基于3P3R機(jī)器人的工具切換裝置研究

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(佳木斯大學(xué)a.機(jī)械工程學(xué)院,b.材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007)

0 引 言

自1989年起，美國(guó)ATI公司就開(kāi)始對(duì)機(jī)器人工具切換裝置的研究。ATI公司生產(chǎn)的機(jī)器人工具切換裝置的動(dòng)力源主要為氣動(dòng)，也有部分使用液壓及電力作為動(dòng)力。其生產(chǎn)的大部分切換裝置對(duì)接頭為圓形，主要通過(guò)鋼珠與凹槽的配合來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人工具的安裝定位[1～2]。

德國(guó)Schunk公司是一家專門(mén)生產(chǎn)氣動(dòng)夾具的公司，其產(chǎn)品主要有機(jī)器人工件夾緊裝置及自動(dòng)抓取系統(tǒng)[2]。Schunk公司生產(chǎn)的工具快換裝置的自動(dòng)鎖緊機(jī)構(gòu)并不使用彈簧鎖緊，使用壓縮空氣作為動(dòng)力[3]。

湖北大工機(jī)電有限公司設(shè)計(jì)出一種機(jī)器人與工具間自動(dòng)切換的裝置，主要利用活塞將氣壓動(dòng)力轉(zhuǎn)換為直線移動(dòng)，活塞末端的斜面與對(duì)接球接觸，推動(dòng)對(duì)接球進(jìn)入對(duì)接槽，完成工具對(duì)接[4]。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)提出了一種遙控焊接機(jī)器人作業(yè)工具快速更換技術(shù)，主要采用氣壓傳動(dòng)和機(jī)械鎖緊的方法，整個(gè)裝置結(jié)構(gòu)緊湊，滿足應(yīng)用在遙控焊接機(jī)器人的工作環(huán)境中[5]。

針對(duì)目前的3P3R工業(yè)機(jī)器人負(fù)載較輕，但對(duì)于加工精度要求較低的要求，需要設(shè)計(jì)一種重量較輕，滿足當(dāng)前3P3R機(jī)器人工作需要的機(jī)器人工具切換裝置。

1 工具切換裝置的技術(shù)難點(diǎn)

設(shè)計(jì)機(jī)器人工具切換裝置主要需要考慮機(jī)器人的定位精度是否符合工具切換裝置的要求，保證機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程中工具的穩(wěn)定性，使機(jī)器人在進(jìn)行工具切換時(shí)能夠快速、準(zhǔn)確、安全。在3P3R機(jī)器人工具切換裝置的設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要的技術(shù)難點(diǎn)有以下幾個(gè)：

確定機(jī)器人的重復(fù)定位精度。設(shè)計(jì)機(jī)器人工具切換裝置首先需要確定機(jī)器人的重復(fù)定位精度，進(jìn)一步確定工具切換裝置的對(duì)接精度。

機(jī)器人定位誤差的修正。由于機(jī)器人本身具有一定的定位誤差，因此需要在進(jìn)行工具切換之前進(jìn)行機(jī)器人定位誤差的修正，矯正由于機(jī)器人在移動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的位置、姿態(tài)誤差，增加機(jī)器人工具切換的成功率，提高工作效率，保障機(jī)器人運(yùn)行安全。

驅(qū)動(dòng)力選擇。機(jī)器人工具切換裝置在對(duì)接和松開(kāi)時(shí)需要外部驅(qū)動(dòng)力，常用的驅(qū)動(dòng)有電力驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)及氣動(dòng)。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)需要考慮到機(jī)器人的工作條件以及負(fù)載的大小，選擇合適的驅(qū)動(dòng)力。

鎖緊機(jī)構(gòu)的選擇。在機(jī)器人工具切換裝置的設(shè)計(jì)過(guò)程中，最主要的部分是機(jī)器人工具切換裝置鎖緊機(jī)構(gòu)的選擇。工具切換裝置需要在已知的工作條件下選擇符合機(jī)器工作條件及可靠性要求的鎖緊機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)工具切換的快速、高效、穩(wěn)定和安全的要求。

針對(duì)當(dāng)前工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)合適的機(jī)器人工具切換裝置，需要考慮到當(dāng)前機(jī)器人負(fù)載問(wèn)題。由于3P3R機(jī)器人主要用于教學(xué)用途，機(jī)器人負(fù)載較低，且重復(fù)定位精度有限，因此需要綜合考慮成本、機(jī)器人負(fù)載、實(shí)現(xiàn)效果等問(wèn)題。

2 工具切換裝置方案設(shè)計(jì)

針對(duì)當(dāng)前設(shè)計(jì)要求的3P3R機(jī)器人負(fù)載能力較低的情況，需要將工具切換裝置的結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)化，以減輕工具切換裝置的質(zhì)量，提高機(jī)器人負(fù)載能力。為了符合當(dāng)前3P3R機(jī)器人的使用要求，機(jī)器人工具切換裝置采用全移動(dòng)副平面機(jī)構(gòu)。由于當(dāng)前3P3R機(jī)器人負(fù)載能力較低，且末端負(fù)載較輕，因此動(dòng)力源采用氣壓驅(qū)動(dòng)。目前常用的機(jī)器人工具鎖緊機(jī)構(gòu)在目前主要分為鋼球式鎖緊、凸輪式鎖緊、卡盤(pán)式鎖緊、活塞插銷式鎖緊和膨脹式鎖緊等，在3P3R機(jī)器人工具切換裝置中采用膨脹式鎖緊。

