飲料生產(chǎn)線碼垛機器人的設(shè)計原理*

□郭小寶 □趙 振 □黃 偉 □賈志聞

杭州娃哈哈集團有限公司機電研究院 智能裝備研究所 杭州 310020

1 研究背景

雙平行四邊形碼垛機器人在飲料工業(yè)生產(chǎn)搬運領(lǐng)域占有重要市場，隨著我國制造自動化水平的提升及國內(nèi)企業(yè)機器替換人工產(chǎn)生熱潮，正得到越來越多的應(yīng)用和示范推廣[1-2]。

圖1所示為杭州娃哈哈集團有限公司針對飲料生產(chǎn)線的自動化需求，成功開發(fā)的系列工業(yè)機器人產(chǎn)品，其中的碼垛機器人可以根據(jù)不同飲料進行不同碼放，對產(chǎn)品進行識別判斷，自動調(diào)取碼垛方式。這極大地提高了飲料的生產(chǎn)效率，擴大了產(chǎn)能，節(jié)約了企業(yè)成本，創(chuàng)造出可觀的效益。

圖1 飲料生產(chǎn)線系列工業(yè)機器人

筆者從機構(gòu)原理、運動學(xué)算法、工作空間及標(biāo)定測試等設(shè)計方法和原理對飲料生產(chǎn)線碼垛機器人進行了深入探索和研究，通過工程實踐和驗證，實現(xiàn)了設(shè)計理論與工程實踐的結(jié)合[5-8]。

2 機構(gòu)原理

雙平行四邊形碼垛機器人三維模型如圖2所示，基礎(chǔ)部件包括底座、腰部、大臂、小臂、手腕、末端法蘭，具有空間范圍內(nèi)的三平動和繞腰部軸線（Z軸）轉(zhuǎn)動共四個自由度。由三角架及其連桿從動部件，與大臂和小臂構(gòu)成三組平行四邊形，實現(xiàn)在搬運過程中的末端手腕水平。

圖2 雙平行四邊形碼垛機器人三維模型

機器人機構(gòu)簡圖如圖3所示，其中O0-x0y0z0、O1-x1y1z1、O2-x2y2z2、O3-x3y3z3、O4-x4y4z4、O5-x5y5z5依次為底座、腰部、大臂、小臂、手腕、末端法蘭的連體坐標(biāo)系，θi（i=1～5）為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)變量，di（i=1～5）、ai-1（i=1～5）為桿長參數(shù)。

圖3 機器人機構(gòu)簡圖

對于機器人末端法蘭連體坐標(biāo)系O5-x5y5z5在底座連體坐標(biāo)系 O0-x0y0z0下的位置坐標(biāo)（x，y，z）和歐拉角姿態(tài)坐標(biāo)（φ，ψ，θ），考慮到機構(gòu)運動特點，機器人具備三平動和繞Z軸轉(zhuǎn)動共四個自由度，因此有φ=0，ψ=0。機器人的桿長參數(shù)見表1。

表1 機器人桿長參數(shù)

基于平行四邊形特點，轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)變量滿足：

機器人的四個獨立轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)變量為腰部關(guān)節(jié)θ1、大臂關(guān)節(jié) θ2、腕部關(guān)節(jié) θ4和末端法蘭 θ5。在機器人回零狀態(tài)下，大臂豎直，小臂水平，θ1=0°，θ2=-90°，θ3=90°，θ4=0°，θ5=0°。

3 運動學(xué)算法

機器人運動學(xué)用于解決機器人驅(qū)動電機關(guān)節(jié)變量與末端剛體獨立位姿坐標(biāo)之間的映射關(guān)系。

已知操作空間變量為u=（xyz θ）T，求解關(guān)節(jié)空間變量為 q=（θ1θ2θ4θ5）T。

先求解關(guān)節(jié)變量θ1。為了簡化三角函數(shù)符號，用ci表示 cos θi，si表示 sin θi。連體坐標(biāo)系 Oj-xjyjzj相對于Oi-xiyizi的變換矩陣為ijT，從而末端法蘭相對于底座剛體的變換為T，可表示為：

