侯志利 武文革 李瑞琴 秦慧斌

(中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院， 太原 030051)

變驅(qū)動(dòng)布局5R機(jī)構(gòu)選型設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

侯志利 武文革 李瑞琴 秦慧斌

(中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院， 太原 030051)

提出了變驅(qū)動(dòng)布局的平面5R機(jī)構(gòu)的選型設(shè)計(jì)方法，對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，利用幾何法建立了不同驅(qū)動(dòng)位置的工作空間圖譜，并提出了跟蹤運(yùn)動(dòng)軌跡搜索可達(dá)工作空間的方法，為紙箱定制封裝機(jī)構(gòu)的構(gòu)型應(yīng)用提供了優(yōu)選依據(jù)。通過分析紙箱搖蓋折合的工藝流程，選擇兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸線重合的5R機(jī)構(gòu)，作為搖蓋折合的手指機(jī)構(gòu)原型。通過運(yùn)動(dòng)仿真提取了驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，將擬合的解析函數(shù)輸入手指機(jī)構(gòu)的控制程序中，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了紙箱搖蓋折合的預(yù)期運(yùn)動(dòng)軌跡，表明該手指機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)具有良好的可控性。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種區(qū)別于生產(chǎn)線作業(yè)的可重構(gòu)紙箱包裝機(jī)，通過裝置模塊結(jié)構(gòu)的重組和控制程序重構(gòu)，末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)輸出柔性可控，完成了不同尺寸規(guī)格紙箱的包裝、膠帶十字封裝工作。

5R機(jī)構(gòu)； 變驅(qū)動(dòng)布局； 工作空間； 運(yùn)動(dòng)可控； 可重構(gòu)包裝機(jī)

引言

可重構(gòu)機(jī)構(gòu)是基于機(jī)構(gòu)的拓?fù)湎嗨菩?，利用特定方法，將原有?gòu)型轉(zhuǎn)換為一種或幾種新構(gòu)型，完成機(jī)構(gòu)的自重組和重構(gòu)，以滿足不同運(yùn)動(dòng)要求，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，是當(dāng)前機(jī)構(gòu)學(xué)的研究熱點(diǎn)[1-3]。變驅(qū)動(dòng)布局是改變機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸線幾何關(guān)系的變換方式，是實(shí)現(xiàn)并聯(lián)機(jī)構(gòu)構(gòu)型創(chuàng)新設(shè)計(jì)的一種新方法，也是機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)設(shè)計(jì)的一種新途徑，能綜合大量新構(gòu)型，為構(gòu)型優(yōu)選提供依據(jù)。機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的可控是針對(duì)機(jī)構(gòu)中驅(qū)動(dòng)元件的輸入?yún)?shù)及其位姿實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)受控變化，使執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)達(dá)到柔性輸出，因此，同時(shí)考慮機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)布局及運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)可控可調(diào)，既能快速響應(yīng)多場(chǎng)合應(yīng)用需求的變化，也能改善機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)性能[4]。

平面二自由度5R機(jī)構(gòu)既可以作為獨(dú)立的機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)[5]，也可以作為并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)支鏈[6]。其閉環(huán)結(jié)構(gòu)剛度好，運(yùn)動(dòng)軌跡豐富，可滿足驅(qū)動(dòng)布局變換、運(yùn)動(dòng)可控柔性輸出的性能要求，常被用于產(chǎn)品精密抓取、組裝與包裝作業(yè)領(lǐng)域。文獻(xiàn)[5-11]研究涉及5R機(jī)構(gòu)的構(gòu)型分析、重構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)可控性等關(guān)鍵問題，為其應(yīng)用研究提供了理論與實(shí)驗(yàn)參考，但沒有提供選型應(yīng)用的方法。而對(duì)于一種構(gòu)型而言，其運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)軸線、驅(qū)動(dòng)布局等位姿不同，其運(yùn)動(dòng)性能則不同。因此，實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)行構(gòu)型對(duì)比與優(yōu)選尤為重要。

