基于机器视觉的面粉袋码垛机器人研究中直角运动机器人结构设计

4.3直角运动机器人（码垛机器人）结构设计

根据面粉袋码垛系统的实际工作要求及机器人应具备的工作参数，并结合各类型机器人所具有的特点，设计了应用于面粉袋码垛作业的4自由度直角运动机器人。所设计的直角运动机器人的整体尺寸为5000mm x 3 850mm x3400mm，横跨在四个面粉袋托盘和视觉识别区域之上，在水平面纵向行程为4000mm，在水平面横向行程为3600mm，竖直方向行程为1200mm。图4.3所示为该直角运动机器人的轴测图，图4.4为该直角运动机器人的主视图。

直角运动机器人码垛机器人是由立柱、横梁和纵梁组成的大型框架结构，各移动支架之间的连接均采用导轨和滑块的形式。由于直角机器人在纵向X轴方向和横向Y轴方向的行程较大，并且运动精度要求不是特别精确，因此选择成本相对低的齿轮齿条驱动方式。此外，两端的纵向移动架和横向移动架采用双伺服电机直接驱动，可以避免造成单侧驱动之间的滑块与导轨的卡死现象，使移动架不能流畅运行甚至不能运动。再者避免了较长的机构传动链，使整个机构设计简洁也提高了运动的精度。在竖直的Z轴方向，机器人的运动行程相对较短，因此选用精度高的滚珠丝杠传动形式。相比于齿轮齿条传动，滚珠丝杠传动的平稳性更好，无冲击现象。驱动滚珠丝杠的伺服电机III安装在滚珠丝杠的底端，有利于降低整个横向移动架上部机构的重心，增加直角机器人运动的平稳性。由于滚珠丝杠本身不能自锁，因此在滚珠丝杆和伺服电机的连接处增加了抱闸装置，使竖直移动台能够保持在固定的位置。

竖直移动台通过滑块安装在竖直支撑架的导轨上，滚珠丝杠通过丝杠螺母带动竖直移动台上下移动，竖直移动台与手爪连接臂的顶端相连接，手爪连接臂是由方管和角铁焊接而成，其结构刚度大，下端焊有中空的法兰盘，手爪连接臂通过法兰盘与拾取手爪相连，则竖直移动台带动拾取手爪运动，实现了直角机器人在z轴方向的运动。在手爪连接臂和拾取手爪之间，通过法兰盘还安装了小型伺服电机N和行星减速器，伺服电机安装在手爪连接臂的法兰盘上，并置于其上的方管内。伺服电机的输出轴与减速器相连，减速器的输出端为法兰盘形式，直接与拾取手爪上的安装板相连，伺服电机通过减速机带动拾取手爪实现绕Z轴的旋转运动。最终通过对各伺服电机的运动控制便可实现拾取手爪到达工作空间中的任意位置。