碼垛機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計與運動分析

孫 浩，趙玉剛，姜文革，谷 萌

（山東理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，淄博 255000）

0 引言

碼垛機器人是當(dāng)今機電一體化的高科技產(chǎn)品，在現(xiàn)代企業(yè)物流管理中占有重要地位，它對于企業(yè)提高生產(chǎn)效率、增進經(jīng)濟效益、保證產(chǎn)品質(zhì)量、改善勞動環(huán)境、優(yōu)化作業(yè)布局有著突出的貢獻，其應(yīng)用的數(shù)量和質(zhì)量標(biāo)志著企業(yè)生產(chǎn)自動化的先進水平。

所謂碼垛就是按照集成單元化的思想，將一件件的物料按照一定的模式堆碼成垛，以便使單元化的物料實現(xiàn)搬運、存儲、裝卸、運輸?shù)任锪骰顒印＝陙?，國?nèi)外碼垛機器人技術(shù)獲得了前所未有的發(fā)展，碼垛機器人的吞吐量、柔性、處理速度以及抓取載荷在不斷的升級，適應(yīng)場合也在不斷的擴大[1,2]。碼垛機器人以其柔性工作能力和占地面積小，并能夠同時處理多種物料和垛型，越來越受到企業(yè)的青睞并廣泛應(yīng)用于碼垛作業(yè)中。

1 碼垛機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

傳統(tǒng)的碼垛機器人多采用串聯(lián)機構(gòu)，雖然結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，但是由于系統(tǒng)剛性差，難以滿足長期、穩(wěn)定的碼垛要求。新型的碼垛機器人采用并聯(lián)機構(gòu)，不僅剛性強，控制精度也有所提高[3]。

本課題組設(shè)計碼垛機器人的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主體結(jié)構(gòu)是四邊形的連桿結(jié)構(gòu)，由4個自由度組成，其中包括2個旋轉(zhuǎn)副和2個移動副。機器人的執(zhí)行末端通過腰部的旋轉(zhuǎn)運動，前大臂的水平運動，后大臂的垂直運動，抓手的旋轉(zhuǎn)運動相互組合，共同完成對物品的碼垛作業(yè)。

圖1 碼垛機器人整體結(jié)構(gòu)圖

碼垛機器人的工作過程要求實現(xiàn)高速、高效、穩(wěn)定的搬運和碼垛，各個關(guān)節(jié)電機必須嚴(yán)格按照自己的關(guān)節(jié)路徑運動，并且能夠協(xié)調(diào)準(zhǔn)確地停止在預(yù)定位置，這就對其驅(qū)動方式和傳動機構(gòu)的設(shè)計有較高要求。

2 機構(gòu)運動學(xué)分析

本碼垛機器人主體結(jié)構(gòu)采用類平衡吊原理的連桿機構(gòu)，該機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、維護方便、性能穩(wěn)定等優(yōu)點[4]。其結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示，核心部分為ABD、BC、DE、CE共同組成的平行四連桿機構(gòu)，其中A、C分別為垂直方向跟水平方向驅(qū)動裝置。

2.1 機器人臂部運動求解

為了準(zhǔn)確地對執(zhí)行末端進行分析求解，便于系統(tǒng)對電機的控制，需要對機器人臂部進行運動分析。筆者在前人研究推導(dǎo)的基礎(chǔ)上[5]，提出了一種簡單直觀的求解方法。如圖2所示，在機器人大小臂組合旋轉(zhuǎn)的主剖面內(nèi)設(shè)置一個固定的坐標(biāo)系XOY，其中，A點為碼垛機器人Y軸絲杠滑座與后大臂的鉸接點，在電機帶動下沿Y軸方向垂直運動；C點為碼垛機器人X軸絲杠滑座與前大臂的鉸接點，在電機帶動下沿X軸方向水平運動；D、E兩點分別為后大臂、前大臂與小臂的鉸接點；F點為執(zhí)行末端位置；角為前大臂與水平X軸的夾角。當(dāng)機器人處于零位時，機構(gòu)位置如圖虛線部分。

設(shè)水平滑座運動距離x，垂直滑座運動距離y，機構(gòu)運動到如圖實線位置，根據(jù)其幾何關(guān)系來確定末端位置的變化規(guī)律，圖中各點的坐標(biāo)為：

根據(jù)幾何關(guān)系得：

由以上分析可以得到執(zhí)行末端F點的運動方程：

其中m=（x+240），n=(y-200)。

由上式可以看出，碼垛機器人的末端輸出為非線性的輸出，x軸電機在水平方向移動時，末端F沿水平方向移動，同時還受到的影響，在y方向運動，同理y軸方向運動也受到的影響，這樣導(dǎo)致末端運動的不確定性，而且容易使系統(tǒng)產(chǎn)生振動。

為了消除以上影響，我們?nèi)∵B桿長度滿足以下條件：

取圖2中參數(shù)，此時得到F點運動方程為

由式（4）我們就建立了執(zhí)行末端F與x、y軸電機運動關(guān)系，即x軸電機的運動僅引起末端F的水平運動，y軸電機的垂直運動僅引起末端F的垂直運動。通過以上分析，在初始點位置確定的前提下，可以計算出末端F運動到工作空間中任意點時，電機在水平方向和垂直方向的位移。