我國快遞業(yè)發(fā)展快速，2015年全年業(yè)務(wù)件量達(dá)200億件，同比增長52%，已成為世界快遞業(yè)第一大國[12]。性價(jià)比好的紙箱成為電商首選的包裝方式，但是紙箱的折蓋、膠帶封裝等工作大多由手工完成。當(dāng)快遞訂單量激增時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)人手少、硬件設(shè)備自動(dòng)化水平低等問題。而目前市場(chǎng)上的包裝機(jī)械多為定制流水線作業(yè)[13-14]，占地空間大、裝置轉(zhuǎn)型柔性差，不適合中小型電商使用。戴建生等[15-17]提出并設(shè)計(jì)了可重構(gòu)多指式糖果紙盒折疊機(jī)器人，將閉環(huán)五桿手指機(jī)構(gòu)用于紙盒折疊，通過其構(gòu)型分析、模塊重組，實(shí)現(xiàn)了不同規(guī)格、不同外形的糖果紙盒的折疊，適應(yīng)性強(qiáng)，拓展了可重構(gòu)機(jī)構(gòu)的應(yīng)用市場(chǎng)。

本文通過平面5R機(jī)構(gòu)的不同驅(qū)動(dòng)布局位形的運(yùn)動(dòng)學(xué)對(duì)比分析，研究驅(qū)動(dòng)布局對(duì)工作空間有效工作空間的影響，繪制變驅(qū)動(dòng)布局的工作空間分布圖譜。優(yōu)選驅(qū)動(dòng)軸線重合的5R閉環(huán)構(gòu)型作為紙箱搖蓋折合的手指原型，用于折合搖蓋，并設(shè)計(jì)一種可控可重構(gòu)手指式紙箱包裝機(jī)[18]，基于運(yùn)動(dòng)逆解控制搖蓋的運(yùn)動(dòng)軌跡，進(jìn)行不同規(guī)格紙箱的搖蓋折合與十字膠封實(shí)驗(yàn)，以期驗(yàn)證5R并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)可控性。

1 變驅(qū)動(dòng)布局的平面5R機(jī)構(gòu)選型

1.1 變驅(qū)動(dòng)布局的5R機(jī)構(gòu)構(gòu)型分析

變驅(qū)動(dòng)布局是改變機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸線布局位置的變換方式，即調(diào)節(jié)、規(guī)劃機(jī)架位置，是同一構(gòu)型驅(qū)動(dòng)位置的不同布局位形，是實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)可重構(gòu)設(shè)計(jì)的一種方式。驅(qū)動(dòng)元件一般安裝在機(jī)架或靜平臺(tái)上，兩自由度驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)常見的幾何關(guān)系有軸線平行、軸線重合、軸線相交。

并聯(lián)機(jī)構(gòu)新構(gòu)型生成方法為將2條或2條以上運(yùn)動(dòng)支鏈，分別與機(jī)架、動(dòng)平臺(tái)/末端執(zhí)行器連接而成，由于機(jī)架布局位置、運(yùn)動(dòng)支鏈不同，則可綜合出豐富的機(jī)構(gòu)類型，從而創(chuàng)新生成2種新構(gòu)型族。選取平面5R型機(jī)構(gòu)，可生成2種布局的構(gòu)型，如圖1所示。

圖1 平面5R型機(jī)構(gòu)構(gòu)型綜合Fig.1 Synthesis of 5R parallel kinematic mechanism

圖2所示為2種驅(qū)動(dòng)位置的5R機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖，以機(jī)架的一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)中心A為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系xAy，2個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)位置用A和E表示，2個(gè)驅(qū)動(dòng)連桿AB和ED與x軸的夾角分別記作θ1和θ4。圖2a中2個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)A、E軸線平行且不重合，圖2b中2個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)A、E軸線重合。圖2b是圖2a的一種特殊位置模式，圖2b是串聯(lián)機(jī)構(gòu)并聯(lián)化的典型，能有效拓展并聯(lián)機(jī)構(gòu)的工作空間。設(shè)l1、l2、l3、l4和lp分別是連桿AB、BC、CD、DE和BP的長度，l5是機(jī)架AE長度。對(duì)稱5R并聯(lián)機(jī)構(gòu)中，l1=l4，l2=l3。

