蒙重寶

(廣西理工職業(yè)技術學院，廣西 崇左 532200)

0 引言

目前，工業(yè)生產(chǎn)線上一般使用碼垛機器人進行搬運、碼垛、拆垛等任務。由于碼垛機器人具有動作靈敏準確、運行效率高、穩(wěn)定性強等優(yōu)勢，正在逐漸取代人工碼垛。但碼垛機器人的成本較高，還難以大規(guī)模普及[1]。為了降低購買及維護成本，提高國內(nèi)工業(yè)生產(chǎn)自動化水平，提高生產(chǎn)效率的同時降低生產(chǎn)成本，必須對碼垛機器人的結構設計及運動學進行研究[2]。設計了一種多自由度碼垛機器人結構，并對其運動學進行了分析。其具有結構簡單、運行可靠的特點，適合產(chǎn)量不大的中小企業(yè)使用。

1 多自由度碼垛機器人結構設計

設計具有多自由度的碼垛機器人結構，需要分析其結構參數(shù)，并依據(jù)設計的結構參數(shù)構建碼垛機器人的主體結構，為其運動學分析提供基礎。

1.1 多自由度碼垛機器人結構參數(shù)設計

為了使碼垛機器人能自主完成碼垛的所有操作工序，精準完成抓取或放下產(chǎn)品的動作，并能將產(chǎn)品從抓取點運送到碼垛點，完全模仿人工碼垛的動作，需要機器人本體可以自由靈活運動，具有自主碼垛的基本功能[3]，主要的技術參數(shù)包括運行速度、自由度、工作空間范圍、末端承載能力以及重復定位精度等。本研究設計的碼垛機器人具有4自由度的關節(jié)分布，臂展為1.8 m。碼垛機器人結構參數(shù)如表1所示。

1.2 多自由度碼垛機器人結構主體設計

多自由度碼垛機器人結構主體設計極為重要。為了保證機器人在工作時準確抓取，動作平穩(wěn)，設計了多自由度碼垛機器人，結構主體采用優(yōu)于其他結構機器人的4自由度關節(jié)式結構形式，如圖1所示。該結構要求在搬運過程機器人腕部處于水平狀態(tài)，以搬運物體為例，其具有兩個平行四邊形機構和一個三運動副桿組機構，利用末端執(zhí)行器來控制物流箱，利用主臂、前臂、后臂及底座部的特殊四邊形機構配合將物流箱搬到一定位置。

表1 碼垛機器人的主要技術參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of Robot Palletizer

圖1 碼垛機器人結構示意圖Fig.1 Structural representation of Robot Palletizer

2 多自由度碼垛機器人運動學分析

根據(jù)設計的機器人結構，將多自由度碼垛機器人帶入到坐標系中，以A點為坐標原點，分析研究機器人末端端點的運動學變化[4]。示意圖中不同位置的坐標點為：

A點位置坐標為：

L(xA,yA)=(0,0)

(1)

B點位置坐標為：

L(xB,yB)=(lABcosθ,lABsinθ)

(2)

其中，l表示不同坐標點之間的距離，θ表示AB線與x軸正向坐標軸之間的夾角。

C點位置坐標為：

L(xC,yC)=(xB-lBCsin?,yB+lBCcos?)

(3)

其中，?為BC線與y軸正向坐標軸之間的夾角。

D點位置坐標為：

L(xD,yD)=(-260,260)

(4)

E點位置坐標為：

L(xE,yE)=(xC-lECcos(π-β),yC+lECsin(π-β))

(5)

其中，β為DF與x軸正向坐標軸之間的夾角。

F點位置坐標為：

L(xF,yF)=(xD-lDFcos(π-β),yD+lDFsin(π-β))

(6)

固定：

(7)

由此得到機器人末端端點G點位置坐標為：

(8)

在以上分析基礎上可知，碼垛機器人末端G點的位置主要受F和E點影響，而C點的位置受到?角的影響，故設計機器人過程中，固定各個結構之間距離，通過調(diào)整旋轉角度?和β可實現(xiàn)G點的位置控制。

3 碼垛機器人運動學分析及仿真

3.1 碼垛機器人運動學分析

對碼垛機器人設定4個自由度，即包含4個關節(jié)變量，分別為是θ1、θ2、θ3和θ4。設計的碼垛機器人運動學簡圖如圖2所示。

圖2 碼垛機器人運動學簡圖Fig.2 Kinematics diagram of of Robot Palletizer

為了得到機器人的運動空間，需要了解每個關節(jié)變化量的范圍。其中，旋轉關節(jié)的變量為關節(jié)變量θ1、θ4。同時，為了最大限度保證其運動范圍，取值范圍為：1-π ≤θ≤π，θ2和θ3隨著兩個旋轉關節(jié)的運動而變化。

3.2 碼垛機器人的動力學仿真

在ADAMS軟件中對機器人各個關節(jié)的驅(qū)動力矩進行仿真計算，讓機器人完成物品抓取并返回原位置的工作，因此每個關節(jié)變量的負載情況是變化的。0～1 s代表機器人正在調(diào)整位置，準備抓取物品；1～5 s代表機器人在轉移物品；5～7s代表機器人放下物品，返回初始位置。得到每個關節(jié)變量的力矩變化曲線圖。

從圖3～6中可以看出，關節(jié)變量θ1的最大驅(qū)動力矩為8 000 N·m，關節(jié)變量θ2、θ3、θ4的最大驅(qū)動力矩分別為6 500 N·m、2 500 N·m及900 N·m。曲線特性是在機器人調(diào)整位置并準備抓取物品的過程中逐漸增大其驅(qū)動力矩，使其在1 s時達到最大，之后，機器人勻速轉移物品，力矩較小且其變化程度低。在放下物品回到初始位置過程中，從5 s開始，驅(qū)動力矩逐漸增大，在10 s時達到最大值，這是由于減速過程中，電機力矩會變大。通過對各個關節(jié)變量的力矩曲線分析，驗證了動力學理論的正確性，并能夠得出每個關節(jié)變量所受的約束力。

圖3 關節(jié)變量θ1力矩變化曲線Fig.3 Curve of joint variable θ1 moment of force

圖4 關節(jié)變量θ2力矩變化曲線Fig.4 Curve of joint variable θ2 moment of force

圖5 關節(jié)變量θ3力矩變化曲線Fig.5 Curve of joint variable θ3 moment of force

圖6 關節(jié)變量θ4力矩變化曲線Fig.6 Curve of joint variable θ4 moment of force

4 結語

通過碼垛機器人運動學仿真，得到碼垛機器人的運動學方程，以證明可以在參考坐標系中準確表現(xiàn)機器人各零件的位姿，且碼垛機器人可以到達目標位置和位姿，滿足了運動學要求。

通過碼垛機器人動力學仿真，對各關節(jié)變量的力矩曲線進行分析，以證明動力學理論的正確性，并能夠得出每個關節(jié)變量所受的約束力，所設計的機器人符合動力學。