孫 浩,趙玉剛,姜文革,谷 萌
(山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,淄博 255000)
碼垛機(jī)器人是當(dāng)今機(jī)電一體化的高科技產(chǎn)品,在現(xiàn)代企業(yè)物流管理中占有重要地位,它對(duì)于企業(yè)提高生產(chǎn)效率、增進(jìn)經(jīng)濟(jì)效益、保證產(chǎn)品質(zhì)量、改善勞動(dòng)環(huán)境、優(yōu)化作業(yè)布局有著突出的貢獻(xiàn),其應(yīng)用的數(shù)量和質(zhì)量標(biāo)志著企業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的先進(jìn)水平。
所謂碼垛就是按照集成單元化的思想,將一件件的物料按照一定的模式堆碼成垛,以便使單元化的物料實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)、存儲(chǔ)、裝卸、運(yùn)輸?shù)任锪骰顒?dòng)。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外碼垛機(jī)器人技術(shù)獲得了前所未有的發(fā)展,碼垛機(jī)器人的吞吐量、柔性、處理速度以及抓取載荷在不斷的升級(jí),適應(yīng)場(chǎng)合也在不斷的擴(kuò)大[1,2]。碼垛機(jī)器人以其柔性工作能力和占地面積小,并能夠同時(shí)處理多種物料和垛型,越來(lái)越受到企業(yè)的青睞并廣泛應(yīng)用于碼垛作業(yè)中。
傳統(tǒng)的碼垛機(jī)器人多采用串聯(lián)機(jī)構(gòu),雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,控制方便,但是由于系統(tǒng)剛性差,難以滿足長(zhǎng)期、穩(wěn)定的碼垛要求。新型的碼垛機(jī)器人采用并聯(lián)機(jī)構(gòu),不僅剛性強(qiáng),控制精度也有所提高[3]。
本課題組設(shè)計(jì)碼垛機(jī)器人的結(jié)構(gòu)如圖1所示,主體結(jié)構(gòu)是四邊形的連桿結(jié)構(gòu),由4個(gè)自由度組成,其中包括2個(gè)旋轉(zhuǎn)副和2個(gè)移動(dòng)副。機(jī)器人的執(zhí)行末端通過(guò)腰部的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),前大臂的水平運(yùn)動(dòng),后大臂的垂直運(yùn)動(dòng),抓手的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)相互組合,共同完成對(duì)物品的碼垛作業(yè)。
圖1 碼垛機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)圖
碼垛機(jī)器人的工作過(guò)程要求實(shí)現(xiàn)高速、高效、穩(wěn)定的搬運(yùn)和碼垛,各個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)必須嚴(yán)格按照自己的關(guān)節(jié)路徑運(yùn)動(dòng),并且能夠協(xié)調(diào)準(zhǔn)確地停止在預(yù)定位置,這就對(duì)其驅(qū)動(dòng)方式和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)有較高要求。
本碼垛機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)采用類平衡吊原理的連桿機(jī)構(gòu),該機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)[4]。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示,核心部分為ABD、BC、DE、CE共同組成的平行四連桿機(jī)構(gòu),其中A、C分別為垂直方向跟水平方向驅(qū)動(dòng)裝置。
為了準(zhǔn)確地對(duì)執(zhí)行末端進(jìn)行分析求解,便于系統(tǒng)對(duì)電機(jī)的控制,需要對(duì)機(jī)器人臂部進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析。筆者在前人研究推導(dǎo)的基礎(chǔ)上[5],提出了一種簡(jiǎn)單直觀的求解方法。如圖2所示,在機(jī)器人大小臂組合旋轉(zhuǎn)的主剖面內(nèi)設(shè)置一個(gè)固定的坐標(biāo)系XOY,其中,A點(diǎn)為碼垛機(jī)器人Y軸絲杠滑座與后大臂的鉸接點(diǎn),在電機(jī)帶動(dòng)下沿Y軸方向垂直運(yùn)動(dòng);C點(diǎn)為碼垛機(jī)器人X軸絲杠滑座與前大臂的鉸接點(diǎn),在電機(jī)帶動(dòng)下沿X軸方向水平運(yùn)動(dòng);D、E兩點(diǎn)分別為后大臂、前大臂與小臂的鉸接點(diǎn);F點(diǎn)為執(zhí)行末端位置;角為前大臂與水平X軸的夾角。當(dāng)機(jī)器人處于零位時(shí),機(jī)構(gòu)位置如圖虛線部分。
設(shè)水平滑座運(yùn)動(dòng)距離x,垂直滑座運(yùn)動(dòng)距離y,機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到如圖實(shí)線位置,根據(jù)其幾何關(guān)系來(lái)確定末端位置的變化規(guī)律,圖中各點(diǎn)的坐標(biāo)為:
根據(jù)幾何關(guān)系得:
由以上分析可以得到執(zhí)行末端F點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程:
其中m=(x+240),n=(y-200)。
由上式可以看出,碼垛機(jī)器人的末端輸出為非線性的輸出,x軸電機(jī)在水平方向移動(dòng)時(shí),末端F沿水平方向移動(dòng),同時(shí)還受到的影響,在y方向運(yùn)動(dòng),同理y軸方向運(yùn)動(dòng)也受到的影響,這樣導(dǎo)致末端運(yùn)動(dòng)的不確定性,而且容易使系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)。
為了消除以上影響,我們?nèi)∵B桿長(zhǎng)度滿足以下條件:
取圖2中參數(shù),此時(shí)得到F點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方程為