圖2 2種驅(qū)動(dòng)布局的5R機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖Fig.2 Motion diagrams of 5R mechanism with two driven layouts

1.2 5R并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

由圖2a得點(diǎn)B、D的位置

x2=l1cosθ1+x1

(1)

y2=l1sinθ1+y1

(2)

x3=l4cosθ4+x4

(3)

y3=l4sinθ4+y4

(4)

圖2a滿足直角三角關(guān)系，得

(5)

(6)

代入消元，輸入與輸出的位移關(guān)系為

(7)

速度方程表達(dá)式為

(8)

令

其中

該機(jī)構(gòu)的雅可比矩陣為

(9)

其中

a1=x-l1cosθ1a2=x-l4cosθ4-x4
b1=y-l1sinθ1b2=y-l4sinθ4
d1=-(xsinθ1-ycosθ1)l1
d2=-[(x-x4)sinθ4-ycosθ4]l4

由位移方程可知，末端輸出C點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡由式(5)、(6)決定。式(7)可以逆解求出輸入?yún)?shù)。上述運(yùn)動(dòng)學(xué)分析表明，J只與各構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)尺寸和位置有關(guān)，而與其他量無關(guān)。因此，當(dāng)機(jī)架長度變化時(shí)，僅影響末端輸出位置，而不影響速度、加速度。

圖2b指尖P位置由傳動(dòng)桿AB和延伸桿BP的矢量來描述

(10)

式中，θ2是指尖P與x軸之間的方位夾角，決定了連桿的方向性。

1.3 變機(jī)架長度對(duì)5R機(jī)構(gòu)工作空間的影響

工作空間決定了機(jī)構(gòu)與機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)輸出和跟蹤能力，是衡量其運(yùn)動(dòng)特性的主要性能指標(biāo)之一。工作空間的幾何法就是借助連桿的兩種極限位置，即分別以最短重疊桿長(l2-l1)與最長共線桿長(l1+l2)為半徑，繪制同心圓來描述機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的可達(dá)工作空間邊界。以(l2-l1)為半徑繪制的圓稱為空?qǐng)A，其內(nèi)部是運(yùn)動(dòng)不可達(dá)區(qū)域；以(l1+l2)為半徑繪制的圓稱為最大工作空間邊界圓。

圖3所示為5R機(jī)構(gòu)的工作空間的幾何法原理，用最大工作空間圓與空?qǐng)A求差求解可達(dá)工作空間。隨著機(jī)架長度的變化，5R并聯(lián)機(jī)構(gòu)的工作空間存在6種可能的幾何關(guān)系，即：

圖3 5R機(jī)構(gòu)的工作空間的幾何法Fig.3 Geometric approach for workspace of 5R planar parallel manipulator

(1)兩個(gè)空?qǐng)A彼此不相交，且在最大工作空間相交的圓之內(nèi)，滿足

(11)

(2)兩個(gè)空?qǐng)A彼此相交，且在最大工作空間圓之內(nèi)，滿足

(12)

(3)兩個(gè)空?qǐng)A彼此不相交，且與最大工作空間圓相交，滿足

(13)

(4)兩個(gè)空?qǐng)A彼此相交，且與最大工作空間圓相交，滿足

(14)

(5)兩個(gè)空?qǐng)A彼此不相交，且在最大工作空間圓之外，滿足

(15)

(6)兩個(gè)空?qǐng)A重合，且在最大工作空間圓之內(nèi)，滿足

l5=0

(16)

6種可能的幾何關(guān)系表達(dá)圖例如表1所示。

由式(11)～(16)可繪出對(duì)稱5R機(jī)構(gòu)變機(jī)架長度工作空間的分布圖，如圖4所示，描述了其不同機(jī)架長度條件下的工作空間分布圖譜，其工作空間與有效工作面積隨空?qǐng)A中心位置的變化而變化。

