机械工程论文
随着机器人在感知和操纵方面获得越来越多的能力，相关行业领域希望机器人解决日益复杂和更高相关性的任务，机器人行为设计和组合变得更加复杂。在仓库搬运的需求中尽可能地实现自动化搬运过程，这将改善整个仓库工作的可扩展性和稳健性。在仓库搬运的过程中，开发与人密切合作的机器人的关键挑战是创建一个用户界面，允许用户快速，轻松地向机器人传达复杂的指令。我们考虑使用仓库搬运机器人实现物流的货站传递功能，该机器人设计采用轮式或履带式车辆用于将重载运送到难以到达的位置。文中是搜索整理的搬运机器人论文6篇，供大家参考阅读。
搬运机器人论文第一篇：农业搬运机器人控制系统设计
摘要：本课题组设计的农业搬运机器人控制系统是以燃料电池作为动力源，集合路径自主规划于一体的机器人。设计采用燃料电池作为动力装置，具有转化效率高、环境污染少、燃料来源广和价格较低等优势。采用树莓派作为主控系统，树莓派安装乌班图系统，乌班图系统搭载ROS机器人控制系统，通过GPS定位装置实现自主定位导航，利用超声波传感器使机器人完成避障功能。四轮采用无刷轮毂电机作为驱动机构，具有结构简单、成本低、维护简单以及应用成熟的特点，控制器采用STM32F103ZET6作为机器人运动控制芯片，通过USART接口与导航模块连接，通过I/O与3路超声波连接，通过PWM信号对轮毂电机的驱动器进行调速控制。
关键词:燃料电池;避障功能;自主定位导航;
随着经济的快速发展，城镇化建设的不断推进，越来越多的农民希望能够从繁杂、重复的生产活动中解放出来。农用机器人的出现顺应了时代发展的潮流，能够极大地缓解农民繁重的劳动。本课题组在追求解放劳动力的同时，采用燃料电池代替普通电池驱动机器人进行工作，减少了环境污染，降低了消耗成本，提高了生产效率。导航定位技术是智能机器人所要解决的核心技术之一，迄今为止其手段主要为图像、光、声、电磁等原理方法的运用，根据机器人工作的空间环境、介质性质、行走距离、定位精度、对信号的敏感性等方面要求，确定解决问题的合理方式是其重点[1]。
1 总体方案设计
本设计为农业搬运机器人控制系统，能够实现目标区域的自主定位以及规避障碍物的功能，适用于多种农业耕作场所。能够实现对任务目标的路径优化，提高了耕作的安全性、工作的可靠性以及工作效率。利用超声波传感器检测行驶方向障碍，实现对搬运目标的精准定位。系统总体设计框图如图1所示。
图1 系统总体框图
2 燃料电池特点
燃料电池与一般的电池相比具体有如下特点：
1）价格低、效率高、性价比高。燃料电池能够将燃料的化学能直接转化为电能，它的燃料-电能转换效率较高，注意这里不是电化学效率，而是热能充分利用后转换为电效率。如果直接使用氢气，其电能转换效率超过50%；如果发电设施与燃气涡轮机并用，则整体效率可超过60%；如果再将电池排放的废热加以回收利用，则燃料能量的利用率可超过85%。要知道，核电的热-电转换效率不到30%，火电的大约在40%，很多热能都浪费了。
2）燃料电池的电站建设占地面积小，建设周期短，添加速度快，不必像充电电池一样等待较长时间。
3）燃料电池的电站独立性较强，各种规模都能建设，十分方便。既适合集中式电站，也能够作为分布式电站建设，也可以像充电桩一样在小区、工厂、单位等地方建设。
4）电站的功率调节灵活，只要调节燃料供给量，就可以低负荷运行或者满负荷运行。
5）燃料的适应面广泛，能够适用多种燃料。
6）经济环保，燃料电池产生的水和二氧化碳可以直接进行排放，不会对环境造成二次污染。
从目前来看，燃料电池集合了众多的优势于一身，它已经引起人们的极大关注。由燃料电池构成的发电系统对电力工业都具有极大的吸引力[2]。
3 定位及导航