由式(4)我們就建立了執(zhí)行末端F與x、y軸電機(jī)運(yùn)動(dòng)關(guān)系,即x軸電機(jī)的運(yùn)動(dòng)僅引起末端F的水平運(yùn)動(dòng),y軸電機(jī)的垂直運(yùn)動(dòng)僅引起末端F的垂直運(yùn)動(dòng)。通過(guò)以上分析,在初始點(diǎn)位置確定的前提下,可以計(jì)算出末端F運(yùn)動(dòng)到工作空間中任意點(diǎn)時(shí),電機(jī)在水平方向和垂直方向的位移。
圖2 臂部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
在碼垛機(jī)器人搬運(yùn)物品過(guò)程中,執(zhí)行末端將貨物從自動(dòng)化生產(chǎn)線上抓取到托盤(pán),堆碼成垛,其工作過(guò)程如圖3所示。
圖3 碼垛過(guò)程示意圖
要使執(zhí)行末端準(zhǔn)確地將貨物送達(dá)A點(diǎn)位置,需要CPU求出腰部轉(zhuǎn)過(guò)的角度以及水平關(guān)節(jié)和垂直關(guān)節(jié)的位移。設(shè)托盤(pán)上某一碼放點(diǎn)A坐標(biāo)為(x,y,z),從貨物抓取點(diǎn)B(x0,y0,z0)到A點(diǎn)腰部旋轉(zhuǎn)角度為(順時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎?/p>
水平關(guān)節(jié)移動(dòng)的距離H為:
垂直關(guān)節(jié)移動(dòng)的距離V為:
腕部轉(zhuǎn)過(guò)的角度與腰部轉(zhuǎn)過(guò)角度大小相等方向相反:
通過(guò)以上的分析計(jì)算,只要給CPU垛型和碼垛起始點(diǎn)位置,機(jī)器人便可在位置控制模塊驅(qū)動(dòng)下以圖4流程自動(dòng)運(yùn)行。
圖4 碼垛流程圖
運(yùn)動(dòng)學(xué)分析是機(jī)器人軌跡規(guī)劃和控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的前提和基礎(chǔ)[6]。碼垛機(jī)器人一般采用點(diǎn)到點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)模式,在開(kāi)始碼垛工作之前,需要先進(jìn)行軌跡的規(guī)劃,確定運(yùn)動(dòng)過(guò)程的路徑點(diǎn),使機(jī)器人能夠準(zhǔn)確、安全地將物品擺放到指定位置,避免打垛現(xiàn)象,軌跡規(guī)劃是運(yùn)動(dòng)學(xué)反解的實(shí)際應(yīng)用[7]。對(duì)機(jī)器人軌跡的規(guī)劃如圖5所示,各點(diǎn)坐標(biāo)均指執(zhí)行末端的位置。把貨物堆碼成垛的過(guò)程軌跡為P1—P2—P1—P3—P4—P5,從物垛取貨的軌跡為P5—P4—P3—P1—P2。其中P1是物品初始放置點(diǎn)上方一過(guò)渡點(diǎn),為抓取貨物做準(zhǔn)備;P2是貨物初始放置點(diǎn);P3是碼垛空間內(nèi)靠近物垛的一點(diǎn),為貨物放置做調(diào)整準(zhǔn)備;P4是最終放置點(diǎn)上方一過(guò)渡點(diǎn);P5是物品最終放置點(diǎn)。
圖5 碼垛機(jī)器人路徑規(guī)劃
軌跡點(diǎn)的確定必須要在碼垛機(jī)器人的最大工作空間內(nèi),這樣才能保證按照工業(yè)需求擺放物品,避免機(jī)器人失控。根據(jù)確定的工作空間,判斷時(shí),只需要進(jìn)行邊緣點(diǎn)的判斷,一旦發(fā)現(xiàn)有點(diǎn)不在工作空間內(nèi),就要重新設(shè)定碼垛方式。
工作過(guò)程中,CPU根據(jù)軌跡要求,通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算生成控制指令,發(fā)送給位置控制模塊,控制模塊以脈沖的形式輸出位置命令值,使執(zhí)行末端依次通過(guò)各路徑點(diǎn)。脈沖的數(shù)量和頻率分別決定了電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的角度和速度。
根據(jù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,水平方向滑座移動(dòng)范圍-60mm 圖6 碼垛機(jī)器人工作空間 工業(yè)碼垛機(jī)器人是典型的機(jī)電一體化的高科技產(chǎn)品,對(duì)企業(yè)提高生產(chǎn)效率、改善勞動(dòng)環(huán)境和優(yōu)化作業(yè)布局等方面起著重要的作用。針對(duì)企業(yè)要求,課題組設(shè)計(jì)了一個(gè)四自由度并聯(lián)碼垛機(jī)器人,該機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理,控制靈活,最大抓取載荷為100kg,工作能力達(dá)800次/h,完全滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的要求。 [1] 胡洪國(guó),高建華,楊汝清.碼垛技術(shù)綜述[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2000,(6):7-9. [2] 張豐華,韓寶玲,羅慶生,等.基于PLC的新型工業(yè)碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2009,17(11):191-194. [3] 劉清,韓寶玲,羅慶生,等.S7-200可編程控制器在新型智能碼垛機(jī)器人中的應(yīng)用研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2008 ,7(30):39-43. [4] 閆愛(ài)和,焦希潤(rùn),張素青.平衡吊的運(yùn)動(dòng)分析及平衡方法[J].太原重型機(jī)械學(xué)院學(xué)報(bào),2000,21(4):295-300. [5] 李成偉,贠超.碼垛機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)學(xué)研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2009,(6):181-183. [6] 蔡自興.機(jī)器人學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2000,46-83. [7] 魏延輝,李瑞峰.HHRB100搬運(yùn)機(jī)器人碼垛程序的離線編程[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2003,25(10):27-29,45.5 結(jié)論