重載水平多關(guān)節(jié)裝卸機(jī)器人設(shè)計(jì)與研究

［摘 要］文章針對(duì)安裝高度空間有限的重型貨物搬運(yùn)問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種重載水平多關(guān)節(jié)裝卸機(jī)器人。為減小高度空間占用，該機(jī)器人結(jié)構(gòu)采用大臂小臂等高串聯(lián)的形式和鋼絲繩卷?yè)P(yáng)形式的升降軸；為擴(kuò)大小臂的回轉(zhuǎn)范圍，設(shè)置了隨動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的輔助臂。同時(shí)，對(duì)裝卸機(jī)器人的控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并根據(jù)不同極限工況下的受載情況，對(duì)整機(jī)進(jìn)行了有限元分析。結(jié)果表明，最大應(yīng)力發(fā)生在工況一時(shí)輔助臂上，最大值為199.8 MPa。最大變形量發(fā)生在工況一時(shí)，節(jié)點(diǎn)最大綜合位移為35 mm，機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

［關(guān)鍵詞］重載；多關(guān)節(jié)機(jī)器人；機(jī)械結(jié)構(gòu)；有限元

［中圖分類(lèi)號(hào)］TH24 ；TP24 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號(hào)］2095–6487（2024）05–0081–03

關(guān)節(jié)機(jī)器人在智能制造業(yè)裝卸作業(yè)中的應(yīng)用，不僅可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量，而且能夠縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期和改善勞動(dòng)條件，逐漸成為高端裝備的重要組成部分及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)[1-2]。水平關(guān)節(jié)機(jī)器人是一種圓柱坐標(biāo)型的特殊類(lèi)型的工業(yè)機(jī)器人，傳統(tǒng)的水平關(guān)節(jié)機(jī)器人結(jié)構(gòu)輕便、響應(yīng)快，適用于較小負(fù)載的平面定位、垂直方向進(jìn)行裝卸作業(yè)[3]。機(jī)器人I 軸、II 軸一般在高度方向疊加布置，需要在高度上占用一定空間。當(dāng)在需要進(jìn)行重型貨物搬運(yùn)且安裝高度空間有限的應(yīng)用場(chǎng)合，如車(chē)載環(huán)境、空間較小且高度有限的車(chē)間環(huán)境等，傳統(tǒng)的水平關(guān)節(jié)機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人等均難以適應(yīng)。針對(duì)此問(wèn)題，文章設(shè)計(jì)了一種重載水平多關(guān)節(jié)機(jī)器人。

1 裝卸機(jī)器人結(jié)構(gòu)和原理

操作人員可以通過(guò)手持機(jī)器人操控終端控制機(jī)器人的裝卸作業(yè)。機(jī)器人使用了重載水平關(guān)節(jié)機(jī)器人多軸復(fù)合運(yùn)動(dòng)控制算法，可以實(shí)現(xiàn)展臂、尋找倉(cāng)位、直線出倉(cāng)、直線入艙、姿態(tài)切換、收臂等自動(dòng)流程，卷?yè)P(yáng)機(jī)構(gòu)則由操作人員通過(guò)操控終端上的手柄進(jìn)行手動(dòng)控制。

圖1 為裝卸機(jī)器人主要結(jié)構(gòu)原理圖。裝卸機(jī)器人主要由立柱、大臂、輔助臂、小臂、吊具5 個(gè)部分組成。其中立柱為機(jī)器人的基座，承載機(jī)器人自重及機(jī)器人末端所抓取的負(fù)載重量；大臂安裝于立柱之上，可繞立柱旋轉(zhuǎn)，此旋轉(zhuǎn)軸定義為機(jī)器人I 軸；輔助臂一端與大臂相連，可繞大臂旋轉(zhuǎn)，此旋轉(zhuǎn)軸定義為機(jī)器人II 軸；小臂與輔助臂另一端相連，可繞輔助臂旋轉(zhuǎn)，此旋轉(zhuǎn)軸定義為機(jī)器人III 軸；吊具位于小臂末端下方，通過(guò)鋼絲繩與小臂內(nèi)的卷?yè)P(yáng)機(jī)構(gòu)相連，可在豎直方向上升降。

