1.2 国内外研究状况

1.2.1 码垛机器人发展状况

1.2.2 并联码垛机器人发展综述

1.2.3 并联机器人的运动学建模

1.2.4 并联机器人的工作空间

1.3 课题任务

重载码垛机器人总要求： 

搬运范围：径向 500mm～2000mm,铅直 0～3000mm,周向 -185°～+185°； 搬运载荷：0.1～500kg； 便于更换不同原理的取物器，且可在水平面内任何方向拾取物体。          

具体设计工作如下： 1）依据参考构型图给定的总体布局，进行运动学分析，给出：a.满足搬运范围的具体工作空 间，b.主要结构件尺度，c.二维并联机构伸缩杆原长及伸缩行程，d.关节间主要联结点位置 尺寸； 2）进行受力分析，给出：伸缩杆最小截面尺寸建议，选择底端回转支承和末端回转轴承； 

3）机器人总体三维实体造型； 

4）具体设计底端回转部件和末端回转部件并绘制相应的工程图纸（Auto CAD）.

2  结构选择和运动学分析和尺寸综合

2.1.码垛机器人构型的选择

码垛作业任务如下：从生产线指定位置搬起物品，搬运物品至码垛目标区域，将物品按 要求码放堆垛，之后进入下一次工作循环。针对码垛任务要求，对混联码垛机器人进行了结 构设计，拟采用的方案是在一个机器人底座上装一个回转支承，回转支承上装一个回转支座， 在回转支座上安装一台二维平动并联机构，再在其动平台上添加一个回转轴，安装抓取机械 手。其中两维平动并联机构由两根电动伸缩杆和平行保持装置构成。

机器人主要由底座，回转支承，伸缩杆和末端抓取装置组成。底座为整个机器人本体的

基础，回转支承用来连接回转支座，伸缩杆可伸缩调整末端的位置 。同时还设计了一个平行 保持装置，使得末端抓取装置始终保持竖直状态。末端抓取装置拟采用一个回转轴外面加一 个外壳，外壳上焊接一个耳与伸缩杆和平行连杆进行连接。

初步设计了如图 1 和图 2 的两种方案，均采用混联的结构，不同之处有两点，第一点是

回转支座的设计不同，图 1 是一个矩形块右侧再焊接一个耳，然后伸缩杆直接通过铰接的方 式和耳相连接；图二为一个圆板上铸造两个矩形竖直板，中间焊接一个连接块增加刚度，矩 形块再分别钻三组孔，孔中再通过几根轴构成三组转动副，伸缩杆通过矩形板中间的转动副 与回转支座相连接。第二点不同之处是伸缩杆在左侧伸出的长度不同，图一中直接通过支座 铰接，不伸出长度，图二在转动副的左侧还伸出一段长度。 

分析两种方案的优缺点，图一的回转支座比图二的设计更为简单，加工难度更低，且在 相同最大杆长，相同伸缩行程的伸缩杆的条件下，图一的工作区间的最大范围更大，而图二 的回转支座设计更为复杂一点，但是在相同最大长度，相同伸缩行程的伸缩杆条件下，图二 的杆的原长更小，也就是工作区间的最小范围更小；另外，由于左侧伸出了一段长度，可以 平衡右端重物的一部分重量，使得回转支座的受力更加均匀一点，增加了回转支座的寿命。 同时，由于增大最大工作区间可以通过增加杆的最大长度来实现，而减小最小工作区间则要 通过减小原长来实现，减小原长的可实施性比增加最大长度要差，故综合考虑选择了图二的 设计方案。文献综述

2.2 码垛机器人的运动学分析

2.2.1 作图法分析杆的最大长度和原长

首先任意选取伸缩杆与回转支座的连接位置，如图一所示，作两点的中轴线，分别以两 个连接点为圆心作半径相同的圆，大圆和小圆均有交点，大圆半径代表杆的最大长度，小圆 半径代表杆的原长，大圆重合的部分为两根杆均能到达的区域，两个小圆并起来的区域为杆 到不了的区域，去掉多余的线，如图 2,小圆和大圆中间的区域，只考率坐标轴右侧的区域， 那么该区域即为伸缩杆的工作区间。然后把规定的工作区间看作是一个矩形块，将矩形块往 工作区间里面放，最优化的选择即为工作空间的利用率最大，根据对称的性质，作图可知当 规定的空间正好也与作的中轴线对称且左侧与两小圆相切，右侧上下端正好与工作区间相交 的时候，工作空间的利用率是最大的。