用于電商物流周轉(zhuǎn)箱的多功能碼垛機(jī)械手設(shè)計(jì)

史曉斐，章 軍，王城坡

（1.江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122；2.江蘇省食品先進(jìn)制造裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫 214122）

1 引言

碼垛機(jī)器人是用在工業(yè)生產(chǎn)過程中執(zhí)行大批量工件、包裝件的獲取、搬運(yùn)、碼垛、拆垛等任務(wù)的一類工業(yè)機(jī)器人，是集機(jī)械、電子、信息、智能技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等學(xué)科于一體的高新機(jī)電產(chǎn)品[1]。廣西大學(xué)發(fā)明的箱體類貨物碼垛機(jī)械手[2]，可以調(diào)整機(jī)械手兩組相對(duì)的手指開距來適應(yīng)不同箱子的尺寸，但該種機(jī)械手無法抓取太重的箱體且需要箱子有一定的操作空間。廣東順德勞佰機(jī)器人科技有限公司發(fā)明的夾板式機(jī)械手手爪[3]，通過調(diào)整機(jī)械手兩板的距離來適應(yīng)箱子的尺寸，機(jī)械手兩板夾緊箱體兩側(cè)然后手指鉤入箱子的底部來保證抓取方形箱體的可靠性，但該機(jī)械手要求被抓取箱體的兩側(cè)面與底面垂直?，F(xiàn)在電商物流公司通常將貨物裝入物流周轉(zhuǎn)箱再進(jìn)行運(yùn)輸，使用機(jī)器人碼垛物流周轉(zhuǎn)箱的場(chǎng)景有：（1）碼垛機(jī)械人將裝滿貨物的物流周轉(zhuǎn)箱垂直地放置到托盤上、并碼垛多層；（2）碼垛機(jī)械人將待存放的物流周轉(zhuǎn)箱放置到貨架上指定位置；（3）碼垛機(jī)械人對(duì)取出貨物后的空箱進(jìn)行分離或疊放。需要設(shè)計(jì)一種可以適用于這些應(yīng)用場(chǎng)景的物流周轉(zhuǎn)箱專用碼垛機(jī)械手。

1.1 碼垛機(jī)械手的抓取對(duì)象

為了節(jié)省空箱運(yùn)輸成本，電商物流公司通常使用斜插式物流周轉(zhuǎn)箱。斜插式周轉(zhuǎn)箱具有優(yōu)越運(yùn)輸特性，但現(xiàn)有物流周轉(zhuǎn)箱的結(jié)構(gòu)無法很好地滿足碼垛機(jī)械手的抓取要求，需要改進(jìn)現(xiàn)有的物流周轉(zhuǎn)箱結(jié)構(gòu)。

改進(jìn)斜插式物流周轉(zhuǎn)箱主要由箱體與兩塊互相嚙合的鋸齒形箱蓋組成，如圖1 所示。箱體與箱蓋間通過鉸鏈連接。并且將左右方形截面條及箱蓋開槽（需改進(jìn)現(xiàn)有的模具），箱蓋上還設(shè)有碼垛限位塊，確保裝滿貨物且上下層碼垛的物流周轉(zhuǎn)箱不會(huì)滑動(dòng)。

圖1 改進(jìn)物流周轉(zhuǎn)箱示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Improved Logistics Turnover Box

1.2 機(jī)械手結(jié)構(gòu)及工作原理

圖2 機(jī)械手手掌部分結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure Diagramof Palm Partof Manipulator

圖3 機(jī)械手手指部分結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure Diagramof Finger Partof Manipulator

