一種瓶裝藥品抓取末端執(zhí)行器的研究

姚志英，吳夢(mèng)委,2，姚瀅瀅

（1.北京物資學(xué)院 物流學(xué)院，北京 101149；2.北京交通大學(xué) 機(jī)械于電子控制工程學(xué)院，北京 100044）

0 引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，物流行業(yè)智能化程度越來(lái)越高，而行業(yè)對(duì)智能化提出了更高的要求，尤其是在物流生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)物流分揀速度和效率的要求越來(lái)越高。而影響物流分揀的最關(guān)鍵因素就是分揀執(zhí)行機(jī)構(gòu)的效率。為此有關(guān)分揀機(jī)械手末端執(zhí)行器的研究成為一個(gè)熱點(diǎn)，大家都想方設(shè)法通過(guò)優(yōu)化末端執(zhí)行器的性能來(lái)提高其效率。目前國(guó)內(nèi)外的學(xué)者在這方面已取得了一定階段性成果。鮑秀蘭和張磊等針對(duì)家禽靜膛操作空間小，操作要求靈活等特點(diǎn)，研究了三指三關(guān)節(jié)家禽自動(dòng)靜膛末端執(zhí)行器。權(quán)龍哲和趙琳等為了實(shí)現(xiàn)同一機(jī)械手柔性抓取各種形狀果蔬的目標(biāo)，設(shè)計(jì)了一種基于仿生原理的多功能蜓爪式末端執(zhí)行器。張建寶等應(yīng)用氣動(dòng)人工肌肉設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)靈活、柔性作業(yè)的多手指剛?cè)峄炻?lián)的草莓采摘末端執(zhí)行器。徐麗明等基于欠驅(qū)動(dòng)原理設(shè)計(jì)了一種雙V型手指臍橙采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器，實(shí)現(xiàn)臍橙的無(wú)損傷采摘。張煒等針對(duì)穴盤移栽末端執(zhí)行器存在夾持角度不可調(diào)、結(jié)構(gòu)負(fù)載等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種三指式移栽末端執(zhí)行器，通過(guò)理論仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的末端執(zhí)行器可以滿足移栽運(yùn)動(dòng)的要求。劉佳等設(shè)計(jì)了一種以驅(qū)動(dòng)位移控制進(jìn)行夾取力控制的柔性機(jī)械手，并以不同尺寸的草莓為夾取目標(biāo)，對(duì)柔性機(jī)械手的夾取過(guò)程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)研究，研究夾取力的變化規(guī)律，驗(yàn)證了所研究的機(jī)械手可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的無(wú)損快速抓取。張炳超等針對(duì)番木瓜采摘機(jī)械化程度低、作業(yè)復(fù)雜等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于欠驅(qū)動(dòng)原理的番木瓜采摘末端執(zhí)行器。韓亮亮等針對(duì)中小型自移動(dòng)空間機(jī)械臂在軌操作和“換位行走”的任務(wù)需求，研制了一種小型化、大容差、高剛度可靠連接的末端執(zhí)行器，并通過(guò)ADMAS建立虛擬樣機(jī)，通過(guò)對(duì)樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性及仿真的準(zhǔn)確性。肖英奎等研究了具有三個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)自由度的采摘機(jī)械臂用于農(nóng)業(yè)果蔬采摘。邵鐵鋒等按照象鼻結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)仿生學(xué)原理，設(shè)計(jì)了一種象鼻型水果采摘機(jī)械手。事實(shí)上有關(guān)適合于不同場(chǎng)景、不同用途的機(jī)械手及末端執(zhí)行器的研究成果還有很多，但總體而言需要針對(duì)不同具體的應(yīng)用及環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)，沒(méi)有一種可以應(yīng)用于不同工況環(huán)境、不同用途的標(biāo)準(zhǔn)型末端執(zhí)行器。

本文將研究一種適合于瓶裝類藥品自動(dòng)分揀機(jī)械手的末端執(zhí)行器；首先針對(duì)瓶裝藥的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了柔性末端執(zhí)行器，并構(gòu)建了末端執(zhí)行器的電機(jī)模型，設(shè)計(jì)了末端執(zhí)行器的非光滑控制器，并進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，籍于此實(shí)現(xiàn)瓶裝類藥品的穩(wěn)定分揀。

1 瓶裝類藥品分揀末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)