式（2）中的矩陣各分量可以通過結(jié)構(gòu)參數(shù)表示如下：

c23表示 cos（θ2+θ3），s23表示 sin（θ2+θ3）。

此外，式（2）還可以表達為：

對比式（2）和式（3），矩陣的第2行第4列元素為常數(shù)，即可獲得求解θ1的一元方程：

通過三角函數(shù)萬能公式，可求出θ1：

對比式（2）和式（3），矩陣的第1行第1列和2行第1列兩個元素可以導(dǎo)出方程：

從而可以求出θ5：

對比式（2）和式（3），矩陣的第1行第4列和第3行第4列兩個元素可以導(dǎo)出方程：

聯(lián)立式（9）和式（10）消除變量 θ2+θ3，可以獲得求解θ2的一元方程通式：

從而可以求解出θ2：

在式（11）、式（12）中：A=2a2N，B=2a2M，C=M2+N2+a22-a32，M=pxc1+pys1-a1-a4，N=pz-d1-d5。

再次聯(lián)立式（11）和式（12），即可求出 θ2+θ3：

從而可以求出θ3。

4 工作空間設(shè)計

機器人四個關(guān)節(jié)極限約束如下：

通過幾何分析，工作空間是由8段圓弧構(gòu)成的立體空間，在豎直斷面內(nèi)是由6段圓弧構(gòu)成的包絡(luò)空間，如圖4所示。

圖4 6段圓弧構(gòu)成的包絡(luò)空間

根據(jù)機器人機構(gòu)簡圖分析結(jié)果，結(jié)合幾何參數(shù)和關(guān)節(jié)約束條件，圖4中實線部分為工作空間斷面，點劃線為中間過渡線。圖5所示為娃哈哈三種負載規(guī)格碼垛機器人的幾何參數(shù)和豎直斷面工作空間。通過以上步驟，可以建立平行四邊形碼垛機器人工作空間的通用繪制方法。

5 標(biāo)定測試

為保證位置和軌跡測試的有效性，需要完成對機器人幾何參數(shù)的標(biāo)定。機器人幾何參數(shù)存放于控制器運動學(xué)模型中，幾何參數(shù)的精度將直接影響機器人末端執(zhí)行器的位置準(zhǔn)確度和軌跡精度[9-12]。圖6所示為機器人裝配車間使用高精密激光追蹤儀對碼垛機器人進行幾何參數(shù)的精確標(biāo)定測試。

幾何參數(shù)標(biāo)定步驟如下：標(biāo)定底座基準(zhǔn)平面→標(biāo)定腰部回轉(zhuǎn)圓→腰部回轉(zhuǎn)軸線，即機器人基準(zhǔn)坐標(biāo)系的Z軸→標(biāo)定X軸參考方位點→標(biāo)定機器人基準(zhǔn)坐標(biāo)系的X軸→確定機器人基準(zhǔn)坐標(biāo)系→標(biāo)定大臂擺動圓→標(biāo)定大臂擺動圓心→標(biāo)定小臂擺動圓→標(biāo)定小臂擺動圓心→標(biāo)定頭部被動鉸鏈擺動圓→標(biāo)定頭部被動鉸鏈圓心→標(biāo)定末端執(zhí)行器軸線→在執(zhí)行軟件界面測量桿長參數(shù)和相應(yīng)的方位角。

圖5 碼垛機器人幾何參數(shù)和豎直斷面工作空間

通過對機器人幾何參數(shù)進行標(biāo)定，然后對重復(fù)定位精度、軌跡精度等進行標(biāo)定測試，使機器人能夠在定位和軌跡控制方面滿足生產(chǎn)線的精度要求。

圖6 機器人幾何參數(shù)標(biāo)定測試

6 工程實踐

圖7、圖8所示為碼垛機器人在飲料生產(chǎn)線上搬運材料和產(chǎn)品碼垛的應(yīng)用現(xiàn)場，機器人能夠精確滿足搬運負載、速度、定位等的性能要求，極大提高飲料生產(chǎn)效率，較好地實現(xiàn)了機器替換人工。

圖7 碼垛機器人用于飲料生產(chǎn)線材料搬運

圖8 碼垛機器人用于飲料生產(chǎn)線產(chǎn)品碼垛

7 結(jié)論

對應(yīng)用于飲料生產(chǎn)線的雙平行四邊形結(jié)構(gòu)碼垛機器人進行研究，具有重要意義。

筆者研究了雙平行四邊形碼垛機器人的設(shè)計原理，確認(rèn)這一機器人是具有三平動一轉(zhuǎn)動的機構(gòu)，并建立了其機構(gòu)模型。詳細分析了機器人的機構(gòu)運動學(xué)，獲得了簡單直觀的運動學(xué)計算公式。基于幾何包絡(luò)方法，獲得了快速繪制機器人工作空間的方法，以及不同參數(shù)下機器人的工作空間。采用高精密激光追蹤儀設(shè)計出機器人幾何參數(shù)的標(biāo)定測試方法，使機器人獲得精確的定位和軌跡。在飲料生產(chǎn)線現(xiàn)場應(yīng)用筆者所設(shè)計的碼垛機器人，將會有良好的產(chǎn)業(yè)前景。

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