吸盤機(jī)械手機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

徐佳偉，王收軍，葛為民，王肖鋒，丁躍達(dá)

（1.天津市先進(jìn)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384；2.天津理工大學(xué) 機(jī)電工程國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，天津 300384；3.中國汽車工業(yè)工程有限公司，天津 300110）

0 引言

隨著勞動(dòng)力成本的不斷上升，工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備在很多領(lǐng)域正越來越多地被廣泛使用，其中工業(yè)機(jī)械手憑借其穩(wěn)定性好、適應(yīng)面廣、效率高等特點(diǎn)，成為工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)的理想工具。與人相比，機(jī)械手可以在有毒、有害、危險(xiǎn)的環(huán)境下連續(xù)工作，比如焊接、噴漆等；也可以完成頻繁、單調(diào)、重復(fù)的勞動(dòng)、比如上下料、搬運(yùn)等[1]。在產(chǎn)品包裝、物體的傳輸和機(jī)械裝配等自動(dòng)化作業(yè)線上，使用真空吸盤來抓取物體的案例越來越多[2]。國內(nèi)外多數(shù)生廠商已經(jīng)使用了這種吸盤式機(jī)械手，比如上海漢爾得工廠，特斯拉無人工廠等。

柔而有彈性的吸盤可以很方便地實(shí)現(xiàn)諸如工件的吸持、脫開、傳遞等搬運(yùn)功能，并確保不損壞其作用對(duì)象?，F(xiàn)有的吸盤機(jī)械手只能對(duì)形狀比較簡單規(guī)則零件進(jìn)行搬運(yùn)放置，因?yàn)椴ＡО迨枪饣钠矫妫赃@種吸盤機(jī)械手主臂只需要1～2自由度安裝多個(gè)吸盤頭就能滿足工作要求，比如最常用的盤式機(jī)械手只使用在對(duì)玻璃板的夾取和搬運(yùn)。但在汽車焊裝生產(chǎn)線中，白車身是有很多薄板件組合而成并且形狀不規(guī)則，對(duì)吸盤機(jī)械手要求更復(fù)雜且需要更多的自由度，多自由度吸盤機(jī)械手將成為焊裝生產(chǎn)線上設(shè)備制造研究的重點(diǎn)。

本文研究的龍門架懸掛式吸盤機(jī)械手主要通過四個(gè)多自由度的吸盤機(jī)械手和兩個(gè)輔助吸盤機(jī)械手對(duì)零件的搬運(yùn)，不僅滿足對(duì)不規(guī)則零件搬運(yùn)要求，而且擁有超大行程、高負(fù)載、高效率，簡單經(jīng)濟(jì)、壽命長等特點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景[3,5]，所以吸盤機(jī)械手的研究尤為重要。龍門架懸掛式吸盤機(jī)械手機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析通過對(duì)龍門架懸掛式機(jī)械手的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)建模及工作空間的分析展開吸盤機(jī)械手的研究：首先，建立吸盤式機(jī)械臂的三維模型，基于旋量理論[6]建立吸盤機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，得出吸盤機(jī)械臂的末端位姿方程，然后利用MATLAB基于蒙特卡洛數(shù)學(xué)分析方法[7]得出單臂吸盤機(jī)械手的最大工作空間和在某一位置四個(gè)吸盤機(jī)械手的協(xié)同工作空間，最后把三維模型導(dǎo)入ADAMS中，得到吸盤機(jī)械手虛擬樣機(jī)，使用STEP函數(shù)對(duì)虛擬樣機(jī)的工作域進(jìn)行求解分析，并對(duì)四臂吸盤機(jī)械手工作空間進(jìn)行分析[8]，為以后吸盤機(jī)械手的尺寸調(diào)整對(duì)薄板件的吸持點(diǎn)及軌跡跟蹤打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 吸盤搬運(yùn)機(jī)械手機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

吸盤機(jī)械手采用懸掛式結(jié)構(gòu)安裝于龍門架上，沿著三個(gè)相互獨(dú)立垂直的坐標(biāo)軸（即X軸、Y軸、Z軸）運(yùn)動(dòng)，最終使吸盤機(jī)械手到達(dá)設(shè)定的位置，該機(jī)械手適用于物品長距離的搬運(yùn)、抓取。電控箱獨(dú)立設(shè)計(jì)，與機(jī)械手分離，操作方便。圖1為吸盤機(jī)械手搬運(yùn)零件工作原理圖，圖2為龍門架懸掛式裝吸盤機(jī)械手示意圖。

