自動(dòng)貼瓷磚機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

李月芹

摘 要：本文將分別對(duì)機(jī)器人本體的設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)裝置的選擇、末端執(zhí)行器以及氣動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行全面介紹，以期為有關(guān)部門提供可靠參考，并為建筑行業(yè)的全面發(fā)展提供助力。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)貼瓷磚機(jī)器人;機(jī)器人系統(tǒng);氣動(dòng)系統(tǒng);系統(tǒng)設(shè)計(jì);驅(qū)動(dòng)裝置

中圖分類號(hào)：TP249 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）21-0058-02

0 引言

如今，在建筑行業(yè)高速發(fā)展的大背景下，智能化機(jī)器人的全面開發(fā)已經(jīng)深入到了建筑領(lǐng)域當(dāng)中，該領(lǐng)域也是相關(guān)開發(fā)研究工作的重點(diǎn)領(lǐng)域。在各類建筑空間當(dāng)中，往往存在很多需要貼瓷磚的地面以及壁面等，比如衛(wèi)生間、游泳池以及工作間等。自動(dòng)貼瓷磚機(jī)器人的出現(xiàn)，可以緩解相應(yīng)勞動(dòng)壓力，節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本。

1 機(jī)器人本體設(shè)計(jì)

1.1 分析本體構(gòu)型

如今建筑市場(chǎng)當(dāng)中存在多種多樣的機(jī)器人，然而很多機(jī)器人都被應(yīng)用到具有較大負(fù)載的碼垛作業(yè)、搬運(yùn)物料作業(yè)或者具有較小負(fù)載的裝配電子元件作業(yè)、焊接作業(yè)當(dāng)中，如果圍繞這些機(jī)器人設(shè)計(jì)貼瓷磚機(jī)器人，極易出現(xiàn)由于不相符的負(fù)載，致使功率不足或者被浪費(fèi)，進(jìn)而增加了成本[1]。貼瓷磚機(jī)器人一般需要具備幾大特征，即結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、所有關(guān)節(jié)能夠協(xié)調(diào)、靈活地進(jìn)行動(dòng)作以及具有較大工作空間等。因此，設(shè)計(jì)的機(jī)器人可以是關(guān)節(jié)坐標(biāo)形式且串聯(lián)的機(jī)器人，其組成部分包含了小臂、大臂以及底座。設(shè)計(jì)的手臂位置關(guān)節(jié)有三個(gè)，主要被用在對(duì)手腕參考點(diǎn)部位加以確定，即定位部分。設(shè)計(jì)的手腕位置關(guān)節(jié)也有三個(gè)，主要被用在對(duì)機(jī)械手的末端姿態(tài)加以確定，即定向部分。這就使得貼瓷磚機(jī)器人自由度有六個(gè)，且每個(gè)關(guān)節(jié)都屬于旋轉(zhuǎn)式的關(guān)節(jié)，讓機(jī)械手能夠到達(dá)所處環(huán)境中所有位置，以便對(duì)瓷磚進(jìn)行靈活抓取，并且充分滿足瓷磚粘貼實(shí)際需求。

1.2 設(shè)計(jì)傳動(dòng)方案

（1）腰關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)。直接連接機(jī)器人的腰部以及電機(jī)，這樣設(shè)計(jì)使得機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)能夠更加簡(jiǎn)單，更利于布線、方便后續(xù)安裝，進(jìn)而使傳動(dòng)的路線被有效減短。在底座上方放置腰部，并且使電動(dòng)機(jī)輸出端與諧波減震器相連接，而諧波減震器可以向腰關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)中心進(jìn)行輸出，進(jìn)而使得腰關(guān)節(jié)和整體機(jī)構(gòu)進(jìn)行回轉(zhuǎn)。（2）大、小臂俯仰。直接連接諧波減震器以及電機(jī)，在此過程中直接連接諧波減震器與電機(jī)輸出軸，使得大臂進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。因?yàn)樽詣?dòng)貼瓷磚機(jī)器人并沒有過大的負(fù)載，所以設(shè)計(jì)成此類側(cè)置式的電機(jī)結(jié)構(gòu)，具有便于安裝和維修、減少操作空間中的干涉以及較大運(yùn)動(dòng)空間和簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)。（3）腕部滾轉(zhuǎn)。將同步帶和電機(jī)相連，這能夠使得同步帶可以向諧波減震器傳遞回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，隨后帶動(dòng)腕部進(jìn)行滾轉(zhuǎn)[2]。這種設(shè)計(jì)可以確保其第三關(guān)節(jié)有合適的配重。（4）腕部俯仰和翻轉(zhuǎn)。電機(jī)能夠經(jīng)由減速器，向錐齒輪傳遞回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并且經(jīng)由錐齒輪換向，向同步帶傳遞回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，隨后帶動(dòng)腕部俯仰。腰關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)和腕部翻轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)有著較為類似的運(yùn)動(dòng)形式，都會(huì)應(yīng)用到直接經(jīng)由電機(jī)的方式，將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)向減速器進(jìn)行傳遞，最后再將其傳遞至末端執(zhí)行器當(dāng)中。這種設(shè)計(jì)方式，能夠最大限度地縮短傳動(dòng)鏈。

