王桂香　何全燕　李為端　張浩　宗潤峰　王晨

摘要：為實(shí)現(xiàn)快遞的智能分揀裝柜，設(shè)計(jì)了一款可在小型快遞收發(fā)站應(yīng)用的快遞柜自動(dòng)存件的六自由度機(jī)械臂。該機(jī)械臂通過掃描裝置識(shí)別快遞上的條形碼，按照快件的質(zhì)量、體積等因素進(jìn)行分類，再進(jìn)行存件工作。該機(jī)械臂采用球坐標(biāo)形式，使用全液壓驅(qū)動(dòng)方式，模仿人的手臂和手腕運(yùn)動(dòng)，通過手部結(jié)構(gòu)、腕部結(jié)構(gòu)、臂部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，各部分缸體的設(shè)計(jì)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能。

關(guān)鍵詞：快遞柜;機(jī)械臂;六自由度;液壓驅(qū)動(dòng)

中圖分類號(hào)：TP241 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）03-0006-02

0 引言

隨著越來越多的人選擇網(wǎng)上購物，快件數(shù)量日益增加，在各大高校及社區(qū)雖然快遞柜的應(yīng)用緩解了取快遞的壓力，但是仍需要通過人工來實(shí)現(xiàn)快遞的分揀裝柜，通過對(duì)快遞分揀人員的采訪了解到快遞的分揀和裝柜需要大量人力和時(shí)間，這導(dǎo)致快遞在派件后較長時(shí)間才能獲得快遞到達(dá)的信息，導(dǎo)致消費(fèi)者收到快件的時(shí)間嚴(yán)重滯后。通過市場調(diào)研，機(jī)械臂雖然應(yīng)用廣泛，但還未在小型快遞收發(fā)站應(yīng)用。為實(shí)現(xiàn)快遞的智能分揀存件，設(shè)計(jì)一款可在小型快遞收發(fā)站應(yīng)用的快遞柜自動(dòng)存件的機(jī)械臂，它克服傳統(tǒng)快遞員手動(dòng)存件快遞中耗時(shí)、耗力等問題，可實(shí)現(xiàn)智能存儲(chǔ)、快速分揀、準(zhǔn)確投放等功能，此技術(shù)可在全國推廣。

1 機(jī)械臂的總體設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)方案

該機(jī)械臂應(yīng)具有智能分類、快速存件的功能。為實(shí)現(xiàn)智能分類，需在機(jī)械手上安裝攝像頭掃描裝置，通過掃描快遞上的二維碼（包含快遞的體積、質(zhì)量等信息）對(duì)快遞進(jìn)行分類，然后機(jī)械臂快速抓取地面上的目標(biāo)快遞將其存入指定的空閑快遞柜。同時(shí)，機(jī)械臂應(yīng)具有記憶存儲(chǔ)功能，可以迅速判斷空閑快遞柜的位置。

為實(shí)現(xiàn)上述過程，該機(jī)械臂采用全液壓驅(qū)動(dòng)方式，并采用球坐標(biāo)形式，模仿人的手臂和手腕運(yùn)動(dòng)，采用六個(gè)自由度：Z方向的升降運(yùn)動(dòng);繞Z方向的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng);手臂的仰俯運(yùn)動(dòng)，上仰為30°，下俯30°;X方向的伸縮運(yùn)動(dòng);手腕的仰俯運(yùn)動(dòng);繞X方向的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。手臂的仰俯運(yùn)動(dòng)能抓取地面上的物體，手腕上下擺動(dòng)可以使手部適應(yīng)被抓快遞的方位并保持目標(biāo)姿勢。該坐標(biāo)式的機(jī)械臂具有靈活性高、體積小、工作范圍大等優(yōu)點(diǎn)[1]。

1.2 運(yùn)動(dòng)分析

機(jī)械臂機(jī)構(gòu)可以簡化為由許多關(guān)節(jié)連接起來的連桿機(jī)構(gòu)。把構(gòu)件的坐標(biāo)系（如圖1所示）應(yīng)用于機(jī)械臂的每一個(gè)連桿中，便于準(zhǔn)確的描述一個(gè)連桿與下一個(gè)連桿之間的關(guān)系。

齊次的變換是描述這些坐標(biāo)系之間的相對(duì)位置與方向的一種通用方法，把齊次變換記為A矩陣。A矩陣用來描述第k個(gè)連桿相對(duì)于第k-1連桿的位置，對(duì)于本設(shè)計(jì)的六自由度機(jī)械臂，則第六個(gè)連桿相對(duì)于基座的位姿可用以下式表示：Tn=A1A2A3A4A5A6。

1.3 機(jī)械臂的組成

機(jī)械臂主要由控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等構(gòu)成。通過控制系統(tǒng)，利用液壓驅(qū)動(dòng)，按動(dòng)作順序，在規(guī)定的時(shí)間和速度下完成機(jī)械臂結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，且傳感器采集機(jī)械臂關(guān)鍵位置的速度和位移，超出最大誤差時(shí)發(fā)出信號(hào)并及時(shí)采取應(yīng)急動(dòng)作，這樣可在順利完成抓取動(dòng)作情況下保證精度。

