平面并聯(lián)分揀機(jī)器人的原理和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

黃澤浩

（華中科技大學(xué)，湖北 武漢 430074）

分揀機(jī)器人在各種加工工廠的生產(chǎn)線中，擔(dān)當(dāng)著非常重要的任務(wù)，隨著市場(chǎng)需求的不斷的擴(kuò)大，再加上相關(guān)行業(yè)，比如快遞行業(yè)的快速發(fā)展，分揀機(jī)器人正在朝著多元化、精準(zhǔn)化、大眾化的方向發(fā)展。傳統(tǒng)的分揀機(jī)器人多為全鉸鏈平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)，在利用滾珠絲杠和桿組成的分揀機(jī)器人方面研究較少。因此，本文嘗試將由兩個(gè)移動(dòng)副和三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副組成的平面五桿并聯(lián)機(jī)構(gòu)應(yīng)用到分揀系統(tǒng)中，并具備初步的定點(diǎn)抓取和堆放能力。

1 平面并聯(lián)分揀機(jī)的原理

對(duì)于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的家族中，平面五桿并聯(lián)機(jī)構(gòu)是自由度最少的機(jī)構(gòu)，其中本文選擇平面3R+2P機(jī)構(gòu)，其可在平面內(nèi)定位一點(diǎn)。平面3R+2P機(jī)構(gòu)有以下優(yōu)點(diǎn)。

（1）采用兩個(gè)螺旋副加三個(gè)鉸鏈結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)動(dòng)副和滾珠絲杠的制造技術(shù)相對(duì)比較成熟，并且易達(dá)到較高的精度。

（2）采用螺旋副作為驅(qū)動(dòng)副,結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，步進(jìn)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)持續(xù)運(yùn)動(dòng)，減少斷斷續(xù)續(xù)的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的震動(dòng)。

（3）剛性比較好，累積誤差比較小。

圖1 平面五桿機(jī)構(gòu)應(yīng)用的形式

本文設(shè)計(jì)研究的平面五桿機(jī)構(gòu)中有4個(gè)活動(dòng)部件，5個(gè)低副，其中有兩個(gè)螺旋副三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，機(jī)構(gòu)自由度可以由下式（1）計(jì)算。

式中，n為機(jī)構(gòu)中活動(dòng)桿件的數(shù)目；Pl為機(jī)構(gòu)中的低副數(shù)目；Ph為機(jī)構(gòu)中的高副數(shù)目。

2 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

為了獲得結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)性好和符合本分揀機(jī)器人抓取和放置物體，以平面3R+2P機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)，原理圖如下圖1a)所示，提出了如圖1b)所示的平面并聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)。

圖1b)所示的形式末端執(zhí)行器在平面五桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)平面內(nèi)，末端執(zhí)行器可以繞著Z軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，只要給末端執(zhí)行器一個(gè)實(shí)時(shí)的角度，使它始終與目標(biāo)平面即架子的安裝平面垂直，那么,就能保證本機(jī)構(gòu)的最高點(diǎn)始終是機(jī)械手的頂點(diǎn)，這就避免了機(jī)械手由于相對(duì)于目標(biāo)放置平面有傾斜角度而導(dǎo)致的碰撞，同時(shí),也使得末端執(zhí)行器的坐標(biāo)比較方便求，降低了機(jī)構(gòu)計(jì)算的復(fù)雜性，同時(shí)提高了可操作性。

3 平面并聯(lián)分揀機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 整體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

平面分揀機(jī)械手具有平面二自由度，可以實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器在豎直平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，如果角度太大，要想達(dá)到預(yù)定的運(yùn)動(dòng)效果，就要增加桿子的長(zhǎng)度，這樣就會(huì)增加機(jī)構(gòu)的重量，降低靈巧度，并且會(huì)占用較大的空間，而角度太小，又會(huì)使得運(yùn)動(dòng)空間變小。因此，定為60度。

