自动贴瓷砖机器人系统设计分析
摘 要：本文将分别对机器人本体的设计、驱动装置的选择、末端执行器以及气动系统的设计进行全面介绍，以期为有关部门提供可靠参考，并为建筑行业的全面发展提供助力。
关键词：自动贴瓷砖机器人;机器人系统;气动系统;系统设计;驱动装置
中图分类号：TP249 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）21-0058-02
0 引言
如今，在建筑行业高速发展的大背景下，智能化机器人的全面开发已经深入到了建筑领域当中，该领域也是相关开发研究工作的重点领域。在各类建筑空间当中，往往存在很多需要贴瓷砖的地面以及壁面等，比如卫生间、游泳池以及工作间等。自动贴瓷砖机器人的出现，可以缓解相应劳动压力，节约经济成本。
1 机器人本体设计
1.1 分析本体构型
如今建筑市场当中存在多种多样的机器人，然而很多机器人都被应用到具有较大负载的码垛作业、搬运物料作业或者具有较小负载的装配电子元件作业、焊接作业当中，如果围绕这些机器人设计贴瓷砖机器人，极易出现由于不相符的负载，致使功率不足或者被浪费，进而增加了成本[1]。贴瓷砖机器人一般需要具备几大特征，即结构简单、所有关节能够协调、灵活地进行动作以及具有较大工作空间等。因此，设计的机器人可以是关节坐标形式且串联的机器人，其组成部分包含了小臂、大臂以及底座。设计的手臂位置关节有三个，主要被用在对手腕参考点部位加以确定，即定位部分。设计的手腕位置关节也有三个，主要被用在对机械手的末端姿态加以确定，即定向部分。这就使得贴瓷砖机器人自由度有六个，且每个关节都属于旋转式的关节，让机械手能够到达所处环境中所有位置，以便对瓷砖进行灵活抓取，并且充分满足瓷砖粘贴实际需求。
1.2 设计传动方案
（1）腰关节回转。直接连接机器人的腰部以及电机，这样设计使得机器人整体结构能够更加简单，更利于布线、方便后续安装，进而使传动的路线被有效减短。在底座上方放置腰部，并且使电动机输出端与谐波减震器相连接，而谐波减震器可以向腰关节回转中心进行输出，进而使得腰关节和整体机构进行回转。（2）大、小臂俯仰。直接连接谐波减震器以及电机，在此过程中直接连接谐波减震器与电机输出轴，使得大臂进行转动。因为自动贴瓷砖机器人并没有过大的负载，所以设计成此类侧置式的电机结构，具有便于安装和维修、减少操作空间中的干涉以及较大运动空间和简单结构等优点。（3）腕部滚转。将同步带和电机相连，这能够使得同步带可以向谐波减震器传递回转运动，随后带动腕部进行滚转[2]。这种设计可以确保其第三关节有合适的配重。（4）腕部俯仰和翻转。电机能够经由减速器，向锥齿轮传递回转运动，并且经由锥齿轮换向，向同步带传递回转运动，随后带动腕部俯仰。腰关节回转和腕部翻转的运动有着较为类似的运动形式，都会应用到直接经由电机的方式，将回转运动向减速器进行传递，最后再将其传递至末端执行器当中。这种设计方式，能够最大限度地缩短传动链。
2 选择驱动装置
按照不同的能量转换模式，我们可以把驱动模式详细划分成电力驱动、气压驱动以及液压驱动，每一种驱动模式都具备各自不同的特征，即：
电力驱动：此类驱动是如今被最多采用的驱动之一，又可以被划分为交流伺服电动机、步进电动机以及直流伺服电动机等。该驱动方式具备成本低、没有环境污染以及高精度运动等优势。气压驱动：以此驱动方式设计的自动贴瓷砖机器人拥有价格较低、结构简单等优势，其有方便的空气来源，且能够迅速动作。然而因为空气能够被压缩，会使得此类驱动具有较差的工作稳定性，较小的抓取力，其抓取力通常仅为百牛、甚至几十牛。液压驱动：此类驱动虽然具备较高的精度和较大的抓取力，可以平稳地进行传动、紧凑的结构以及较为灵敏的动作等，然而此类设计往往对密封性具有较高要求，并不适合被应用到温度具有较大变化的场合当中，并且需要为其配备相应的液压系统，这就会增加成本。相比于气压驱动和液压驱动这两类驱动，电力驱动的重量更轻、转动惯量更小、体积更小、过载能力更强。与此同时，电力驱动的电机还拥有直流伺服电动机基本属性。
2.1 静力分析
对于选择传动件和驱动件的工作而言，自动贴瓷砖机器人各关节动力的参数便是主要凭证。在此过程中的设计方法一般有两类，即动力学方法以及静力学方法：
（1）动力学方法：此方法通常可以被用到运动速度较大的机械当中。这主要是因为机器人每一个关节都具有较高的速度，所以具备较大的动载荷，所以其粘滞摩擦、向心加速度以及哥氏加速度都不可以被忽略。（2）靜力学方法：运动速度较低的机械，其在运动时所生成的动载荷也会较低，因此可以将摩擦、相信加速度以及哥氏加速度等量的干扰忽略掉，而这，便为“静力学方法”[3]。因为本文的机器人主要被设计应用到粘贴瓷砖的工作当中，因此重点应当考虑机器人的整体协调性，所需的运动速度并不大，所以应当选择静力学方法。
在实际的设计过程中，为了较为精准地测出各关节力矩，笔者借助了UG8.0软件分析测量的功能，这主要是由于此项功能在对测量原点进行设置之后，能够将惯性矩、杆件质量以及重心位置等必要参数直接测量出来：