可伸展又可開合的碼垛機(jī)械手，由氣缸驅(qū)動(dòng)的增力機(jī)構(gòu)夾持物流周轉(zhuǎn)箱的手掌，以及雙導(dǎo)桿薄氣缸的導(dǎo)桿承載、厚連桿伸展為水平狀態(tài)從而提升物流周轉(zhuǎn)箱的手指組成[4]。碼垛機(jī)械手手掌結(jié)構(gòu)：兩個(gè)導(dǎo)軌支座3、夾緊氣缸5 均安裝在安裝架7 上，抗轉(zhuǎn)矩直線導(dǎo)軌6 安裝在導(dǎo)軌支座3 上，兩個(gè)直線軸承4 安裝在抗轉(zhuǎn)矩直線導(dǎo)軌6 上，夾緊氣缸5 的活塞桿與鉸鏈座1 通過螺栓連接，兩根連桿2通過銷軸連接在鉸鏈座1 上。碼垛機(jī)械手手指結(jié)構(gòu)：Z 型指板1a 通過螺釘固定在直線軸承4 上，Z 型指板1a 內(nèi)側(cè)粘貼有防滑軟橡膠墊，雙導(dǎo)桿薄型3a 氣缸通過螺釘固定在z 型指板1a 的外側(cè)，雙導(dǎo)桿薄型氣缸的兩根導(dǎo)桿通過定做的方式加工，在導(dǎo)桿的后端車出螺紋并安裝了兩個(gè)限位螺母2a。并聯(lián)雙鉸鏈支座4a 通過螺釘與氣缸推板相連，兩個(gè)厚連桿5a 的一端分別和并聯(lián)雙鉸鏈支座相連。機(jī)械手手指通過螺釘固定在直線軸承4 上。碼垛機(jī)械手手掌工作原理：向夾緊氣缸5 的無桿腔通壓縮空氣，活塞桿伸長(zhǎng)推動(dòng)鉸鏈座1 向上移動(dòng)，鉸鏈座1 帶動(dòng)兩根連桿2 轉(zhuǎn)動(dòng)，連桿2 拉動(dòng)直線軸承4在抗轉(zhuǎn)矩直線導(dǎo)軌6 上向內(nèi)運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)機(jī)械手指1a 間的開距變小。向夾緊氣缸5 的有桿腔通壓縮空氣，兩個(gè)機(jī)械手指間的開距變大，如圖2 所示。碼垛機(jī)械手手指工作原理：向雙導(dǎo)桿薄型氣缸3a 的無桿腔通氣，氣缸3a 的活塞桿伸長(zhǎng)到極限位置推動(dòng)氣缸推板向下運(yùn)動(dòng)，氣缸推板推動(dòng)厚連桿5a 轉(zhuǎn)動(dòng)，厚連桿轉(zhuǎn)動(dòng)到水平位置。向雙導(dǎo)桿薄型氣缸3a 的有桿腔通氣，氣缸推板拉動(dòng)厚連桿5a 轉(zhuǎn)動(dòng)到初始位置，如圖3 所示。

2 碼垛機(jī)械手的實(shí)際應(yīng)用及參數(shù)計(jì)算

2.1 碼垛機(jī)器人的使用場(chǎng)景

碼垛機(jī)械手安裝在機(jī)械臂上，機(jī)械臂與碼垛機(jī)械手組成的碼垛機(jī)器人可以采用三種方式抓取改進(jìn)后的物流周轉(zhuǎn)箱，分別是實(shí)箱鏟運(yùn)放置貨架、吊運(yùn)碼垛或分離實(shí)箱、夾持層疊（放置或分離空箱）。針對(duì)不同的抓取條件及對(duì)象選擇對(duì)應(yīng)的抓取方式。

（1）實(shí)箱鏟運(yùn)放置貨架，如圖4 所示。碼垛裝滿貨物且有足夠的操作空間的物流周轉(zhuǎn)箱時(shí)，機(jī)械臂轉(zhuǎn)動(dòng)到水平，然后平移使碼垛機(jī)械手的手指水平地伸在作用方型截面條的下面，向夾緊氣缸通壓縮空氣直到活塞桿伸長(zhǎng)到極限位置（兩個(gè)機(jī)械手手指開距最?。?，機(jī)械手對(duì)物流周轉(zhuǎn)箱沒有夾持，由機(jī)械臂向上提起箱體放置在旁邊的貨架上。

圖4 機(jī)械手實(shí)箱鏟運(yùn)放置貨架示意圖Fig.4 Schematic Diagramof Manipulator’s Boxes with Goods Shovelingand Placing Shelves

圖5 機(jī)械手吊運(yùn)碼垛或分離實(shí)箱示意圖Fig.5 Schematic Diagram of Manipulator Lifting and Palletizing or Separating Boxes with Goods