圖1 功能原理圖

圖2 龍門架懸臂式吸盤機(jī)械手

圖3 局部放大圖

圖4 四臂吸盤機(jī)械手

在SolidWorks中建立三維模型，圖4四臂吸盤機(jī)械臂模型。每個(gè)吸盤機(jī)械臂有五個(gè)自由度，前兩個(gè)關(guān)節(jié)（轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)序號(hào)1和移動(dòng)關(guān)節(jié)序號(hào)2）屬于聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)，根據(jù)被抓取零件的尺寸快速調(diào)整機(jī)構(gòu)的空間位置，其中轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)1為四個(gè)吸盤機(jī)械臂的共同關(guān)節(jié)，移動(dòng)關(guān)節(jié)2為兩兩吸盤對(duì)稱移動(dòng)自由度，后三個(gè)自由度（序號(hào)3、4、5）屬于獨(dú)立的自由度用于調(diào)整不規(guī)則零件被吸持位置也稱定位點(diǎn)的位置。伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)雙搖桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)序號(hào)5工作，能使末端吸盤達(dá)到前后水平位置，極大的提高了吸盤工作空間。序號(hào)6為真空吸盤機(jī)構(gòu)。圖3為吸盤機(jī)械臂的局部放大圖，其中吸盤機(jī)械臂采用模塊化設(shè)計(jì)[9,10]可以根據(jù)零件的形狀和尺寸設(shè)計(jì)，當(dāng)超過吸盤機(jī)械手自身調(diào)節(jié)范圍時(shí)，切換成其他尺寸的吸盤機(jī)械手。此種結(jié)構(gòu)變換屬于局部改變，主要機(jī)構(gòu)模塊都保持不變，可以節(jié)約制造成本，實(shí)現(xiàn)快速切換功能，滿足現(xiàn)代化設(shè)計(jì)需求。另外輔助吸盤機(jī)構(gòu)的主要作用防止大跨度薄板類的零件在搬運(yùn)過程中不因自身的重量而發(fā)生彎曲變形。

2 吸盤機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

吸盤機(jī)械臂有四個(gè)軸對(duì)稱吸盤小臂組成，只需分析一組機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)。吸盤機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)就是建立在各個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行器（即末端吸盤）的空間位姿之間的關(guān)系，為系統(tǒng)的控制提供分析的手段和方法?；谏鲜鼋Y(jié)構(gòu)建立各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，其機(jī)構(gòu)簡圖如圖5所示。

圖5 吸盤機(jī)械手機(jī)構(gòu)簡圖

表1 吸盤機(jī)械臂的參數(shù)表

由于四臂吸盤機(jī)器手采用相同的結(jié)構(gòu)布局，故只需要分析單臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)即可。由于圖形5機(jī)構(gòu)緊湊，圖中只標(biāo)注左1臂初始位形的的參數(shù)。已知S是基礎(chǔ)坐標(biāo)系，T是末端工具坐標(biāo)系，從基礎(chǔ)坐標(biāo)系開始對(duì)各桿件和關(guān)節(jié)編號(hào)，各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)由位于各關(guān)節(jié)軸線產(chǎn)生。初始位置工具坐標(biāo)系與基礎(chǔ)坐標(biāo)系的變換為：

同理其他三只機(jī)械手初始位形和同一個(gè)慣性坐標(biāo)系，可以得出吸盤末端點(diǎn)的位姿。

3 工作空間

利用Matlab軟件對(duì)吸盤機(jī)械臂工作空間進(jìn)行求解。根據(jù)蒙特卡羅數(shù)值分析法，建立此機(jī)械手的工作空間云圖。在Matlab環(huán)境下，利用rand()函數(shù)，產(chǎn)生各個(gè)變量在在定義的區(qū)間的隨機(jī)值，即將其帶入式(2)x,y,z表達(dá)式中，就可以得出單只機(jī)械臂的工作空間云圖，如圖6(a)、6(b)、6(c)、6(d)為左1機(jī)械手工作空間云圖，其他三只機(jī)械手也具有相同的空間工作云圖，表示龍門架在機(jī)器視覺和位置傳感器的引導(dǎo)下到達(dá)指定的位置，單只吸盤機(jī)械手工作范圍。圖6(e)為不考慮1θ關(guān)節(jié)的作用時(shí)，四個(gè)小臂機(jī)械手同時(shí)工作的空間云圖，該圖相對(duì)于單只吸盤機(jī)械手工作空間云圖可以更加直觀方便地觀察出四只機(jī)械手同時(shí)工作所能夾取零件尺寸范圍，同時(shí)也能判斷待夾取的零件控制點(diǎn)是否在吸盤機(jī)械臂工作范圍內(nèi)，為后續(xù)根據(jù)零件的大小調(diào)節(jié)可重構(gòu)機(jī)械手的尺寸給出依據(jù)。

圖6 空間工作云圖

通過仿真圖6(a)可得單臂吸盤機(jī)械臂在1θ旋轉(zhuǎn)過程中末端吸盤所能達(dá)到的工作間，得出單臂末端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)徑為1.008m，外徑為3.012m的圓環(huán)。圖6(e)四小臂協(xié)同工作吸盤空間云圖，要求滿足被抓取的零件的幾何尺寸至少能落在圖中的四個(gè)不同顏色的區(qū)域內(nèi)，才能被吸盤抓取。通過對(duì)工作空間的分析，為后續(xù)在零件上確定被抓取點(diǎn)的研究對(duì)在搬運(yùn)過程中對(duì)零件產(chǎn)生的變形具有重要的意義。