1.1 瓶裝藥分揀的影響因素分析

有關(guān)藥品分揀研究的文獻(xiàn)相對(duì)較少，僅有的幾篇文章也是針對(duì)盒裝藥品分揀的研究。事實(shí)上盒裝藥和瓶裝藥是截然不同的兩個(gè)分揀對(duì)象，眾所周知瓶裝藥比盒裝藥表面光滑，而且大部分情況下單瓶瓶裝藥比單盒盒裝藥的重量要重；同時(shí)瓶裝藥在分揀過(guò)程中必須要輕拿輕放，分揀過(guò)程瓶裝藥的振蕩幅度不能過(guò)大；此外在分揀抓取過(guò)程中，要求抓取設(shè)備必須不能因出現(xiàn)松懈打滑現(xiàn)象而導(dǎo)致瓶裝藥從抓取器中脫落。當(dāng)然還有諸如藥瓶本身的抗壓能力、藥瓶的摩擦系數(shù)、瓶?jī)?nèi)藥物的重量等因素影響著瓶裝藥分揀末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)。

1.2 瓶裝藥分揀末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)和原理，機(jī)械手的末端執(zhí)行器一般分為機(jī)械夾持式、吸附式末端執(zhí)行器和特種工具三種類型，其中機(jī)械夾持式末端執(zhí)行器一般為兩指或多指手爪型；而吸附式末端執(zhí)行器一般適應(yīng)于體積規(guī)則、重量輕的分揀場(chǎng)合；特種工具是即在特殊場(chǎng)合下使用的執(zhí)行器，如焊槍、噴嘴、電磨頭等。在充分考慮了瓶裝藥自身的特性、瓶裝藥分揀過(guò)程的工況環(huán)境以及分揀抓取過(guò)程特性，我們研究設(shè)計(jì)夾持式的末端執(zhí)行器，具體如圖1所示。其中仿生手指1是執(zhí)行瓶裝藥物抓取的執(zhí)行單元；主體壁2是保護(hù)仿生手指，阻止仿生手指在橫向方向的運(yùn)動(dòng)；銷軸3用于將仿生手指和連接桿相連，同時(shí)連接桿和滑動(dòng)主體之間也通過(guò)銷軸相連；支架4是末端執(zhí)行器構(gòu)件的支撐載體，也是末端執(zhí)行器與機(jī)械臂連接的載體；驅(qū)動(dòng)電機(jī)5是末端執(zhí)行器縱向運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)部件；頂蓋6是固定滑動(dòng)主體縱向移動(dòng)的部件，限定滑動(dòng)主體縱向移動(dòng)過(guò)程中最大行程；滑動(dòng)主體7是末端執(zhí)行器縱向移動(dòng)的部件，便于在實(shí)際使用中根據(jù)藥品的情況調(diào)整仿生手指的張度；連接桿8一端與仿生手指相連，一端與滑動(dòng)主體相連；電機(jī)軸9一端連接電機(jī)，另一端連接滑動(dòng)主體。

圖1 末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 瓶裝藥分揀末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)分析

為了方便分析，根據(jù)末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)原理及結(jié)構(gòu)，我們將模型簡(jiǎn)化滑塊連桿結(jié)構(gòu)，具體如圖2所示。其中1為電機(jī)輸出軸，2為滑動(dòng)主體，3為連接桿，4為仿生手指，5為銷軸。根據(jù)圖2可知，活動(dòng)構(gòu)件數(shù)目為3，底副的數(shù)目為4，高副數(shù)目為0，故所設(shè)計(jì)末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)的自由度為1，當(dāng)電機(jī)輸出軸驅(qū)動(dòng)滑動(dòng)主體向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)手指的張開(kāi)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)電機(jī)輸出軸驅(qū)動(dòng)滑動(dòng)主體向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)手指的閉合，這樣通過(guò)滑動(dòng)主體的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)仿生手指的張開(kāi)與閉合。

圖2 末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)分析簡(jiǎn)化模型

1.4 所研究瓶裝藥分揀末端執(zhí)行器的特點(diǎn)

1）所設(shè)計(jì)的末端執(zhí)行器屬于指尖抓取器，利用三個(gè)指尖進(jìn)行抓取，為了保證在抓取過(guò)程中減少藥品的振蕩，所設(shè)計(jì)的手指成爪型，且手指關(guān)節(jié)不能進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，這樣保證抓取中手指形狀穩(wěn)定不變，在一定程度上避免了抓取過(guò)程中振蕩；