（2）吊運(yùn)碼垛或分離實(shí)箱，如圖5 所示。上下碼垛裝滿貨物的物流周轉(zhuǎn)箱時(shí)，物流箱相互緊靠且沒有足夠的操作空間時(shí)，機(jī)械臂轉(zhuǎn)動(dòng)到垂直狀態(tài)，然后平移到物流周轉(zhuǎn)箱槽口的位置，向夾緊氣缸通氣直到活塞桿伸出到極限位置（兩個(gè)機(jī)械手手指開距最?。?，機(jī)械臂向下運(yùn)動(dòng)動(dòng)使機(jī)械手手指垂直地伸入物流周轉(zhuǎn)箱槽口內(nèi)，向雙導(dǎo)桿薄型氣缸無桿腔通氣，活塞桿伸出到極限位置推動(dòng)厚連桿運(yùn)動(dòng)到水平狀態(tài)起吊鉤作用；機(jī)械臂向上運(yùn)動(dòng)使厚連桿接觸方形截面條的下側(cè)，機(jī)械手對(duì)箱體沒有夾持，靠?jī)筛鶎?dǎo)桿承受箱體及貨物的重量。

（3）夾持層疊（放置或分離空箱），如圖6 所示。疊放空箱可以節(jié)省大量的運(yùn)輸空間，但也產(chǎn)生機(jī)械手可夾持面積小的問題。機(jī)械臂轉(zhuǎn)動(dòng)到水平狀態(tài)，然后平移到物流周裝箱方形截面條的外側(cè)，向夾緊氣缸通氣使活塞桿伸長(zhǎng)，機(jī)械手手指在夾緊在方形截面條的外側(cè)。依靠氣缸夾緊箱體產(chǎn)生的摩擦力來提升空箱。

圖6 機(jī)械手夾持層疊（放置或分離空箱）示意圖Fig.6 Schematic Diagram of Manipulator Clamping and Stacking（ Placing or Separating Empty Boxes）

2.2 機(jī)械手手掌結(jié)構(gòu)各參數(shù)計(jì)算

夾緊氣缸作為機(jī)械手手掌部分的驅(qū)動(dòng)來調(diào)整機(jī)械手手掌的開距，并且夾緊氣缸需要為機(jī)械手抓取空箱提供動(dòng)力，如圖7 所示。需要選擇合適的氣缸并計(jì)算連桿的長(zhǎng)度。在進(jìn)行空箱的分離和堆疊操作時(shí)，箱蓋為打開狀態(tài)。機(jī)械手水平的夾持在物流周轉(zhuǎn)箱方形截面條外側(cè)垂直面。以抓取空箱時(shí)機(jī)械手手掌部分狀態(tài)作受力分析：

根據(jù)上述公式可以得到夾緊氣缸推力F 與空箱自重的關(guān)系：

機(jī)械手手掌中連桿機(jī)構(gòu)幾何關(guān)系：

式中：F—?dú)飧椎耐屏?；N、N′—連桿上的一對(duì)相互作用力；N1—物流周轉(zhuǎn)箱與機(jī)械手間的接觸力；f—物流周轉(zhuǎn)箱與機(jī)械手間的摩擦力；G—空箱的重力；L1—連桿的長(zhǎng)度；角度θ—連桿與活塞桿間形成的銳角（抓取過程中從角度θ1變?yōu)棣?，機(jī)械手水平鏟運(yùn)及吊起貨物時(shí)變?yōu)棣?）。

圖7 機(jī)械手手掌受力分析圖（夾持層疊）Fig.7 Force Analysis Diagramof Manipulator Palm

機(jī)械手手掌的最小開距a—614mm（機(jī)械手手掌水平鏟運(yùn)及吊起貨物時(shí)的開距），機(jī)械手水平夾持空箱時(shí)機(jī)械手手掌的開距b—710mm，機(jī)械手手掌的最大開距c—830mm。d—?dú)飧椎男谐?，取箱子與橡膠的摩擦系數(shù)—0.56[5]，安全系數(shù)—1.7，空箱的質(zhì)量—5.9kg。選擇氣缸型號(hào)為SC32X75，氣缸的內(nèi)徑—32mm，氣缸的行程—75mm，氣缸的內(nèi)壓力—0.5MPa。當(dāng)夾緊氣缸的活塞桿從初始位置伸長(zhǎng)到極限位置時(shí)，機(jī)械手手掌開距從最大變?yōu)樽钚　A緊氣缸行程及機(jī)械手手掌的開距的帶入式（5）得連桿l1的長(zhǎng)度為636mm。式（6）為機(jī)械手堆疊與分離空箱時(shí)夾緊氣缸推力與空箱自重的關(guān)系式，帶入?yún)?shù)得所需的夾緊氣缸內(nèi)徑為28.9mm。結(jié)論：碼垛機(jī)械手手掌采用了連桿增力機(jī)構(gòu)，32mm 的小直徑夾緊氣缸在通0.5MPa 氣壓的情況下就可以滿足碼垛機(jī)械手分離和層疊空箱的需求。75mm 的氣缸行程就可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手手掌開距614mm 增大到830mm。

