中央廚房配送料機器人設(shè)計

摘要：根據(jù)對送料機器人動作需求分析結(jié)合自由度分析法確定機器人的綜合構(gòu)型;借助solidworks軟件對送料機人進行三維虛擬樣機設(shè)計并繪制其裝配圖以及關(guān)鍵零部件的二維零件圖;提出將機器人手臂裝載在桁架上的設(shè)計思路，進一步增強送料機人的工作空間，并借助伺服電機提高其完成相應(yīng)配送動作的響應(yīng)速度。

關(guān)鍵詞：機器人;機械手;配送;桁架;伺服電機

0 引言

對中央廚房而言，自動配料一直是需要解決的難點;對不同的食材、調(diào)料、油料等配料的自動配送，目前還沒有很好的解決方案。所以加快對中央廚房配送料機器人的研究顯得尤為重要。

1 配送料機器人構(gòu)型綜合設(shè)計

根據(jù)對送料機人機械手臂動作分析，為了能使機械手將食材送入鍋中，機械手臂在其x軸方向必須具備一個的轉(zhuǎn)動副初定于圖1中轉(zhuǎn)動副4所示。由于機械手還需送取調(diào)料，所以又需要添加2，3兩個轉(zhuǎn)動副來模仿手臂動作。

送料機器人手臂完成相應(yīng)工作需求步驟如下：首先，結(jié)合1處繞z軸的轉(zhuǎn)動副，通過絲桿完成上z軸方向的平動，這樣就可以實現(xiàn)整個手臂1到關(guān)節(jié)2上的z軸上的自由度，利用傳動導(dǎo)軌和傳動齒條，實現(xiàn)關(guān)節(jié)1到2的x軸上移動和y軸方向的移動，從而實現(xiàn)第一節(jié)的6個自由度。其次，在關(guān)節(jié)2處加了轉(zhuǎn)動副，實現(xiàn)了x和y的轉(zhuǎn)動，同時，關(guān)節(jié)1的擺動可實現(xiàn)2處z軸的轉(zhuǎn)動。最后，在關(guān)節(jié)3處也加了轉(zhuǎn)動副，2關(guān)節(jié)處的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)了3處的x和y、z軸的轉(zhuǎn)動，關(guān)節(jié)1處的絲杠傳動，實現(xiàn)了x和y的平動，并且利用了2處的轉(zhuǎn)動也實現(xiàn)了關(guān)節(jié)4處的轉(zhuǎn)動。從而最終該構(gòu)型設(shè)計達到中央廚房送料機器人的工作需求，其機構(gòu)簡圖如圖1所示。

2 送料機器人手臂運動過程及原理

運動過程：整個機械手有六個自由度，機械手的運動范圍廣，可以準(zhǔn)確而靈活的抓到相應(yīng)的菜籃子，和固體調(diào)料。選用的電機和機械手臂通過嚴(yán)格的計算和實際檢驗，能夠在機械手臂抓取菜籃子的時候做到快、穩(wěn)、準(zhǔn)，以實現(xiàn)從傳送帶上抓菜籃子，然后在輸送菜籃子的過程中，保持運行狀態(tài)平穩(wěn)，最后翻轉(zhuǎn)菜籃子這一動作的實現(xiàn)，再把菜籃子放回傳送帶上。

原理：利用電機驅(qū)動，機械臂可有六個自由度，實現(xiàn)抓菜籃子和固體調(diào)料的基本動作。利用機械臂最后末端的執(zhí)行件，電磁鐵實現(xiàn)抓住這一動作，其中包括取菜、送菜、帶菜、還菜籃子到傳送帶上的過程，送料機器人機械手臂二維圖如圖2所示。

3機械手三維造型

根據(jù)送料機器人機械手臂構(gòu)型設(shè)計利用solidworks軟件進行三維虛擬樣機設(shè)計如圖3所示。

4 機械手安裝在桁架的方案

考慮到現(xiàn)實情況，在廚房的屋梁結(jié)構(gòu)下，用桁架結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點;

①桁架結(jié)構(gòu)常常用于向廚房、廠房、體育館等公共建筑，由于大多用于屋蓋結(jié)構(gòu)，所以桁架結(jié)構(gòu)也被稱為屋架。

②桁架結(jié)構(gòu)主要承受壓力和拉力，可以充分發(fā)揮材料的性能和作用，可以節(jié)約材料，而且整個結(jié)構(gòu)輕盈、跨距大、受力體系簡單。

③桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計、安裝、制造都方便簡單，故應(yīng)用廣泛。

4.1 桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了節(jié)省空間，提高空間利用率，采用桁架連接機械手的結(jié)構(gòu)。桁架架設(shè)在廚房的上空，大大利用了原本被浪費掉的廚房上部空間，提高了廚房的空間利用率，空間利用率的提高意味著利潤，因此，從經(jīng)濟效益出發(fā)，桁架的架設(shè)是十分明智的。通過查找資料，以及研究對比后，決定了桁架使用絲杠傳動的方式來進行移動。對于機械手的移動方式上，我選擇了通過滾珠絲杠來完成傳動，參照了3D打印機的絲桿經(jīng)典傳動，利用絲桿精確的傳動，以便實現(xiàn)機械手的z軸的上下移動以及X軸的前后移動。絲桿傳動把回轉(zhuǎn)運動變成直線運動，可以精確控制機械手在z軸方向的移動。在豎直方向上，通過在絲杠的兩遍安裝兩根光桿以達到導(dǎo)軌的效用，而在水平方向上，在桁架的上表面安裝了兩條導(dǎo)軌，用以配合絲杠傳動，其三維裝配圖如圖4所示。

結(jié)語

桁架為導(dǎo)軌，電機為驅(qū)動件和減速器相連，輸出合適的轉(zhuǎn)速和扭矩，控制最終末端執(zhí)行元件機械手的運動。配送料機器人的執(zhí)行功能分為三大部分，第一是絲杠和機械手在桁架上的移動，第二機械手關(guān)節(jié)的運動，第三末端電磁鐵與相應(yīng)的菜籃子的接口配合運動。首先，整個系統(tǒng)通電，電機開始工作，帶動減速器開始運轉(zhuǎn)。根據(jù)實際情況，灶臺和傳送菜籃子的傳送帶上的菜籃子，調(diào)料臺固體調(diào)料的位置進行相關(guān)的工作。參照各種菜的流程，預(yù)先設(shè)計好調(diào)料放的次序和用量，包括油料和液體、固體調(diào)料的混合放置及一起放入。然后，在此期間還要同時兼顧機械手拿菜的時機，做到菜在最準(zhǔn)確的時間下鍋，調(diào)料在最正確的火候下鍋并嚴(yán)格控制其量的輸出。最后，還要根據(jù)實際狀況，對不同的菜系有不同做法，不同量的菜量選出適合的調(diào)料用量，使得菜品風(fēng)味更佳。

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作者簡介：沈茂松（1968-），男，漢族，江蘇揚州，揚州大學(xué)機械工程學(xué)院，?？莆膽{，技師，機械加工及熱處理.

（揚州大學(xué)機械學(xué)院?江蘇?揚州?225127）