圖2 臂部結(jié)構(gòu)簡圖

2.2 機器人運動學(xué)求解

在碼垛機器人搬運物品過程中，執(zhí)行末端將貨物從自動化生產(chǎn)線上抓取到托盤，堆碼成垛，其工作過程如圖3所示。

圖3 碼垛過程示意圖

要使執(zhí)行末端準(zhǔn)確地將貨物送達A點位置，需要CPU求出腰部轉(zhuǎn)過的角度以及水平關(guān)節(jié)和垂直關(guān)節(jié)的位移。設(shè)托盤上某一碼放點A坐標(biāo)為（x，y，z），從貨物抓取點B（x0，y0，z0）到A點腰部旋轉(zhuǎn)角度為（順時針方向為正）：

水平關(guān)節(jié)移動的距離H為：

垂直關(guān)節(jié)移動的距離V為：

腕部轉(zhuǎn)過的角度與腰部轉(zhuǎn)過角度大小相等方向相反：

通過以上的分析計算，只要給CPU垛型和碼垛起始點位置，機器人便可在位置控制模塊驅(qū)動下以圖4流程自動運行。

圖4 碼垛流程圖

3 軌跡規(guī)劃

運動學(xué)分析是機器人軌跡規(guī)劃和控制系統(tǒng)軟件設(shè)計的前提和基礎(chǔ)[6]。碼垛機器人一般采用點到點的運動模式，在開始碼垛工作之前，需要先進行軌跡的規(guī)劃，確定運動過程的路徑點，使機器人能夠準(zhǔn)確、安全地將物品擺放到指定位置，避免打垛現(xiàn)象，軌跡規(guī)劃是運動學(xué)反解的實際應(yīng)用[7]。對機器人軌跡的規(guī)劃如圖5所示，各點坐標(biāo)均指執(zhí)行末端的位置。把貨物堆碼成垛的過程軌跡為P1—P2—P1—P3—P4—P5，從物垛取貨的軌跡為P5—P4—P3—P1—P2。其中P1是物品初始放置點上方一過渡點，為抓取貨物做準(zhǔn)備；P2是貨物初始放置點；P3是碼垛空間內(nèi)靠近物垛的一點，為貨物放置做調(diào)整準(zhǔn)備；P4是最終放置點上方一過渡點；P5是物品最終放置點。

圖5 碼垛機器人路徑規(guī)劃

軌跡點的確定必須要在碼垛機器人的最大工作空間內(nèi)，這樣才能保證按照工業(yè)需求擺放物品，避免機器人失控。根據(jù)確定的工作空間，判斷時，只需要進行邊緣點的判斷，一旦發(fā)現(xiàn)有點不在工作空間內(nèi)，就要重新設(shè)定碼垛方式。

工作過程中，CPU根據(jù)軌跡要求，通過運動學(xué)計算生成控制指令，發(fā)送給位置控制模塊，控制模塊以脈沖的形式輸出位置命令值，使執(zhí)行末端依次通過各路徑點。脈沖的數(shù)量和頻率分別決定了電機轉(zhuǎn)過的角度和速度。

4 模擬仿真

根據(jù)機器人運動學(xué)模型，水平方向滑座移動范圍-60mm

圖6 碼垛機器人工作空間

5 結(jié)論

工業(yè)碼垛機器人是典型的機電一體化的高科技產(chǎn)品，對企業(yè)提高生產(chǎn)效率、改善勞動環(huán)境和優(yōu)化作業(yè)布局等方面起著重要的作用。針對企業(yè)要求，課題組設(shè)計了一個四自由度并聯(lián)碼垛機器人，該機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，控制靈活，最大抓取載荷為100kg，工作能力達800次/h，完全滿足工業(yè)現(xiàn)場的要求。

[1] 胡洪國,高建華,楊汝清.碼垛技術(shù)綜述[J].組合機床與自動化加工技術(shù),2000,(6):7-9.

[2] 張豐華,韓寶玲,羅慶生,等.基于PLC的新型工業(yè)碼垛機器人控制系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機測量與控制,2009,17(11):191-194.

[3] 劉清,韓寶玲,羅慶生,等.S7-200可編程控制器在新型智能碼垛機器人中的應(yīng)用研究[J].制造業(yè)自動化,2008 ,7(30):39-43.

[4] 閆愛和,焦希潤,張素青.平衡吊的運動分析及平衡方法[J].太原重型機械學(xué)院學(xué)報,2000,21(4):295-300.

[5] 李成偉,贠超.碼垛機器人機構(gòu)設(shè)計與運動學(xué)研究[J].機械設(shè)計與制造,2009,(6):181-183.

[6] 蔡自興.機器人學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2000,46-83.

[7] 魏延輝,李瑞峰.HHRB100搬運機器人碼垛程序的離線編程[J].制造業(yè)自動化,2003,25(10):27-29,45.