4 虛擬樣機(jī)的建立

利用ADAMS對(duì)吸盤機(jī)械手進(jìn)行虛擬仿真測試，能夠快速的查找問題，發(fā)現(xiàn)問題，能避免吸盤機(jī)械手在制造過程中出現(xiàn)不必要的問題。吸盤機(jī)械手由四個(gè)小機(jī)械手組成，前后左右機(jī)構(gòu)對(duì)稱，相互配合工作。在導(dǎo)入ADAMS中在不影響結(jié)果的前提下在進(jìn)行適當(dāng)簡化，圖7所示為簡化流程圖。

圖7 流程圖

圖8 導(dǎo)入ADAMS中三維模型

將吸盤機(jī)械手模型導(dǎo)入ADAMS中，如圖8所示，導(dǎo)入后對(duì)各個(gè)零件進(jìn)行重新命名，設(shè)置相應(yīng)的材料屬性，賦予質(zhì)量，對(duì)吸盤機(jī)械手相應(yīng)的關(guān)節(jié)施加運(yùn)動(dòng)副，然后對(duì)每個(gè)關(guān)節(jié)施加相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)函數(shù)，完成相應(yīng)的動(dòng)作，得出吸盤機(jī)械手運(yùn)動(dòng)曲線。

由于吸盤機(jī)械手是軸對(duì)稱模型，以其中一個(gè)吸盤機(jī)械手為分析對(duì)象，其他機(jī)械臂通過ADAMS布爾操作合成一體，再刪減不需要的零件。然后對(duì)其分析，根據(jù)吸盤機(jī)械手的參數(shù)和基本設(shè)計(jì)指數(shù)對(duì)虛擬樣機(jī)中一個(gè)臂進(jìn)行仿真可以得出吸盤機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)及軌跡曲線。

在吸盤機(jī)械手單條機(jī)械手五個(gè)關(guān)節(jié)，根據(jù)運(yùn)動(dòng)方式，輸入STEP驅(qū)動(dòng)函數(shù)，如下：

關(guān)節(jié)1：STEP（time，1，0d，5，360d）+STEP（time，15，0d，20，-360d）

關(guān)節(jié)2：STEP（time，1，0，5，332）+ STEP（time，15，0，20，-332）

關(guān)節(jié)3：STEP（time，1，0d，5，145d）+STEP（time，20，0d，25，-145d）

關(guān)節(jié)4：STEP（time，1，0，5，-120）+STEP（time，15，0，20，120）

關(guān)節(jié)5：STEP（time，1，0d，5，90d）+STEP（time，15，0d，20，-90d）

在單吸盤機(jī)械手的仿真過程中，對(duì)末端吸盤標(biāo)記mark點(diǎn)進(jìn)行軌跡繪制從而得出單吸盤機(jī)械手在空間內(nèi)理論工作區(qū)域如圖9所示。

圖9 單只吸盤機(jī)械手理論工作區(qū)域

圖10 單吸盤機(jī)械手每個(gè)關(guān)節(jié)的角度θ曲線

圖11 吸盤末端標(biāo)記點(diǎn)X、Y、Z位置仿真曲線

在仿真完成后，按F8進(jìn)入ADAMS/POSTPROSS界面對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，如圖11所示為末端吸盤標(biāo)記點(diǎn)的XYZ三個(gè)方向的位置曲線輸出測量值，圖10為單吸盤機(jī)械臂每個(gè)關(guān)節(jié)的角度曲線輸出測量值。由圖11仿真結(jié)果可知在單吸盤機(jī)械手旋轉(zhuǎn)360度過程中，若以初始時(shí)刻吸盤為0位置，則吸盤能向前最大1.741m，向后最大0.879m，與吸盤機(jī)械手在MATLAB仿真中的位形空間尺寸極其吻合。從而驗(yàn)證了建立運(yùn)動(dòng)學(xué)的正確性。由圖10關(guān)節(jié)角度運(yùn)動(dòng)曲線可知，在給定的驅(qū)動(dòng)要求下，單吸盤機(jī)械手具有相對(duì)穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)形式，符合設(shè)計(jì)者的要求。

5 結(jié)論

以自行設(shè)計(jì)的吸盤機(jī)械手為研究對(duì)象，首先以旋量坐標(biāo)確定各個(gè)關(guān)節(jié)參數(shù)，求解運(yùn)動(dòng)學(xué)正解，然后在MATLAB中編程繪制單只吸盤機(jī)械手的工作空間，分析吸盤機(jī)械手可達(dá)到最大和最小的工作范圍。然后在以關(guān)節(jié)1θ停止轉(zhuǎn)動(dòng)，分析四只機(jī)械手協(xié)同工作時(shí)吸盤抓取的工作范圍。通過ADAMS虛擬樣機(jī)的仿真，更加直觀的描述吸盤機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。通過以上的分析，確定吸盤機(jī)械手抓取零件尺寸范圍和運(yùn)動(dòng)參數(shù)，同時(shí)也為后續(xù)的協(xié)調(diào)控制和軌跡跟蹤做好基礎(chǔ)。

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