其中，機(jī)器人大臂主要由大臂結(jié)構(gòu)件、I 軸電機(jī)及減速機(jī)、II 軸電機(jī)及減速機(jī)、機(jī)器人驅(qū)動(dòng)箱等組成。機(jī)器人驅(qū)動(dòng)箱內(nèi)含機(jī)器人濾波器和驅(qū)動(dòng)機(jī)器人I 軸、II 軸、卷?yè)P(yáng)機(jī)構(gòu)伺服電機(jī)的電氣元件，腔體可靠密封，且兼顧電磁屏蔽設(shè)計(jì)。輔助臂主要由輔助臂結(jié)構(gòu)件、傳動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)等構(gòu)成，用于連接III 軸與II 軸，并實(shí)現(xiàn)III 軸與II 軸的隨動(dòng)。其中傳動(dòng)齒輪采用1 ∶ 1 傳動(dòng)比傳動(dòng)，連接II 軸與III 軸轉(zhuǎn)軸，當(dāng)II 軸在伺服電機(jī)控制下回轉(zhuǎn)時(shí)，III 軸將隨II 軸做同向、等速回轉(zhuǎn)。輔助臂結(jié)構(gòu)在不增加機(jī)器人伺服軸的前提下，大幅增加大臂、小臂間運(yùn)動(dòng)的靈活度，使大臂、小臂間夾角可擴(kuò)展至±180°，同時(shí)降低了II 軸轉(zhuǎn)速，有利于其延長(zhǎng)減速機(jī)壽命。小臂由小臂結(jié)構(gòu)件、卷?yè)P(yáng)伺服電機(jī)及減速機(jī)、鋼絲繩卷?yè)P(yáng)機(jī)構(gòu)、鋼絲繩張緊機(jī)構(gòu)、吊具自動(dòng)釋放觸發(fā)機(jī)構(gòu)、二級(jí)制動(dòng)器等構(gòu)成。其中，卷?yè)P(yáng)伺服電機(jī)及減速機(jī)、鋼絲繩卷?yè)P(yáng)機(jī)構(gòu)用于實(shí)現(xiàn)吊具的升降，并通過(guò)鋼絲繩張緊機(jī)構(gòu)保證鋼絲繩工作過(guò)程中有序纏繞在卷筒之上。除伺服電機(jī)自身制動(dòng)器外增設(shè)的二級(jí)制動(dòng)器，用于提高卷?yè)P(yáng)機(jī)構(gòu)的安全性，該制動(dòng)器控制與電機(jī)自身制動(dòng)器相獨(dú)立，可更加有效地防止重物失控下滑。吊具自動(dòng)釋放機(jī)構(gòu)與機(jī)器人小臂內(nèi)部的吊具自動(dòng)釋放觸發(fā)機(jī)構(gòu)配合，實(shí)現(xiàn)倉(cāng)內(nèi)自動(dòng)釋放功能。吊具同時(shí)具備連接狀態(tài)指示標(biāo)識(shí)，可便于操作人員判斷吊具狀態(tài)。

機(jī)器人立柱下方還設(shè)有傾角傳感器，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)整車(chē)傾斜角度，控制系統(tǒng)將根據(jù)當(dāng)前傾角，通過(guò)坡度自適應(yīng)算法，對(duì)機(jī)器人的相關(guān)示教點(diǎn)位、自動(dòng)運(yùn)行軌跡及運(yùn)行速度進(jìn)行自動(dòng)修正，實(shí)現(xiàn)了裝卸機(jī)器人對(duì)于地面不水平度的智能適應(yīng)。機(jī)器人主要性能參數(shù)見(jiàn)表1。

2 控制系統(tǒng)

