雙臂轉(zhuǎn)運整理機器人的設(shè)計與研究

劉志春+張悅文+楊宸+趙建新

摘 要：為滿足當(dāng)下工廠智能生產(chǎn)的需求，針對傳統(tǒng)貨物轉(zhuǎn)運整理行業(yè)的不足，本設(shè)計采用仿生技術(shù)，仿照人類雙臂設(shè)計出了轉(zhuǎn)運整理機器人，主要包括抓取機構(gòu)、供電系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、移動機構(gòu)五大部分組成。采用重力感應(yīng)、智能圖像傳感器等先進技術(shù)，使該機器人能夠有效的提高工作效率；雙臂轉(zhuǎn)運整理機器人的靈活性好，轉(zhuǎn)運整理準(zhǔn)確度高，可以避免由于人員的勞累、松懈等人為因素造成財產(chǎn)的損失。

關(guān)鍵詞：貨物轉(zhuǎn)運整理；工業(yè)機器人；工作效率

引言

人工智能是二十一世紀(jì)具有前沿性和可實行性的一項頂尖科學(xué)技術(shù)，而機器人更是人工智能方向中一個具有極大發(fā)展?jié)摿Φ氖袌?，并對人類生活產(chǎn)生巨大改變的分支。轉(zhuǎn)運整理機器人作為工業(yè)機器人中的一類，在工業(yè)生產(chǎn)過程中執(zhí)行大批量工件、包裝件的獲取、搬運、整理等任務(wù)，是集機械、電子、信息、計算機科學(xué)等學(xué)科于一體的高新機電產(chǎn)品。

1 背景及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

日本和瑞典最早將工業(yè)機器人技術(shù)用于物體的轉(zhuǎn)運和整理，隨著計算機技術(shù)、工業(yè)機器人技術(shù)以及人工智能控制等技術(shù)的發(fā)展和日趨成熟，日本、德國、瑞典、意大利等國家在包裝碼垛機器人的研究上做了大量工作，并相應(yīng)推出了自己的碼垛機器人，如日本的FANUC和OKURA以及FUJI系列，德國的KUKA系列，瑞典的ABB系列。我國工業(yè)機器人的研究和應(yīng)用開始于20世紀(jì)70年代，隨著改革開放的不斷深入，我國工業(yè)機器人技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用才逐漸達到一定水平，轉(zhuǎn)運整理機器人技術(shù)也隨之得到了快速的發(fā)展。

2 雙臂轉(zhuǎn)運整理機器人設(shè)計思路

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，產(chǎn)品、材料的轉(zhuǎn)運整理環(huán)節(jié)必不可少。相關(guān)調(diào)查報告顯示，近年來，我國物流倉儲產(chǎn)業(yè)鏈高速發(fā)展，但貨物轉(zhuǎn)運整理行業(yè)仍存在密集程度高、人力資金投入大、成本高效率低等問題。為彌補傳統(tǒng)貨物整理的不足，雙臂轉(zhuǎn)運整理機器人應(yīng)運而生。為進一步解放勞動力，提高生產(chǎn)效率，在設(shè)計時應(yīng)首先考慮貨物轉(zhuǎn)運整理的準(zhǔn)確度及工作效率，避免由于勞累松懈等人為因素造成的財產(chǎn)損失。同時，該機器人整體部件及其他配件均由鋁合金等材料制成，價格低廉，加工簡單。

3 機器人結(jié)構(gòu)

該機器人主要包括抓取機構(gòu)、供電系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)、移動機構(gòu)五大部分組成。

（1）機器人參數(shù)

機器人尺寸：長×寬×高=500×400×850mm

重量：30kg

電機功率：1.5kW

單臂自由度：4

（2）抓取機構(gòu)

該整理機器人從機構(gòu)學(xué)的角度出發(fā)，以驅(qū)動器代替肌肉群，以運動副代替關(guān)節(jié)，以剛性連桿代替骨骼視，以控制器代替神經(jīng)系統(tǒng)，協(xié)同作用。雙臂轉(zhuǎn)運整理機器人手臂將運動分為屈伸、收展、環(huán)旋和平動等幾種運動，該機械手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件，依次包含肩關(guān)節(jié)、大臂、肘關(guān)節(jié)、前臂和腕關(guān)節(jié)，實現(xiàn)抓取、轉(zhuǎn)運、放置、整理等環(huán)節(jié)。

機械手爪是雙臂轉(zhuǎn)運整理機器人抓取裝置的重要組成部分，機械手爪為夾持式手爪，由手指和傳力機構(gòu)所構(gòu)成，有4根手指，結(jié)構(gòu)適應(yīng)性強，可抓取不同表面形狀貨物的不同位置。

（3）供電系統(tǒng)

該機器人供電系統(tǒng)為機器上所有系統(tǒng)提供能源，充分考慮到機器人的體積、尺寸、重量、使用時間、電機等主要耗能元件數(shù)量等的限制，采用兩種方案供電：a.采用鋰電池作為供電系統(tǒng)。三組鋰電池整體放置在底座部分，此種供電方式不受工作環(huán)境限制，可實現(xiàn)遠距離的傳輸轉(zhuǎn)運，但缺點是不能持續(xù)供電；b.采用輸電線為機器人供電，這種供電方式直接接通電源供電，此種方式成本較低，可持續(xù)對機器人進行供電。但其缺點是受到輸電線路的影響，受工作環(huán)境影響較大，不能進行遠距離的工作。