圖4中，位置①表示式(16)描述的幾何關(guān)系即兩個(gè)空?qǐng)A重合；位置②、③表示式(12)的幾何關(guān)系圖，位置③為式(12)臨界關(guān)系圖，其余位置關(guān)系依此類推。位置①兩個(gè)大圓相交，有效面積最大；當(dāng)2個(gè)大圓幾何相交漸變到位置⑩時(shí)，不相交，此時(shí)沒有有效工作區(qū)域。表1中，情形6的空?qǐng)A在大圓內(nèi)，其有效工作空間面積為

表1 變機(jī)架長度5R對(duì)稱型機(jī)構(gòu)的工作空間圖例Tab.1 Workspace of 5R symmetrical parallel mechanism with variable base length

注：設(shè)l2>l1，幾何關(guān)系參考具體尺寸而確定；陰影區(qū)域?yàn)闄C(jī)構(gòu)的可達(dá)工作空間區(qū)域。

圖4 變機(jī)架長度的5R并聯(lián)機(jī)構(gòu)工作空間分布圖譜Fig.4 Distribution of theoretical workspace shape of 5R mechanism with variable base length

S=π[(l1+l2)2-(l2-l1)2]=4πl(wèi)1l2

(17)

由圖4和式(17)得出，選取位置①驅(qū)動(dòng)軸線重合的構(gòu)型，其工作空間有效面積最大，是拓展并聯(lián)機(jī)構(gòu)工作空間區(qū)域的有效途徑之一。

2 基于驅(qū)動(dòng)位置變換的運(yùn)動(dòng)軌跡分析

含兩運(yùn)動(dòng)支鏈或兩運(yùn)動(dòng)支鏈以上的幾何結(jié)構(gòu)對(duì)稱的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，當(dāng)其中兩個(gè)運(yùn)動(dòng)支鏈的原動(dòng)件輸入傳動(dòng)比(頻率比)為不可整除的循環(huán)小數(shù)時(shí)，可引起末端輸出運(yùn)動(dòng)軌跡的規(guī)律性偏移，且隨著運(yùn)動(dòng)時(shí)間的遞增，末端輸出的運(yùn)動(dòng)軌跡會(huì)逐漸達(dá)到一個(gè)周期，直至繪出整個(gè)可達(dá)工作空間，如圖5陰影區(qū)域所示。這種軌跡跟蹤搜索工作空間的方法可以利用SolidWorks Motion分析模塊進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真實(shí)現(xiàn)，能減少求解工作空間的運(yùn)算過程[19-20]。軌跡跟蹤搜索工作空間的區(qū)域方法與初始位置、桿長條件有密切關(guān)系，應(yīng)避開機(jī)構(gòu)的奇異位置。

圖5所示變驅(qū)動(dòng)布局的5R并聯(lián)機(jī)構(gòu)中，lAB=lDE=100 mm，lBC=lCD=300 mm，初始輸入角θ1=120°，θ2=60°，輸入傳動(dòng)比λ=16/15。圖5a中l(wèi)A=360 mm，圖5b中l(wèi)A=0。

圖5 兩種驅(qū)動(dòng)布局的工作空間Fig.5 Two workspaces of different actuated layouts

圖5表明，隨著機(jī)架AE間距變小至重合，3個(gè)半徑分別為l1、l2-l1、l2+l1的幾何圓重合并漸變?yōu)檫B通區(qū)域。

3 紙箱結(jié)構(gòu)與搖蓋折合機(jī)構(gòu)選型

3.1 紙箱結(jié)構(gòu)

紙箱由一塊瓦楞紙板開槽而成，經(jīng)過分切、壓痕、開槽、開角、釘合或粘合等操作后制成。紙箱由面板和折痕線組成，展開圖如圖6所示。紙箱一般帶有箱蓋與箱底的兩組搖蓋，分內(nèi)、外搖蓋，上、下?lián)u蓋。紙箱結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖6 瓦楞紙板展開圖Fig.6 Corrugated board in flattened state

圖7 紙箱結(jié)構(gòu)Fig.7 Carton structure

3.2 紙箱搖蓋折合封裝過程

紙箱箱蓋/箱底的搖蓋折疊過程就是改變內(nèi)、外搖蓋的相對(duì)位置。圖8所示為箱蓋內(nèi)外搖蓋的折合運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖8 紙箱搖蓋折合軌跡Fig.8 Folding trajectories of a carton box flap