2.3 機(jī)械手手指結(jié)構(gòu)各參數(shù)計(jì)算

圖8 厚連桿機(jī)構(gòu)幾何關(guān)系Fig.8 Geometric Relationship of Thick Link Mechanism

雙導(dǎo)桿薄型氣缸作為機(jī)械手手指部分的驅(qū)動(dòng)來調(diào)節(jié)機(jī)械手手指的狀態(tài)。需要選擇合適的氣缸并計(jì)算厚連桿、連桿的長(zhǎng)度。裝滿貨物的物流周轉(zhuǎn)箱上下層碼垛時(shí)，機(jī)械手手指垂直伸進(jìn)方形截面條的槽內(nèi)，整個(gè)手指均在槽口的范圍內(nèi)，厚連桿機(jī)構(gòu)呈現(xiàn)水平狀，起起吊作用，此時(shí)夾緊氣缸、雙導(dǎo)桿薄型氣缸的活塞桿均伸長(zhǎng)到極限位置。碼垛機(jī)械手手指中連桿機(jī)構(gòu)幾何關(guān)系（初始及水平兩種狀態(tài)）：

式中：α1、α2—初始狀態(tài)下厚連桿及連桿與導(dǎo)桿軸線所成的銳角。l1—厚連桿的長(zhǎng)度；l2—連桿的長(zhǎng)度。

選擇雙導(dǎo)桿薄型氣缸型號(hào)為MGPM50－12。氣缸參數(shù)：最大負(fù)荷13N，標(biāo)準(zhǔn)行程—50mm，氣缸內(nèi)徑—12mm 導(dǎo)桿偏移距離a—37mm，氣缸整體寬度—58mm，氣缸厚度—28mm。

式（9）為厚連桿、連桿和導(dǎo)桿偏移距離的關(guān)系式。為了方便加工假設(shè)α1=0，α2=30°，計(jì)算得連桿的長(zhǎng)度l1為74mm。

式（8）為雙導(dǎo)桿薄型氣缸行程與厚連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系式，將式（6）、式（7）代入式（8）計(jì)算得厚連桿的長(zhǎng)度l2為25.5mm。

結(jié)論：在吊運(yùn)碼垛或分離實(shí)箱時(shí)碼垛機(jī)械手對(duì)箱體沒有夾持作用，靠?jī)筛鶎?dǎo)桿承受箱體及貨物的重量。因此選用的雙導(dǎo)桿薄型氣缸內(nèi)徑僅為12mm 且無需通壓縮空氣。設(shè)計(jì)的連桿機(jī)構(gòu)大大縮短了所需氣缸的行程，氣動(dòng)系統(tǒng)的靈敏性及氣缸較短的行程很大的縮短了碼垛機(jī)械手抓取物流周轉(zhuǎn)箱的準(zhǔn)備時(shí)間。

3 結(jié)語(yǔ)

碼垛機(jī)械手的設(shè)計(jì)，克服了傳統(tǒng)機(jī)械手結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能單一的缺陷。結(jié)合了現(xiàn)有物流周轉(zhuǎn)箱的尺寸、結(jié)構(gòu)及使用情況并做了開槽改進(jìn)。新穎的抓取方式可以讓物流周轉(zhuǎn)箱以更合理的排列方式運(yùn)輸及儲(chǔ)存，大大的提升了及機(jī)械手碼垛可靠性并間接提升了物流運(yùn)輸效率。碼垛機(jī)械手的手掌及手指部分采用了氣缸驅(qū)動(dòng)反應(yīng)速度較快并能節(jié)省能源。未來手掌部分的驅(qū)動(dòng)可以用步進(jìn)電機(jī)來代替氣缸驅(qū)動(dòng)，可以更精準(zhǔn)的控制機(jī)械手手掌的開距來適應(yīng)各種尺寸的物流箱。