3 工具切換裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

工具切換裝置機(jī)械設(shè)計(jì)主要通過(guò)Creo2.0軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。工具切換裝置主要?jiǎng)恿闅鈮候?qū)動(dòng)。如圖1所示，其主要部件包括固定片、頂蓋、固定套筒、殼體、推塊、推桿、活塞、殼體、法蘭蓋。能夠承受預(yù)定負(fù)載，機(jī)器人符合重復(fù)定位精度要求，動(dòng)力源穩(wěn)定。

圖1 工具切換裝置1

1.固定套筒 2.固定片 3.密封蓋

4.推桿 5.推塊 6.殼體 7.活塞 8.法蘭蓋

圖2 工具切換裝置2

如圖2所示，當(dāng)推塊(5)伸入固定套筒(1)內(nèi)時(shí)，活塞(7)推動(dòng)推桿(4)從而推出推塊(5)，使推塊(5)卡緊在固定套筒中的凹槽內(nèi)，從而拾起工具。當(dāng)活塞(7)拉動(dòng)推桿(4)時(shí)，推桿(4)帶動(dòng)推塊(4)向中心聚攏，使推塊松開(kāi)固定套筒(1)，從而放下工具。

4 工具切換裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)器人工具切換裝置控制系統(tǒng)主要由硬件部分和軟件部分組成。系統(tǒng)框圖如圖3所示。

4.1 硬件部分設(shè)計(jì)

硬件部分主要由90C516RD+單片機(jī)、繼電器模塊、光電隔離模塊、串口通信模塊和電源模塊組成。光電隔離模塊采用PC817芯片，將控制系統(tǒng)的弱電與執(zhí)行系統(tǒng)的強(qiáng)電隔離，保護(hù)控制系統(tǒng)。光電隔離模塊如圖4所示。

串口通信模塊采用CH340芯片，上位機(jī)通過(guò)串口通信模塊與單片機(jī)進(jìn)行通信。串口通信模塊電路如圖5所示。

圖3 系統(tǒng)框圖

繼電器模塊采用兩路5V繼電器模塊，由單片機(jī)發(fā)出的低電壓低電流電路控制電磁換向閥所在的高電壓高電流電路。繼電器電路如圖6所示。

使用90C516RD+單片機(jī)作為控制芯片，通過(guò)串口通信模塊接收上位機(jī)發(fā)送的指令，經(jīng)過(guò)光電隔離模塊控制繼電器，進(jìn)而控制電磁閥的動(dòng)作位置，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人末端工具的安裝及釋放。

誤差修正控制程序與單片機(jī)創(chuàng)建專用的通信協(xié)議，將指令發(fā)送給單片機(jī)。單片機(jī)負(fù)責(zé)接收誤差修正控制程序發(fā)送的指令，再根據(jù)接收到的指令控制繼電器模塊，進(jìn)而控制電磁換向閥動(dòng)作。

圖4 光電隔離模塊電路

圖5 串口通信模塊電路

圖6 繼電器電路

4.2 軟件部分設(shè)計(jì)

軟件部分主要為機(jī)器人誤差修正程序。誤差修正控制程序采用OpenCV開(kāi)源計(jì)算機(jī)視覺(jué)庫(kù)，其修正過(guò)程是控制機(jī)器人在一個(gè)固定的位置對(duì)基準(zhǔn)棋盤(pán)格進(jìn)行捕捉，得到當(dāng)前機(jī)器人相對(duì)于棋盤(pán)格的位置與姿態(tài)。將得到的機(jī)器人當(dāng)前位置姿態(tài)與標(biāo)定得到的機(jī)器人位置姿態(tài)進(jìn)行對(duì)比，得到機(jī)器人的位置姿態(tài)修正量，將修正量發(fā)送給機(jī)器人控制系統(tǒng)。在進(jìn)行姿態(tài)修正后再次捕捉棋盤(pán)格，直到機(jī)器人距離標(biāo)定位置在誤差允許范圍內(nèi)。誤差修正程序界面如圖7所示。

機(jī)器人在進(jìn)行工具切換前要達(dá)到指定位置，攝像頭開(kāi)啟。在確認(rèn)進(jìn)行視覺(jué)修正后，誤差修正系統(tǒng)啟動(dòng)圖像捕捉功能、坐標(biāo)計(jì)算功能，得到機(jī)器人相對(duì)于棋盤(pán)格的位置，執(zhí)行誤差修正程序。程序調(diào)試完成后，可將誤差修正程序集成到3P3R機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中。

圖7 誤差修正控制程序界面

5 結(jié) 論

為了能夠顯著提高機(jī)器人工作能力及工具切換效率，提出了一種機(jī)器人工具切換裝置的方案，主要應(yīng)用于當(dāng)前3P3R機(jī)器人的工具切換過(guò)程。該方案設(shè)計(jì)合理，符合設(shè)計(jì)要求，充分考慮了該工具切換裝置的使用環(huán)境，3P3R機(jī)器人工具切換裝置使用的8051單片機(jī)控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定，功能符合設(shè)計(jì)要求，也是工業(yè)中經(jīng)常使用的控制芯片。3P3R機(jī)器人誤差修正使用的OpenCV可以看出，該誤差修正方法隸屬于視覺(jué)識(shí)別范疇，對(duì)于視覺(jué)識(shí)別有一定的意義。

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