移动机器人路径规划的简化可视图环境建模方法，通过综合考虑环境中障碍物的位置与移动机器人起点和终点的关系，剔除对路径规划结果不影响的障碍物，简化了环境模型的表示，达到了减少移动机器人候选路径数量的目的，提高了后续的路径规划算法的效率[3]。统一采用GPS卫星定位模块进行定位，并进行SLAM建图，采用行车图路径规划的方法进行了地图的转换，如图2所示，并找出了所有的可通行路径。
图2 行车图路径规划
采用A*算法从所有路径中分析，找到最优路径自主导航，如图3所示。正是由于它本身的重要性，自主定位导航技术在机器人控制系统中有着重要的作用。除了机器人行业，自主导航也广泛应用在汽车的无人驾驶技术当中。
图3 A*搜索算法
移动机器人通过内部的传感器可以确定自己的位置，通过外置的传感器可以感知周边的环境，利用地图能够在环境中进行自主的移动。GPS定位通过卫星信号能够确定机器人的所在位置，内置的陀螺仪和编码器能够确定机器人的位置和姿态，能够为机器人导航提供最基本的数据要求。本系统涉及定位装置主要有超声波导航定位、GPS定位系统。
3.1 超声波
随着传感器技术的发展，各种测距传感器都被研究者用在移动机器人上。目前，常用的有电磁雷达、激光雷达、红外传感器、超声波传感器、视觉传感器等[4]。超声波是频率高于20 k Hz一种声波，波长短于常见声波，有较好方向性，在所有照明条件下甚至是阳光直射条件下均能完美工作，能可靠探测任何颜色的物体，包括透明物体。超声波由单片机控制其发生端发出超声波，当超声波在传送过程中遇到障碍物时进行反射，接收端收到超声波信号。单片机在发出信号控制发送端工作时开始计时，接收到超声波时停止计时，该时间乘以超声波的传送速度就能计算出传播距离，S=Tv/2，其中T为超声波发射和接收的时间差；v为超声波在介质中传播的波速。
超声波传感器具有检测精度高的特点，可以达到毫米级别，并且检测范围广，价格低，使用场合要求较低，能够适应大部分的工作场合，被广泛地应用到移动机器人的导航避障、定位中。由于超声波检测时数据量较低，所以采集速度快，可以适用于高速移动的机器人当中。
超声波传感器中采用热敏电阻检测环境温度，由于超声波传递速度受温度的影响较大，通过检测的温度结果对超声波的检测距离进行数据补偿，具有温度补偿的超声波传感器能够适用于绝大部分的场合，而且适应能力较强。超声波定位原理如图4所示。
图4 超声波定位原理图
3.2 避障系统
图5 势场图法
超声波具有很强的方向性,有利于回波检测识别，使得超声波测距被广泛应用,尤其应用于汽车雷达、扫地机器人等各种电子产品，而这些产品逐渐成为人们的生活必需品，同时，人们对这些电子设备的高精度性能提出了更高的要求[5]。采用超声波传感器进行避障，采用势场图法处理超声波的数据，如图5所示，自动加权调整规划好的路径，达到自动避障的目的。
4 总结
综上所述，燃料电池驱动农业搬运机器人的研究发展对减少空气污染、节约有效燃油资源、减少劳动力成本等具有十分重要的意义。同时，燃料电池可以实现机器人自动能源供应，延长机器人工作时间，省去为机器人更换电池的人力。
参考文献
[1]刘金会，郝静如.自主移动机器人导航定位技术研究初探[J].传感器世界，2005(1):23-26.
[2]张-丁 氢燃料电池的应用及发展前景[J]南方农机, 2020,51(18):193-194.
[3]张琦移动机器人的路径规划与定位技术研究[D].哈尔滨:哈尔滨I业大学，2014.
[4]徐跃基于超声波测距的机器人定位与避障[D].济南:鲁工业大学, 2013.
[5]孙宇凤基于超声波传感器测距系统关键技术的研究[D].西安:西安电子科技大学, 2019.
