时，J2轴处于受力最大的危险状态，因此需特别关注其受力情况。臂即J2轴处于最危险状态，承受的力最大。对于J2轴，我们使用三维软件SolidWorks对其模型进行建模，并添加材料Q235进行测量，发现其质量为m2=24.795kg，转动惯量为1.45kg·m2，质心到其自身轴线的平行路程为630mm。此外，J2轴的最大转速为150°/s。

通过上述数据的分析，选用转速为3000r/min的交流伺服电机。考虑到J2轴需驱动小臂和前端迅速前伸，此过程中速度会经历变化。具体来说，速度从零迅速增至某值后保持稳定，最终再缓慢减至零。整个速率变化过程可分为三个阶段：加速段t1（0.2s），匀速段t2（0.4s），以及减速段t3，其数值为0.2s。根据上述数据，J2轴的驱动力矩M可以通过以下公式计算得出：

M=M1+M2

运行时大臂的角加速度为：

a=wt1=150×π180÷0.2=13.9ras/s2