圖2a)為機(jī)器手的傳動(dòng)臂部分，通過傳動(dòng)臂1，傳動(dòng)臂2，進(jìn)行動(dòng)力傳遞，維持末斷兩桿交點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，通過支持臂使得機(jī)械手上的突起的板子與滑臺(tái)平行，使得機(jī)械手始終維持與水平面垂直。這樣兩傳動(dòng)桿的交點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的軌跡就是機(jī)械手末端運(yùn)動(dòng)的軌跡，只不過，向下平移了一個(gè)機(jī)械手的長(zhǎng)度。這樣只要求出兩傳動(dòng)桿的運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律，機(jī)械手末端的運(yùn)動(dòng)規(guī)律也就自然知道了。

抓取部分是通過電機(jī)施加夾取所需要的力，電機(jī)安裝在架子上，通過繩子進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。抓取動(dòng)作執(zhí)行部分及機(jī)械手采用兩個(gè)爪子夾取的結(jié)構(gòu)，如圖2b)所示，一般情況下，爪子通過彈簧力的作用是閉合的，當(dāng)繞線孔中的引線施加力的時(shí)候，由于中間的軸是固定的，故可以將爪子拉開。到達(dá)塔頂?shù)奈恢煤?，繩子的力取消，進(jìn)而可以抓取物體。

圖2 機(jī)器手的傳動(dòng)臂和抓取機(jī)構(gòu)部分示意圖

3.2 絲杠的選型計(jì)算

首先，進(jìn)行力分析，運(yùn)動(dòng)空間內(nèi)的受力情況較復(fù)雜，現(xiàn)以空間內(nèi)的中線為例求取絲杠所受最大力，綜合考慮取最大值，可以得到當(dāng)x為75時(shí)，有最大值37.8N。

取滾珠絲杠的使用壽命為T=15000h，n=210r/min；可以求得最大動(dòng)載荷：

式中，L0=60nT/106，fw=1.15，fh=1。

根據(jù)最大動(dòng)載荷查表，選擇恒銳精密機(jī)械制造有限公司的FL1208型滾珠杠，公稱直徑為12mm,基本導(dǎo)程為8mm。

3.3 電機(jī)選型和校核

控制電機(jī)中，人們用的最多的還是步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)。其中，步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱為“步距角”。考本設(shè)計(jì)為小型數(shù)控設(shè)備，功率要求較小且空間有限，因此，選用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)平面五桿機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)元件。

已知滾珠絲杠的公稱直徑d0=12mm，總長(zhǎng)l=300mm，導(dǎo)程Pn=8mm，材料密度ρ=7.85×10-3kg/cm3提拉重100N的物體。各零部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量如下，滾珠絲杠:

初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)為FY42FC220A,從表中查得，該電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為Jm為0.102kg·cm2。承重折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jw為0.081kg·cm2。

加在電動(dòng)機(jī)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩

式中：

式中，Vmax為1800mm/min步距角α為1.8°；脈沖當(dāng)量δ=0.01mm/脈沖；步進(jìn)電機(jī)由靜止加速到nm速度所需時(shí)間tα=0.4s，傳動(dòng)鏈總效率η=0.8。取安全系數(shù)K=4。

對(duì)于前面選的FY42EC220A，其最大靜轉(zhuǎn)矩滿足要求。

4 結(jié)語

本設(shè)計(jì)嘗試將由兩個(gè)移動(dòng)副和三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副組成的平面五桿并聯(lián)機(jī)構(gòu)應(yīng)用到分揀系統(tǒng)中，并具備初步的定點(diǎn)抓取和堆放能力。采用了兩滾珠絲杠和兩桿所構(gòu)成的平面五桿并聯(lián)機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了平面并聯(lián)分揀機(jī)器人，這樣能夠改善串聯(lián)分揀機(jī)械手的靈巧度低、關(guān)節(jié)累計(jì)誤差大等缺點(diǎn)。