根據(jù)機器人設(shè)備的使用環(huán)境不同，兩種供電方式相互結(jié)合，能有效提高機器人的工作效率。

（4）傳感器系統(tǒng)

a. 重力傳感器

該機器人的機械手裝有重力傳感器，靠重力感應(yīng)抓取貨物，當(dāng)貨物被抓取移動至擺放位置，貨物觸地重力減小，抓取裝置自動放開，避免了操作不當(dāng)引起的貨物脫落。

重力傳感器利用了其內(nèi)部由于加速度造成的晶體變形這個特性，由于這個變形會產(chǎn)生電壓，計算出產(chǎn)生抓取物體的體積和質(zhì)量，將數(shù)據(jù)反饋給控制系統(tǒng)，再由控制系統(tǒng)給機械手發(fā)送指令，避免了操作不當(dāng)引起的貨物脫落。

b. 圖像傳感器

該機器人基座上部配有視覺系統(tǒng)裝有圖像傳感器，能自主完成貨物識別，從而進行位置確定、準(zhǔn)確抓取、有序擺放等一系列的動作。該機器人基座上部的視覺系統(tǒng)內(nèi)置相機，并設(shè)計有相機接口，相機接口程序設(shè)計主要是設(shè)計相機接口初始化程序，以此來完成對圖像傳感器的圖像數(shù)據(jù)接收工作，才能自主完成貨物識別，從而進行位置確定、準(zhǔn)確抓取、有序擺放等一系列的動作。[1]

（5）控制系統(tǒng)

分析該機器人基本運動形式為：點-點PTP（Point to Point）運動，即轉(zhuǎn)運整理機器人只在搬運點跟放置點上進行操作。因此要求在這些點上，操作器應(yīng)有準(zhǔn)確的位置和姿態(tài)，以保證點與點間機器人搬運和整理的質(zhì)量。運用PLC為主要控制元件，該機器人接到指令后完成以下工作：

a.分析解釋指令，確定運動參數(shù)；b.進行插值計算；c.進行坐標(biāo)變換，得到相應(yīng)的各關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)運動參數(shù)；d.將關(guān)節(jié)運動參數(shù)輸出到伺服控制級，作為各伺服系統(tǒng)的給定信號。伺服系統(tǒng)實現(xiàn)各關(guān)節(jié)的跟蹤運動，從而控制機械系統(tǒng)完成運動。[2]

（6）移動機構(gòu)

該機器人基座輪子采用麥克納姆輪，使機器人可以任意方向移動，保證了在不同大小的空間中工作移動。麥克納姆輪（mecanum wheel）中央安裝輥由一分為二的輥和輥總是與工作表面相接觸，從而允許在不平的表面的更好的性能，在具有分割成兩個向量，一個向前/向后和一個向左/向右。當(dāng)在相反的方向旋轉(zhuǎn)的一側(cè)的車輪上時，向前和向后，而向側(cè)向量加起來，否則與其他兩個車輪的結(jié)果在四個反向附加的側(cè)身載體。

4 雙臂轉(zhuǎn)運整理機器人特點及創(chuàng)新點

（1）機器人配有多個傳感器，能自主完成不同產(chǎn)品的識別、抓取、碼放，保證準(zhǔn)確度。

（2）采用麥克納姆輪作為底盤，實現(xiàn)平面內(nèi)任意方向的平動及轉(zhuǎn)動。

（3）機械手設(shè)計成4指結(jié)構(gòu)，保證了抓取不同物品時的牢固性。

（4）采用PLC可編程控制，依靠重力傳感器，避免了因操作不當(dāng)引起的貨物脫落。

（5）采用鋰電池和輸電線路兩種方式供電，保證機器人動力充足。

5 總結(jié)和展望

針對傳統(tǒng)貨物轉(zhuǎn)運整理行業(yè)的不足，設(shè)計了一種雙臂轉(zhuǎn)運整理機器人，直觀的展示了該機器人的抓取機構(gòu)、供電系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)、移動機構(gòu)五大部分。具有提高生產(chǎn)效率、整理的準(zhǔn)確度等優(yōu)點，可以很好的滿足工廠對智能整理機器人的需求。文中目前的研究，為高效率、低成本解決工廠智能化整理碼垛貨物的問題提供了新的思路和方法，有很好的借鑒作用。

參考文獻

[1]張振，張琪，王新，等.基于主從式結(jié)構(gòu)的智能圖書整理機器人的設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2014，2.

[2]韓崢，劉華平，黃文炳，等.基于Kinect的機械臂目標(biāo)抓取[J].智能系統(tǒng)學(xué)報，2013，4.

作者簡介：劉志春（1996，3-），男，漢族，山東滕州人，本科在讀，研究方向：機械電子工程。