搬运机器人论文第二篇：工业机器人用交流永磁同步伺服电动机设计分析
摘要：交流永磁同步伺服电动机属于工业机器人伺服系统中的关键执行元件，目前在我国一些单位研究中已取得一定的进步，并在国产工业机器人中逐渐应用。但我国伺服电动机在功重比、整机长度等技术指标上还无法满足现代工业机器人日益提高的轻量化需求。基于此，文章结合工作实践，设计一种交流永磁同步伺服电动机，该电机结构紧凑简单，安装方便，实现整体长度在轴向上的薄型化，同时建立一种电机轻量化、紧凑化设计体系。
关键词:交流伺服电动机;齿槽转矩;高可靠性紧凑结构;工业机器人;
Abstract：Ac permanent magnet synchronous servo motor is a key executive component in the servo system of industrial robot. At present, it has made some progress in the research of some units in our country, and has been gradually applied in domestic industrial robots. However, the servo motor in our country can not meet the increasing lightweight needs of modern industrial robots in terms of power-to-weight ratio, machine length and other technical indicators. Based on this, combined with the working practice, this paper designs a kind of AC permanent magnet synchronous motor, which has the advantages of compact structure and convenient installation, and realizes the thinning of the overall length in the axial direction. At the same time, a lightweight and compact design system of the motor is established.
工业机器人主要包括本体、伺服系统、减速器、控制器四大关键部分，电机作为工业机器人伺服系统的关键零部件之一，已成为我国相关单位的研究热点。如中科院电工所、新松机器人、广州数控等有关单位相继开展了对关节型工业机器人用电机的研究工作，其部分产品已在国产工业机器人中得到应用。本文设计交流永磁同步伺服电动机也是立足于自动生产线需求基础上研发的，能适应相关系列的工业机器人配套使用。
1 机器人对电机的特殊要求
针对国产关节型工业机器人落后于国外、急需实现产品中高端化的需求，基于市场调研应用的常见工况作为基本工况，研究本体构件拓扑优化设计，探索负载自重比与整机刚度的优化平衡方法，考虑最大运动范围、最大负载以及负载质心偏置影响的极限工况，提升机器人负载自重比，最终结合机器人的设计参数对电机的功率、重量与整机长度等设计参数提出了更高的需求，以实现机器人轻量化设计的目的。
2 电机主要设计参数
根据研究任务的要求，本文设计一款系列化工业机器人用电机，其主要设计参数如表1所示。
在电机设计过程中，借助有限元件经过详细的理论分析，通过建模对影响电机性能的主要参数进行多次综合分析与优化，最终确定了更为精准的解算结果，满足机器人使用要求。
3 电机方案设计
本文的电机是专门为工业机器人的配套需求而开发设计，在设计中充分考虑实际生产工艺，特别是基于工业机器人基础上构建的自动化生产线，力求通过工业机器人反哺应用于电机的生产，从而促进整个生产线的效率和产品质量，使得电机和工业机器人相得益彰。
3.1 电机的设计思路
工业机器人用电机中，制动器作为一种将转子位置保持制动或紧急制动的有效机构，无励磁型失电制动器就是其中一种。使用该类型制动器电机的设计方案中，制动器在轴向上的位置位于定子负荷侧或反负荷侧、与定子并列，因其结构、电机部件的尺寸问题，电机总体长度一般较长，进而会影响机械、设备的安装尺寸。因此，从产品应用的行业及市场的反馈来看，均期望能够针对电机的总体长度进行一定程度的优化。
为响应上述需求，在参考国外同类型电机性能参数和工业机器人用电机关键技术指标基础上，结合自动化生产手段等因素，对电机各零件进行不断试验和优化，并进行整机的紧凑结构组合设计，最终设计出齿槽转矩低、转速平稳、体积小、过载能力好的电机。