機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示，由計(jì)算機(jī)、操控終端（機(jī)器人操作終端及應(yīng)急操作面板）、電機(jī)軸伺服單元（包括伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器）、傾角傳感器、電動(dòng)推桿及推桿傳感器、卷?yè)P(yáng)到位傳感器組成。計(jì)算機(jī)用于采集操作終端、驅(qū)動(dòng)器及傳感器信號(hào)，經(jīng)過(guò)內(nèi)部系統(tǒng)控制算法建模運(yùn)算，輸出有效控制信號(hào)，控制伺服電機(jī)和推桿電機(jī)動(dòng)作，完成貨物裝卸任務(wù)。系統(tǒng)對(duì)裝卸機(jī)器人設(shè)置運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)安全互鎖，對(duì)于運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)相互之間可能會(huì)出現(xiàn)機(jī)械位置干涉或發(fā)生危險(xiǎn)的情況，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)規(guī)避或不響應(yīng)運(yùn)動(dòng)指令，并報(bào)警提示以保證機(jī)械結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)安全。如機(jī)器人運(yùn)動(dòng)半徑限制、防止機(jī)器人碰撞前后箱體限制等。裝卸機(jī)器人操作終端用于將操作人員的指令傳遞給計(jì)算機(jī)，同時(shí)顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)信號(hào)。應(yīng)急操作面板用于切換裝卸機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及工作模式。伺服單元中，1 軸伺服單元控制裝卸機(jī)器人的大臂動(dòng)作；2 軸伺服單元控制裝卸機(jī)器人的小臂動(dòng)作；卷?yè)P(yáng)伺服單元控制裝卸機(jī)器人的卷?yè)P(yáng)升降動(dòng)作。伺服單元控制方式采用前饋加位置、速度、電流三閉環(huán)控制方式，此種控制方式使得電機(jī)軸的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，加減速響應(yīng)快，定位準(zhǔn)確，穩(wěn)態(tài)誤差小，保證了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的直線度及關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)精度，降低了重復(fù)定位誤差。傾角傳感器用于檢測(cè)裝卸機(jī)器人底座與地面之間的夾角值，通過(guò)串行通訊總線發(fā)送給計(jì)算機(jī)，對(duì)吊裝位置進(jìn)行角度補(bǔ)償。電動(dòng)推桿及推桿傳感器用于裝卸機(jī)器人吊具的自動(dòng)解鎖，當(dāng)裝卸機(jī)器人吊裝箱/ 架完成且滿(mǎn)足解鎖條件時(shí)，推桿自動(dòng)伸出觸發(fā)吊具機(jī)構(gòu)解鎖。

裝卸機(jī)器人控制系統(tǒng)接收機(jī)器人操作終端發(fā)出的控制命令，經(jīng)計(jì)算機(jī)對(duì)機(jī)器人模型正反解控制算法進(jìn)行計(jì)算，規(guī)劃出機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度和路徑，并將其轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)單元可識(shí)別的控制信號(hào)，發(fā)送至伺服驅(qū)動(dòng)器，伺服驅(qū)動(dòng)器對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行調(diào)速和定位控制，完成貨物的裝卸任務(wù)。

3 仿真分析

根據(jù)機(jī)器人工作實(shí)際情況，在兩極限工況下（工作點(diǎn)位一，機(jī)器人工作在最大工作幅度，額載630 kg，承受28.3 m/s 的風(fēng)載，工作在6°坡度；工作點(diǎn)位二，機(jī)器人工作在折臂位，所承受額載、風(fēng)載及工作坡度與點(diǎn)位一相同）進(jìn)行有限元分析。為保證受力過(guò)程中各部件之間載荷傳遞的準(zhǔn)確性，采用整體受力分析，其有限元模型如圖3 所示。材料物理特性為：彈性模量2×1011 Pa、泊松比為0.3、密度為7.85×103 kg/m3。有限元模型單元采用具有適用于不規(guī)則形狀、計(jì)算精度高的C3D10單元（3 維10 節(jié)點(diǎn)實(shí)體）。

圖4 和圖5 為仿真應(yīng)力及綜合位移結(jié)果。根據(jù)不同工況下的分析結(jié)果可知，機(jī)器人結(jié)構(gòu)在工況一下應(yīng)力值最大為199.8 MPa，此處材料采用的是HG785E材料， 其他采用Q345E 材料的位置強(qiáng)度均低于160 MPa，整體在工況一下變形量最大，節(jié)點(diǎn)最大綜合位移為35 mm。機(jī)器人整體安全系數(shù)大于2。

4 結(jié)論

文章將傳統(tǒng)水平關(guān)節(jié)機(jī)器人大臂小臂疊放串聯(lián)布置的形式改變?yōu)榈雀叽?lián)的形式，減小了高度空間占用，更加適應(yīng)有限空間內(nèi)重載搬運(yùn)的使用場(chǎng)景，動(dòng)作靈活且平穩(wěn)快速；通過(guò)設(shè)有隨動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的輔助臂的設(shè)置，該設(shè)計(jì)擴(kuò)大了小臂的回轉(zhuǎn)范圍，解決了大臂與小臂直接等高串聯(lián)導(dǎo)致的回轉(zhuǎn)范圍受限問(wèn)題；同時(shí)，通過(guò)將傳統(tǒng)水平關(guān)節(jié)機(jī)器人的升降軸由絲杠絲母形式改變?yōu)殇摻z繩卷?yè)P(yáng)形式，進(jìn)一步減小了高度空間占用，增大了起升行程。在不同極限工況下，機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的有限元仿真分析驗(yàn)證了機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

參考文獻(xiàn)

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