2 機(jī)械臂的執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械臂的設(shè)計(jì)自由度為6個(gè)，旨在使其運(yùn)動(dòng)靈活，當(dāng)某方向的運(yùn)動(dòng)不宜過大時(shí)，為滿足運(yùn)動(dòng)要求可通過與其相關(guān)的自由度來補(bǔ)充，這更有利于機(jī)械臂的穩(wěn)定。執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括手部、腕部、臂部等機(jī)構(gòu)。其中手部是直接與目標(biāo)物接觸的部分;本機(jī)械臂采用滑槽式手部結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)桿向下推動(dòng)手指夾緊，向上拉時(shí)則手指張開。手腕是聯(lián)接手部和手臂的部件，用來調(diào)整目標(biāo)物的方位;臂部是支撐手部、腕部的主要部件，手臂設(shè)有3個(gè)自由度（繞橫軸旋轉(zhuǎn)、上下擺動(dòng)和左右擺動(dòng)），采用關(guān)節(jié)式坐標(biāo)。該坐標(biāo)下的結(jié)構(gòu)易優(yōu)化，有利于提高機(jī)械臂的動(dòng)態(tài)操作性能[2]。

3 機(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本機(jī)械臂采用全液壓驅(qū)動(dòng)，采用3個(gè)回轉(zhuǎn)缸，2個(gè)伸縮缸和1個(gè)俯仰伸縮缸。其中3個(gè)回轉(zhuǎn)油缸實(shí)現(xiàn)了2個(gè)腕部回轉(zhuǎn)和一個(gè)大臂回轉(zhuǎn);2個(gè)伸縮缸分別實(shí)現(xiàn)大臂和小臂的伸縮運(yùn)動(dòng)。

3.1 驅(qū)動(dòng)方案

方案設(shè)計(jì)如下：機(jī)械臂動(dòng)作從原位開始，順序依次為大臂下降→手指夾緊→ 大臂上升→底座回轉(zhuǎn)→手腕回轉(zhuǎn)→小臂伸出→手指松開→小臂縮回;待快遞順利放置到快遞柜中后，小臂伸出→手指夾緊→小臂縮回→底座回轉(zhuǎn)→底座滿退→手腕回轉(zhuǎn)→小臂下降→手指松開→大臂上升至原位停止→準(zhǔn)備下次快遞裝柜。

3.2 油缸選擇

為實(shí)現(xiàn)腕部的回轉(zhuǎn)與仰俯運(yùn)動(dòng)，采用裝有軸線互相垂直的回轉(zhuǎn)油缸的雙腕部結(jié)構(gòu);采用單葉片回轉(zhuǎn)油缸驅(qū)動(dòng)手腕擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)。為實(shí)現(xiàn)沿X軸伸縮的自由度要求，小臂的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成雙作用油缸。手臂俯仰運(yùn)動(dòng)，采用活塞缸與連桿機(jī)構(gòu)聯(lián)用來實(shí)現(xiàn)的。手臂俯仰運(yùn)動(dòng)用的活塞缸位于手臂的正下方，其活塞桿和手臂用鉸鏈連接。機(jī)械臂的大臂是支撐手臂的部件，主要實(shí)現(xiàn)臂部的升降、回轉(zhuǎn)、仰俯等運(yùn)動(dòng)，采用回轉(zhuǎn)缸置于升降缸之上導(dǎo)向桿布置在活塞缸內(nèi)部的機(jī)身結(jié)構(gòu)。大臂伸縮油缸對(duì)于機(jī)械臂起傳動(dòng)件、導(dǎo)向桿和定位件的作用，布置要合理，以減少對(duì)升降支撐軸線的偏心矩，防止卡死現(xiàn)象。

4 仿真分析

采用Pro-E軟件進(jìn)行了底座、大臂、小臂、手腕、手指等部件的三維建模，最終完成了機(jī)械臂的三維建模圖及運(yùn)動(dòng)路線分析，結(jié)果顯示了該機(jī)械臂機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)性能，同時(shí)檢驗(yàn)了機(jī)械臂的裝配與其運(yùn)動(dòng)過程中的干擾，有利于發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的問題并進(jìn)行調(diào)整。三維建模圖如圖2所示。

5 結(jié)語

本文對(duì)應(yīng)用于快遞柜的六自由度機(jī)械臂進(jìn)行一定的理論研究，包括機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)方程建立、油缸計(jì)算，建立機(jī)械手零件模型庫，通過仿真完成六自由度機(jī)械臂的設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果顯示其結(jié)構(gòu)剛度高，位姿調(diào)整靈巧，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)工況下的搬運(yùn)任務(wù)。同時(shí)，為六自由度工業(yè)機(jī)械臂后續(xù)研究提供了基本數(shù)據(jù)，對(duì)物流行業(yè)發(fā)展也起到促進(jìn)作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 李海龍.六軸工業(yè)機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與軌跡規(guī)劃[D].安徽理工大學(xué)，2018.

[2] 郎霞俊.全液壓巖心鉆機(jī)提下鉆機(jī)械手的設(shè)計(jì)[J].機(jī)械管理開發(fā)，2018，33（10）：9-10.

Design of a 6-DOF Manipulator for Express Cabinet

WANG Gui-xiang，HE Quan-yan，LI Wei-duan，ZHANG Hao，ZONG Run-feng，WANG Chen

（Hebei University， Baoding Hebei? 071002）

Abstract：In order to realize intelligent sorting and storing of express delivery， a 6-DOF manipulator for automatic storage of express cabinet which can be used in small express delivery stations is designed. The manipulator recognizes bar codes on express delivery through the scanning device， and classifies and store them according to mass， volume and other factors of express delivery. The manipulator uses the spherical coordinate and full hydraulic drive to imitate the movement of human's arm and wrist. By structure design of hand， wrist and arm， the design and calculation of the 6-DOF manipulator can realize the predetermined function.

Key words：express cabinet; mechanical arm; six degrees of freedom; hydraulic drive