3.2 电机的方案设计
为了克服电机现存的总体长度长、结构复杂、薄壁件加工难度大、成本高等技术的不足，本文设计的交流永磁同步电动机包括定子、转子、端盖、罩壳及无励磁型失电制动器，其特征在于：转子铁芯固定设置于电机的转轴上，无励磁型失电制动器位于定子反负荷侧与后端盖之间，且至少一部分与定子绕组在径向上重合；定子设置于转子外周，定子外周、转子侧端及转轴外周形成容纳空间，容纳空间可容纳无励磁型失电制动器的重合部分，定子绕组突出部最小内径与无励磁型失电制动器最大外径间存在间隙，其轴向截面结构如图1所示。
电机设计中，制动器为弹簧密闭式无励磁失电制动器，位于电机定子反负荷侧与后端盖之间，从定子反负荷侧至后端盖以底板、制动器转子、电枢板、制动器定子的顺序排列。制动器装配时，制动器转子毂通过弹性挡圈及平键紧固至转轴上，制动器装配后，制动器转子与制动器转子毂处于间隙配合状态，当制动器断电时，通过弹簧对电枢板施加压力，底板、电枢板与制动器转子之间相互接触产生的摩擦力使得制动器转子毂处于制动状态，进而使得转子处于制动状态。制动器装配后，至少部分与定子绕组在径向上重合，以实现电机整体长度在轴向上的薄型化。
本设计中，与电机径向重合部分为底板、制动器转子、制动器转子毂和电枢板，径向重合部分需保证定子绕组最小内径与制动器最大外径间存在一定间隙，并且制动器线圈及制动器定子位于定子绕组外侧，不属于电机径向重合部分。
本方案设计的电机，整机长度较同功率下制动器后置的常规方案短30mm左右，重量轻0.5kg左右。
3.3 电机的设计验证
使用Ansys Maxwell对电机磁路进行仿真建模，如图2所示，通过调整转子铁芯错极角度的手段，分析电机齿槽转矩波动率，选择最优方案，即齿槽转矩峰峰值约8.9m N.m，如图3所示，计算齿槽转矩波动率约0.045%。
确定基本磁路方案后，使用Workbench对转子结构进行建模，分析转子的振动频谱变化特征，图4为转子临界转速的坎贝尔图，在7200r/min左右时出现强烈振动，由此可知该方案的临界转速错开了电机的使用转速范围。
表1 电机主要参数设计
图1 电机轴向截面结构示意图
1定子；11机壳；12定子绕组；13定子铁芯；2转子；21永磁体；22转子铁芯；23转轴；3无励磁型失电制动器；31底板；32制动器转子；33制动器转子毂；34电枢板；35弹簧；36制动器线圈；37制动器定子；4螺钉；5后端盖；51后端盖加强筋；6轴承；7光电编码器；8编码器罩壳；9弹性挡圈；10平键
图2 电机仿真模型
图3 齿槽转矩峰峰值曲线
图4 转子临界转速分析（未添加端部质量块）
通过多次调整，将样机依据测试标准《JBT 11991-2014工业机械数字控制系统用交流伺服电动机》规定的测试方法进行振动、噪声、齿槽转矩测试，实测数据如表2所示。
通过表2的测试数据可以看出，样机在满足轻量化工业机器人对电机重量、整机尺寸要求的基础上，具有在输出转矩范围内具备较低的齿槽转矩波动率及振动、噪声等特点。
4 应用验证
文述电机装配的工业机器人在焊接、搬运、码垛、食品3C、协作、教育等领域均有应用示范。目前广州数控设备有限公司已经借助总线平台实现对工业机器人、数控机床、自动传送带等集成，最终实现车间智能化管理。本次设计的电机用公司型式试验测试平台，并按照公司机器人测试标准《QGZSK 20-2019 RB系列搬运机器人》进行性能测试，包括对电机的空载、负载工作特性、温升和噪声等指标进行详细测试和试验，最终测试结果表明本次设计的工业机器人用交流永磁同步伺服电动机的各项性能良好，符合自动化生产线的需求。
表2 样机测试数据对比
如RB50工业搬运机器人是公司自主研发的产品，其4、5、6轴均使用了150SJTR系列电机，而应用RB50机器人的某公司空调压缩机上下料生产线，1台机器人在工作节拍及操作空间上可同时满足2台机床上下料的需求。
5 结束语
本文出于对工业机器人组建的自动化生产手段等因素考虑，在基于关键技术和性能要求的基础上，设计的工业机器人用交流永磁同步伺服电动机。电机为三相交流永磁同步电动机，但是在不脱离技术构思的情况下，设计的实施方式不限于此，还可以结合不同的生产线要求做出其他多种形式的修改、替换或变更，为系列化设计及生产制造打下基础。
参考文献
[1]李立毅,张江鹏，赵国平,等.考虑极限热负荷下高过载永磁同步电机的研究[J]。中国电机工程学报, 2016,36(3):845-852.
[2]陈强，兰华,徐永向。磁饱和对永磁同步电机转矩波动的影响[J] .电工技术学报, 2017,50(8):7-11.
[3]王秀和.永磁电机[M] .北京:中国电力出版社, 2011.