中央廚房配送料機(jī)器人設(shè)計(jì)

摘要：根據(jù)對(duì)送料機(jī)器人動(dòng)作需求分析結(jié)合自由度分析法確定機(jī)器人的綜合構(gòu)型;借助solidworks軟件對(duì)送料機(jī)人進(jìn)行三維虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)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(jī)器人手臂裝載在桁架上的設(shè)計(jì)思路，進(jìn)一步增強(qiáng)送料機(jī)人的工作空間，并借助伺服電機(jī)提高其完成相應(yīng)配送動(dòng)作的響應(yīng)速度。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人;機(jī)械手;配送;桁架;伺服電機(jī)

0 引言

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

1 配送料機(jī)器人構(gòu)型綜合設(shè)計(jì)

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

送料機(jī)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(dòng)副，通過絲桿完成上z軸方向的平動(dòng)，這樣就可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)手臂1到關(guān)節(jié)2上的z軸上的自由度，利用傳動(dòng)導(dǎo)軌和傳動(dòng)齒條，實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)1到2的x軸上移動(dòng)和y軸方向的移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)第一節(jié)的6個(gè)自由度。其次，在關(guān)節(jié)2處加了轉(zhuǎn)動(dòng)副，實(shí)現(xiàn)了x和y的轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)，關(guān)節(jié)1的擺動(dòng)可實(shí)現(xiàn)2處z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。最后，在關(guān)節(jié)3處也加了轉(zhuǎn)動(dòng)副，2關(guān)節(jié)處的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了3處的x和y、z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，關(guān)節(jié)1處的絲杠傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了x和y的平動(dòng)，并且利用了2處的轉(zhuǎn)動(dòng)也實(shí)現(xiàn)了關(guān)節(jié)4處的轉(zhuǎn)動(dòng)。從而最終該構(gòu)型設(shè)計(jì)達(dá)到中央廚房送料機(jī)器人的工作需求，其機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

2 送料機(jī)器人手臂運(yùn)動(dòng)過程及原理

運(yùn)動(dòng)過程：整個(gè)機(jī)械手有六個(gè)自由度，機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)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(jī)和機(jī)械手臂通過嚴(yán)格的計(jì)算和實(shí)際檢驗(yàn)，能夠在機(jī)械手臂抓取菜籃子的時(shí)候做到快、穩(wěn)、準(zhǔn)，以實(shí)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(yùn)行狀態(tài)平穩(wěn)，最后翻轉(zhuǎn)菜籃子這一動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)，再把菜籃子放回傳送帶上。

原理：利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，機(jī)械臂可有六個(gè)自由度，實(shí)現(xiàn)抓菜籃子和固體調(diào)料的基本動(dòng)作。利用機(jī)械臂最后末端的執(zhí)行件，電磁鐵實(shí)現(xiàn)抓住這一動(dòng)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(jī)器人機(jī)械手臂二維圖如圖2所示。

3機(jī)械手三維造型

根據(jù)送料機(jī)器人機(jī)械手臂構(gòu)型設(shè)計(jì)利用solidworks軟件進(jìn)行三維虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)如圖3所示。

4 機(jī)械手安裝在桁架的方案

考慮到現(xiàn)實(shí)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(diǎn);

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(gè)結(jié)構(gòu)輕盈、跨距大、受力體系簡(jiǎn)單。

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

4.1 桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了節(jié)省空間，提高空間利用率，采用桁架連接機(jī)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(fèi)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(rùn)，因此，從經(jīng)濟(jì)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(duì)比后，決定了桁架使用絲杠傳動(dòng)的方式來進(jìn)行移動(dòng)。對(duì)于機(jī)械手的移動(dòng)方式上，我選擇了通過滾珠絲杠來完成傳動(dòng)，參照了3D打印機(jī)的絲桿經(jīng)典傳動(dòng)，利用絲桿精確的傳動(dòng)，以便實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的z軸的上下移動(dòng)以及X軸的前后移動(dòng)。絲桿傳動(dòng)把回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成直線運(yùn)動(dòng)，可以精確控制機(jī)械手在z軸方向的移動(dòng)。在豎直方向上，通過在絲杠的兩遍安裝兩根光桿以達(dá)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(dòng)，其三維裝配圖如圖4所示。

結(jié)語(yǔ)

桁架為導(dǎo)軌，電機(jī)為驅(qū)動(dòng)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(jī)械手的運(yùn)動(dòng)。配送料機(jī)器人的執(zhí)行功能分為三大部分，第一是絲杠和機(jī)械手在桁架上的移動(dòng)，第二機(jī)械手關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，第三末端電磁鐵與相應(yīng)的菜籃子的接口配合運(yùn)動(dòng)。首先，整個(gè)系統(tǒng)通電，電機(jī)開始工作，帶動(dòng)減速器開始運(yùn)轉(zhuǎn)。根據(jù)實(shí)際情況，灶臺(tái)和傳送菜籃子的傳送帶上的菜籃子，調(diào)料臺(tái)固體調(diào)料的位置進(jìn)行相關(guān)的工作。參照各種菜的流程，預(yù)先設(shè)計(jì)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(shí)兼顧機(jī)械手拿菜的時(shí)機(jī)，做到菜在最準(zhǔn)確的時(shí)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(shí)際狀況，對(duì)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(jiǎn)介：沈茂松（1968-），男，漢族，江蘇揚(yáng)州，揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，?？莆膽{，技師，機(jī)械加工及熱處理.

（揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械學(xué)院?江蘇?揚(yáng)州?225127）