（1）第一关节：对第一关节之外其余装配体进行测量，能够获得之前关节质心重力，此时考虑到动载状况以及安全系数的影响，应当把所计算的力矩与综合安全系数相乘，从而获得第一关节最大力矩，随后的各关节处理方式相同。（2）第二关节：测量原点应当设置成大臂和腰关节接合面中心的位置。计算方式同（1）。（3）第三关节：测量原点应当设置成小臂和大臂接合面的中心位置。计算方式同（1）。（4）第四关节：将小臂和四轴的连接面当作中心，从而建立相应坐标系，设置测量原点。（5）第五关节：测量原点应当设置成腕部的回转轴心。计算方式同（1）。（6）第六关节：此关节具有较小的受力，能够应用同轴5电机。
2.2 选择电机
在通常情况下，伺服电机一般具有较大的输出速度，然而其具备较小的承受力矩，这就要求将减速装置（此设计当中应用谐波减速器）安置到伺服电机的后面，以便使电机输出扭矩增大。在谐波减速器工作的时候，因为齿间属于面的接触，相比于其余转动形式，拥有更高的重叠系数，因此使得单位面积中齿具有较小的载荷，以及较高的承载能力。除此之外，谐波减震器还拥有高运动精度、较大传动、较小体积、较轻的质量、较高的传动效率、较长的应用寿命、较平稳的传动以及无噪音和无冲击等优势，所以其当前应用越来越广泛。
在本文自动贴瓷砖机器人的设计过程中，主要的性能指标为：（1）10kg的额定负载;（2）±0.4mm的重复定位精准度;（3）1442mm的工作半径;（4）手转运动的范围是-180°至180°，其最大的速度为240deg/s;（5）腰关节回转的范围是-165°至230°，其最大的速度为150deg/s;（6）小臂的运动范围是-130°至260°，其最大的速度为150deg/s;（7）大笔的运动范围是-75°至150°，其最大的速度为150deg/s;（8）腕摆的运动范围是-105°至210°，其最大的速度为240deg/s;（9）腕转的运动范围是-180°至180°，其最大的速度为150deg/s。
通过上述参数指标可知，本文所设计的机器人，其前三轴转速是25r/min，根据电机的最大转速（3000r/min），应当选取的减速比为120r/min，进而选择合适的伺服电机。轴4和轴5具有40r/min的输出速度，轴6具有60r/min的转速，其相应电机转速也是3000r/min，应当选取的减速比：轴4为120r/min，轴5和轴6的为75r/min，进而选择最合适的伺服电机[4]。
3 设计末端执行器
在一般状况下，机器人末端往往会装载一些对相应任务予以有效完成各类要求、任务的工具，即机器人“末端执行器”。通常这些末端执行器应当方便更换以及维修。在各类实际工作过程中，机器人的设计者一般会按照机器人需要执行的不同任务和要求展开设计，进而选择最合适的末端执行器。本文设计的机器人，其主要是被应用到粘贴瓷砖的工作当中，即此机器人应当精准抓取瓷砖。所以，所设计的末端执行器主要的结构为“吸盘式”，同时装有按照各种瓷砖尺寸所设计的位置调节辅助粘贴瓷砖传感器，以便进行测距、摄像等操作。
4 设计气动系统
如今能够对物体进行吸附的方式主要有两大类，即磁吸附方式以及负压方式。然而前者一般仅适用在导磁物体当中，但是瓷砖并不属于导磁物体，所以本文设计的机器人将使用“负压方式”。该方式主要是经由吸盘内部和外部气压差作用，于物体的表面形成吸附力，从而顺利抓取瓷砖。设计的气动系统一般的组成部分包含了电磁换向阀、空气压缩机、空气分配器、真空发生器、真空过滤器以及真空吸盘等真空元件，在设计过程中需要严格遵循气管长度取最短的原则来最大限度地缩短吸盘吸附瓷砖的工作时间。除此之外，因为一部分真空件具备较大的质量，因此应当将这部分真空件全部安装于同一控制板之上，随后将该控制板安装于自动贴瓷砖机器人的手臂之后，以便使该机器人的末端执行器整体质量有效降低。
当前，真空发生器已经被越来越广泛地运用到电子原件、机器人等装配工作领域当中，如今较为常见的真空发生器一般拥有良好的可靠性、较高的真空度、稳定的运行能力以及相对简单的结构等众多优势。真空发生器主要是借助对起源进行压缩，从而创造真空条件。一般来说，真空吸盘和真空发生器往往会相互配合，特别是吸附非金属材料的效果较好，其可靠性较高，所以如今真空发生器也会被广泛应用到搬运机械手的设计工作当中。如今应用较为普遍的真空发生器，主要的组成部分包含了扩散腔、喷管以及吸附腔。在实际的工作过程中，会从真空发生器喷管部分高速地将压缩空气喷射出来，随后于喷管出口的周圍形成相应的射流，随后形成卷吸流动，而在卷吸流动作用过程中，喷管出口周围空气将会被持续吸走，导致吸附腔中的压力逐渐降低，直至被降到大气压以下，进而形成真空环境。
5 结语
总体而言，在室内装饰行业当中，贴瓷砖属于一项极为重要也十分常见的工作，这主要是由于瓷砖自身具备清洁方便、美观以及强耐用性等优势和特征。自动贴瓷砖机器人的出现，能够使得贴瓷砖工作早日实现自动化，帮助工作人员降低工作强度，进而实现有关企业经济效益的最大化，将人工劳动有效替代。
参考文献
[1] 王会敏.贴瓷砖机器人末端执行器设计及其控制模块研究[D].东北大学，2017.
[2] 花勇，赵刚.一种室内分体式自动铺砖机的控制系统设计[J].信息与电脑（理论版），2016（16）：117-119.
[3] 黄泽宇.贴瓷砖机器人移动本体的设计及运动规划[D].东北大学，2015.
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