2）為了避免在抓取過(guò)程中指尖和瓶體之間出現(xiàn)松動(dòng)打滑的現(xiàn)象，在手指的表面增加了一層橡膠顆粒材料，通過(guò)橡膠顆粒來(lái)增加手指的摩擦系數(shù)，增大手指和瓶體間的摩擦力。

3）為了控制手指的張度和保證在抓取過(guò)程中手指張度的穩(wěn)定性，采取了通過(guò)銷軸死鎖和頂蓋限制的方式，確保在抓取過(guò)程手指的張度不變。

4）所設(shè)計(jì)的末端執(zhí)行器可抓取實(shí)現(xiàn)不同直徑瓶裝藥的柔性抓取，我們通過(guò)ADAMS軟件研究仿生手指的抓取軌跡，如圖3所示，由圖3可知所設(shè)計(jì)的末端執(zhí)行器可以抓取直徑為74毫米到145毫米的藥瓶。

圖3 瓶裝藥分揀末端執(zhí)行器

5）所設(shè)計(jì)的末端執(zhí)行器可對(duì)不同重量的瓶裝藥實(shí)現(xiàn)柔性抓取。按照直徑為90毫米、容量為100毫升、玻璃材質(zhì)的藥瓶，設(shè)液體的密度與水的密度相當(dāng)，那么裝滿藥的藥瓶總重量約為1.5千克，通過(guò)ADAMS構(gòu)建了圖4所示的末端執(zhí)行器抓取力學(xué)仿真模型，然后通過(guò)不斷調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)控輸出軸的位移，進(jìn)而控制手指的夾取力，畫出手指接觸點(diǎn)的力曲線如圖5所示。由圖可知指尖接觸最大可達(dá)40N，而測(cè)試對(duì)象的重量為14.7N，仿生手指完全可以實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試對(duì)象的抓取，同時(shí)佐證了手指可以抓取重量為40N內(nèi)的瓶裝藥。

圖4 模型執(zhí)行抓取力學(xué)模型

2 瓶裝類藥品分揀末端執(zhí)行器控制

瓶裝藥瓶分揀末端執(zhí)行器的控制主要圖5手指接觸點(diǎn)的力曲線是對(duì)仿生手指的控制。根據(jù)本文前面的研究可知，仿生手指的控制采取電機(jī)控制，因此本部分內(nèi)容主要是電機(jī)控制，擬以非光滑控制理論為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一種快速穩(wěn)定的非光滑控制器進(jìn)行電機(jī)的控制。

圖5 手指接觸點(diǎn)的力曲線

2.1 末端執(zhí)行器的電機(jī)

根據(jù)本文的研究對(duì)象，結(jié)合直線直流電機(jī)運(yùn)行效率高、控制方式簡(jiǎn)單靈活、可與閉環(huán)控制系統(tǒng)組合實(shí)現(xiàn)位移、速度和加速度的精確控制等特點(diǎn)，我們選擇了永磁式直線直流電機(jī)，電機(jī)的型號(hào)為AUM2-S4，電機(jī)的部分參數(shù)如表1所示；通過(guò)計(jì)算，直線電機(jī)的最大推力45N，持續(xù)推力為29.4N，完全滿足本文所研究末端執(zhí)行器的負(fù)載要求。

表1 電機(jī)的部分參數(shù)

2.2 電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

根據(jù)電機(jī)的電壓方程和機(jī)械動(dòng)力方程，得到如公式1所示的電機(jī)二階控制模型，其中Ce為電機(jī)電勢(shì)系數(shù)，Tm為機(jī)械時(shí)間常數(shù)，Ta為電氣時(shí)間常數(shù)。結(jié)合所選擇電機(jī)的使用手冊(cè)和參考文獻(xiàn)[14]中相關(guān)內(nèi)容，電機(jī)的數(shù)學(xué)模型為式(2)。

2.3 電機(jī)非光滑控制器

與線性控制技術(shù)和非線性控制技術(shù)相比，非光滑控制技術(shù)具有無(wú)可比擬的快速性、穩(wěn)定性和強(qiáng)擾動(dòng)抑制性，為此在課題組前期相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合電機(jī)的控制模型，我們?cè)O(shè)計(jì)如圖6所示的電機(jī)非光滑控制器，由圖可知電機(jī)非光滑控制器由非光滑PID控制器和非光滑負(fù)反饋控制器組成。其中非光滑PID控制器的數(shù)學(xué)表達(dá)式為式(3)，式中kp為比例系數(shù)，kd為微分系數(shù)，0＜2αp+1=np/mp＜1，np為奇數(shù)，mp為正數(shù)，np與mp為互質(zhì)數(shù)，0＜αd＜1；非光滑負(fù)反饋控制器的表達(dá)式為公式(4)，式中kf1和kf2為反饋系數(shù)，y為電機(jī)的輸出可測(cè)量,0＜2α1f+1=n1f/m1f＜1,n1f為奇數(shù)，m1f為正數(shù)，n1f與m1f為互質(zhì)數(shù)，0＜αf＜1。