2 選擇驅(qū)動(dòng)裝置

按照不同的能量轉(zhuǎn)換模式，我們可以把驅(qū)動(dòng)模式詳細(xì)劃分成電力驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)以及液壓驅(qū)動(dòng)，每一種驅(qū)動(dòng)模式都具備各自不同的特征，即：

電力驅(qū)動(dòng)：此類驅(qū)動(dòng)是如今被最多采用的驅(qū)動(dòng)之一，又可以被劃分為交流伺服電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以及直流伺服電動(dòng)機(jī)等。該驅(qū)動(dòng)方式具備成本低、沒有環(huán)境污染以及高精度運(yùn)動(dòng)等優(yōu)勢(shì)。氣壓驅(qū)動(dòng)：以此驅(qū)動(dòng)方式設(shè)計(jì)的自動(dòng)貼瓷磚機(jī)器人擁有價(jià)格較低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，其有方便的空氣來源，且能夠迅速動(dòng)作。然而因?yàn)榭諝饽軌虮粔嚎s，會(huì)使得此類驅(qū)動(dòng)具有較差的工作穩(wěn)定性，較小的抓取力，其抓取力通常僅為百牛、甚至幾十牛。液壓驅(qū)動(dòng)：此類驅(qū)動(dòng)雖然具備較高的精度和較大的抓取力，可以平穩(wěn)地進(jìn)行傳動(dòng)、緊湊的結(jié)構(gòu)以及較為靈敏的動(dòng)作等，然而此類設(shè)計(jì)往往對(duì)密封性具有較高要求，并不適合被應(yīng)用到溫度具有較大變化的場(chǎng)合當(dāng)中，并且需要為其配備相應(yīng)的液壓系統(tǒng)，這就會(huì)增加成本。相比于氣壓驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)這兩類驅(qū)動(dòng)，電力驅(qū)動(dòng)的重量更輕、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量更小、體積更小、過載能力更強(qiáng)。與此同時(shí)，電力驅(qū)動(dòng)的電機(jī)還擁有直流伺服電動(dòng)機(jī)基本屬性。

2.1 靜力分析

對(duì)于選擇傳動(dòng)件和驅(qū)動(dòng)件的工作而言，自動(dòng)貼瓷磚機(jī)器人各關(guān)節(jié)動(dòng)力的參數(shù)便是主要憑證。在此過程中的設(shè)計(jì)方法一般有兩類，即動(dòng)力學(xué)方法以及靜力學(xué)方法：

（1）動(dòng)力學(xué)方法：此方法通?？梢员挥玫竭\(yùn)動(dòng)速度較大的機(jī)械當(dāng)中。這主要是因?yàn)闄C(jī)器人每一個(gè)關(guān)節(jié)都具有較高的速度，所以具備較大的動(dòng)載荷，所以其粘滯摩擦、向心加速度以及哥氏加速度都不可以被忽略。（2）靜力學(xué)方法：運(yùn)動(dòng)速度較低的機(jī)械，其在運(yùn)動(dòng)時(shí)所生成的動(dòng)載荷也會(huì)較低，因此可以將摩擦、相信加速度以及哥氏加速度等量的干擾忽略掉，而這，便為“靜力學(xué)方法”[3]。因?yàn)楸疚牡臋C(jī)器人主要被設(shè)計(jì)應(yīng)用到粘貼瓷磚的工作當(dāng)中，因此重點(diǎn)應(yīng)當(dāng)考慮機(jī)器人的整體協(xié)調(diào)性，所需的運(yùn)動(dòng)速度并不大，所以應(yīng)當(dāng)選擇靜力學(xué)方法。