圖6 電機(jī)非光滑控制器

應(yīng)用MATLAB構(gòu)建的末端執(zhí)行器電器非光滑控制器仿真模型，進(jìn)行性能測(cè)試，并比較其與線性PID控制器對(duì)階躍信號(hào)的響應(yīng)結(jié)果，其結(jié)果如圖7所示，性能如表2所示，測(cè)試過(guò)程中各個(gè)參數(shù)值如表3所示。由測(cè)試可得所設(shè)計(jì)的非光滑PID控制器具有較好的控制性能，可實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器的快速穩(wěn)定控制。

表2 非光滑PID控制器的性能

表3 各個(gè)參數(shù)值

由于在實(shí)際使用過(guò)程中，末端執(zhí)行器易受到外界干擾的影響，通過(guò)進(jìn)一步研究，將擾動(dòng)分為兩種類型，一種擾動(dòng)為常值擾動(dòng)，在分揀過(guò)程中由分揀傳輸帶的振動(dòng)等原因所引起的擾動(dòng)，在某一時(shí)段內(nèi)持續(xù)存在，我們將其近似為常值擾動(dòng)；另一種擾動(dòng)為隨機(jī)擾動(dòng)，這種擾動(dòng)是在分揀過(guò)程中隨機(jī)出現(xiàn)的一些白噪聲擾動(dòng)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證所研究的非光滑控制器的擾動(dòng)抑制能力，我們分別將式(5)所示的常值擾動(dòng)和圖8所示的隨機(jī)擾動(dòng)疊加到控制器的輸入中，檢驗(yàn)其擾動(dòng)抑制性能，其結(jié)果分別如圖9和圖10所示，由圖9可知對(duì)于常值擾動(dòng)非光滑PID控制器的擾動(dòng)抑制率可到92%，而線性PID控制器的擾動(dòng)抑制率接近92%；由圖10可知所研究的非光滑PID控制器對(duì)隨機(jī)擾動(dòng)抑制率可達(dá)95%以上，而普通PID控制器對(duì)隨機(jī)擾動(dòng)抑制率低于90%。總之非光滑PID控制器具有較好的擾動(dòng)抑制率。

圖7 階躍響應(yīng)

圖8 隨機(jī)擾動(dòng)

圖9 常值擾動(dòng)下的階躍響應(yīng)

圖10 隨機(jī)擾動(dòng)下不同控制器的階躍響應(yīng)

通過(guò)上述研究可知，所設(shè)計(jì)的末端執(zhí)行器非光滑PID控制器具有響應(yīng)時(shí)間快、擾動(dòng)抑制率高等特點(diǎn)，可以很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)瓶裝藥分揀末端執(zhí)行器的快速穩(wěn)定控制。

3 結(jié)論

本文針為瓶裝藥自動(dòng)分揀生產(chǎn)線研究了一種末端抓取執(zhí)行器。在分析影響瓶裝藥分揀因素的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種仿生手指型夾持式的瓶裝藥瓶抓取末端執(zhí)行器；分析了末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)和特征，研究證實(shí)這種執(zhí)行器可實(shí)現(xiàn)直徑74mm～145mm、重量在40N以內(nèi)瓶裝藥的柔性抓取，從機(jī)械特性保證了藥瓶抓取過(guò)程的末端執(zhí)行器的穩(wěn)定性；研究了末端執(zhí)行器的非光滑控制；在選擇控制電機(jī)的基礎(chǔ)上，研究了電機(jī)的數(shù)學(xué)模型；基于非光滑控制理論設(shè)計(jì)了模型執(zhí)行器非光滑PID控制器，并通過(guò)MATLAB仿真，比較了非光滑PID控制器和線性PID控制器的性能以及對(duì)藥瓶抓取過(guò)程中不同擾動(dòng)的抑制情況，驗(yàn)證了非光滑PID控制器可實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器的快速、穩(wěn)定控制，并可以很好地抑制藥瓶抓取過(guò)程中各種擾動(dòng)。