在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中，為了較為精準(zhǔn)地測(cè)出各關(guān)節(jié)力矩，筆者借助了UG8.0軟件分析測(cè)量的功能，這主要是由于此項(xiàng)功能在對(duì)測(cè)量原點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置之后，能夠?qū)T性矩、桿件質(zhì)量以及重心位置等必要參數(shù)直接測(cè)量出來：

（1）第一關(guān)節(jié)：對(duì)第一關(guān)節(jié)之外其余裝配體進(jìn)行測(cè)量，能夠獲得之前關(guān)節(jié)質(zhì)心重力，此時(shí)考慮到動(dòng)載狀況以及安全系數(shù)的影響，應(yīng)當(dāng)把所計(jì)算的力矩與綜合安全系數(shù)相乘，從而獲得第一關(guān)節(jié)最大力矩，隨后的各關(guān)節(jié)處理方式相同。（2）第二關(guān)節(jié)：測(cè)量原點(diǎn)應(yīng)當(dāng)設(shè)置成大臂和腰關(guān)節(jié)接合面中心的位置。計(jì)算方式同（1）。（3）第三關(guān)節(jié)：測(cè)量原點(diǎn)應(yīng)當(dāng)設(shè)置成小臂和大臂接合面的中心位置。計(jì)算方式同（1）。（4）第四關(guān)節(jié)：將小臂和四軸的連接面當(dāng)作中心，從而建立相應(yīng)坐標(biāo)系，設(shè)置測(cè)量原點(diǎn)。（5）第五關(guān)節(jié)：測(cè)量原點(diǎn)應(yīng)當(dāng)設(shè)置成腕部的回轉(zhuǎn)軸心。計(jì)算方式同（1）。（6）第六關(guān)節(jié)：此關(guān)節(jié)具有較小的受力，能夠應(yīng)用同軸5電機(jī)。

2.2 選擇電機(jī)

在通常情況下，伺服電機(jī)一般具有較大的輸出速度，然而其具備較小的承受力矩，這就要求將減速裝置（此設(shè)計(jì)當(dāng)中應(yīng)用諧波減速器）安置到伺服電機(jī)的后面，以便使電機(jī)輸出扭矩增大。在諧波減速器工作的時(shí)候，因?yàn)辇X間屬于面的接觸，相比于其余轉(zhuǎn)動(dòng)形式，擁有更高的重疊系數(shù)，因此使得單位面積中齒具有較小的載荷，以及較高的承載能力。除此之外，諧波減震器還擁有高運(yùn)動(dòng)精度、較大傳動(dòng)、較小體積、較輕的質(zhì)量、較高的傳動(dòng)效率、較長(zhǎng)的應(yīng)用壽命、較平穩(wěn)的傳動(dòng)以及無(wú)噪音和無(wú)沖擊等優(yōu)勢(shì)，所以其當(dāng)前應(yīng)用越來越廣泛。

在本文自動(dòng)貼瓷磚機(jī)器人的設(shè)計(jì)過程中，主要的性能指標(biāo)為：（1）10kg的額定負(fù)載;（2）±0.4mm的重復(fù)定位精準(zhǔn)度;（3）1442mm的工作半徑;（4）手轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的范圍是-180°至180°，其最大的速度為240deg/s;（5）腰關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)的范圍是-165°至230°，其最大的速度為150deg/s;（6）小臂的運(yùn)動(dòng)范圍是-130°至260°，其最大的速度為150deg/s;（7）大筆的運(yùn)動(dòng)范圍是-75°至150°，其最大的速度為150deg/s;（8）腕擺的運(yùn)動(dòng)范圍是-105°至210°，其最大的速度為240deg/s;（9）腕轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)范圍是-180°至180°，其最大的速度為150deg/s。

通過上述參數(shù)指標(biāo)可知，本文所設(shè)計(jì)的機(jī)器人，其前三軸轉(zhuǎn)速是25r/min，根據(jù)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速（3000r/min），應(yīng)當(dāng)選取的減速比為120r/min，進(jìn)而選擇合適的伺服電機(jī)。軸4和軸5具有40r/min的輸出速度，軸6具有60r/min的轉(zhuǎn)速，其相應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速也是3000r/min，應(yīng)當(dāng)選取的減速比：軸4為120r/min，軸5和軸6的為75r/min，進(jìn)而選擇最合適的伺服電機(jī)[4]。

3 設(shè)計(jì)末端執(zhí)行器

在一般狀況下，機(jī)器人末端往往會(huì)裝載一些對(duì)相應(yīng)任務(wù)予以有效完成各類要求、任務(wù)的工具，即機(jī)器人“末端執(zhí)行器”。通常這些末端執(zhí)行器應(yīng)當(dāng)方便更換以及維修。在各類實(shí)際工作過程中，機(jī)器人的設(shè)計(jì)者一般會(huì)按照機(jī)器人需要執(zhí)行的不同任務(wù)和要求展開設(shè)計(jì)，進(jìn)而選擇最合適的末端執(zhí)行器。本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人，其主要是被應(yīng)用到粘貼瓷磚的工作當(dāng)中，即此機(jī)器人應(yīng)當(dāng)精準(zhǔn)抓取瓷磚。所以，所設(shè)計(jì)的末端執(zhí)行器主要的結(jié)構(gòu)為“吸盤式”，同時(shí)裝有按照各種瓷磚尺寸所設(shè)計(jì)的位置調(diào)節(jié)輔助粘貼瓷磚傳感器，以便進(jìn)行測(cè)距、攝像等操作。

4 設(shè)計(jì)氣動(dòng)系統(tǒng)

如今能夠?qū)ξ矬w進(jìn)行吸附的方式主要有兩大類，即磁吸附方式以及負(fù)壓方式。然而前者一般僅適用在導(dǎo)磁物體當(dāng)中，但是瓷磚并不屬于導(dǎo)磁物體，所以本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人將使用“負(fù)壓方式”。該方式主要是經(jīng)由吸盤內(nèi)部和外部氣壓差作用，于物體的表面形成吸附力，從而順利抓取瓷磚。設(shè)計(jì)的氣動(dòng)系統(tǒng)一般的組成部分包含了電磁換向閥、空氣壓縮機(jī)、空氣分配器、真空發(fā)生器、真空過濾器以及真空吸盤等真空元件，在設(shè)計(jì)過程中需要嚴(yán)格遵循氣管長(zhǎng)度取最短的原則來最大限度地縮短吸盤吸附瓷磚的工作時(shí)間。除此之外，因?yàn)橐徊糠终婵占邆漭^大的質(zhì)量，因此應(yīng)當(dāng)將這部分真空件全部安裝于同一控制板之上，隨后將該控制板安裝于自動(dòng)貼瓷磚機(jī)器人的手臂之后，以便使該機(jī)器人的末端執(zhí)行器整體質(zhì)量有效降低。

當(dāng)前，真空發(fā)生器已經(jīng)被越來越廣泛地運(yùn)用到電子原件、機(jī)器人等裝配工作領(lǐng)域當(dāng)中，如今較為常見的真空發(fā)生器一般擁有良好的可靠性、較高的真空度、穩(wěn)定的運(yùn)行能力以及相對(duì)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)等眾多優(yōu)勢(shì)。真空發(fā)生器主要是借助對(duì)起源進(jìn)行壓縮，從而創(chuàng)造真空條件。一般來說，真空吸盤和真空發(fā)生器往往會(huì)相互配合，特別是吸附非金屬材料的效果較好，其可靠性較高，所以如今真空發(fā)生器也會(huì)被廣泛應(yīng)用到搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計(jì)工作當(dāng)中。如今應(yīng)用較為普遍的真空發(fā)生器，主要的組成部分包含了擴(kuò)散腔、噴管以及吸附腔。在實(shí)際的工作過程中，會(huì)從真空發(fā)生器噴管部分高速地將壓縮空氣噴射出來，隨后于噴管出口的周圍形成相應(yīng)的射流，隨后形成卷吸流動(dòng)，而在卷吸流動(dòng)作用過程中，噴管出口周圍空氣將會(huì)被持續(xù)吸走，導(dǎo)致吸附腔中的壓力逐漸降低，直至被降到大氣壓以下，進(jìn)而形成真空環(huán)境。

5 結(jié)語(yǔ)

總體而言，在室內(nèi)裝飾行業(yè)當(dāng)中，貼瓷磚屬于一項(xiàng)極為重要也十分常見的工作，這主要是由于瓷磚自身具備清潔方便、美觀以及強(qiáng)耐用性等優(yōu)勢(shì)和特征。自動(dòng)貼瓷磚機(jī)器人的出現(xiàn)，能夠使得貼瓷磚工作早日實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，幫助工作人員降低工作強(qiáng)度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)有關(guān)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的最大化，將人工勞動(dòng)有效替代。

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