箱蓋/箱底折合順序依次為上搖蓋折合(內(nèi)、外搖蓋折合)，膠帶十字封箱，下?lián)u蓋折合(內(nèi)、外搖蓋折合)，膠帶十字封箱。根據(jù)紙箱的折合順序，選取合適的構(gòu)型設(shè)計(jì)封裝機(jī)，適合不同規(guī)格紙箱搖蓋的折合與封裝。2個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸線重合布局的5R機(jī)構(gòu)剛度大，運(yùn)動(dòng)空間大，可控性好，成為紙箱折合的首選手指構(gòu)型。

3.3 5R手指實(shí)驗(yàn)裝置原型

選取標(biāo)準(zhǔn)開槽瓦楞紙箱作為中小型商品包裝的快遞紙箱。根據(jù)第1節(jié)構(gòu)型分析，采用兩組5R手指模仿紙箱搖蓋折合的運(yùn)動(dòng)軌跡，手指位姿可調(diào)，用于紙箱外搖蓋的折合。選擇步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，為紙箱包裝提供保證需求的速度和足夠扭矩。圖9a所示為手指裝置模型，圖9b所示為原型樣機(jī)。

圖9 5R手指折合裝置Fig.9 Folding device of 5R finger mechanism

2個(gè)步進(jìn)電機(jī)安裝在原型手指兩端，驅(qū)動(dòng)5R手指機(jī)構(gòu)執(zhí)行運(yùn)動(dòng)指令，實(shí)現(xiàn)初始位置和末端位置之間的前、后往復(fù)運(yùn)動(dòng)。初始位置由編碼器定位。末端位置取決于電機(jī)的控制程序和紙箱的類型及規(guī)格，其運(yùn)動(dòng)范圍控制在從初始位置開始的180°范圍之內(nèi)。

3.4 紙箱搖蓋折合運(yùn)動(dòng)軌跡仿真

將折痕作為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，搖蓋面板作為連桿，建立紙箱的數(shù)學(xué)模型，描述紙箱的折疊運(yùn)動(dòng)過程，不同規(guī)格紙箱折合運(yùn)動(dòng)軌跡不同，需要建立不同紙箱數(shù)學(xué)模型進(jìn)行折合運(yùn)動(dòng)軌跡仿真。利用SolidWorks Motion分析模塊跟蹤紙箱內(nèi)、外搖蓋的折合運(yùn)動(dòng)軌跡。采用運(yùn)動(dòng)逆解求解方法，模擬仿真紙箱搖蓋的折合過程，從而根據(jù)軌跡跟蹤反求5R手指機(jī)構(gòu)的2個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的角速度輸入曲線，并輸出數(shù)據(jù)結(jié)果。然后利用Matlab將輸出的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行數(shù)值擬合為解析函數(shù)，最后將解析函數(shù)輸入到手指機(jī)構(gòu)的控制程序中，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)期的紙箱搖蓋的折合軌跡。

調(diào)整手指初始位置、桿長和運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)不同規(guī)格紙箱的折合可重構(gòu)，如圖10所示。圖11所示為左、右電機(jī)輸入的角速度曲線及末端輸出位置角速度曲線。

圖10 紙箱搖蓋折合軌跡仿真Fig.10 Simulation of folding trajectory for carton box

圖11 輸入與輸出的角速度曲線Fig.11 Angular velocity curves

圖12 電氣控制連接原理圖Fig.12 Electric control schematic diagram1.220 V電源 2.控制器 3.運(yùn)動(dòng)控制卡 4.計(jì)算機(jī) 5.控制器 6.脈沖模塊 7.5R手指裝置 8.左步進(jìn)電機(jī) 9.右步進(jìn)電機(jī) 10.步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 11.24 V電源 12.控制器

3.5 5R手指運(yùn)動(dòng)可控實(shí)現(xiàn)

5R手指實(shí)驗(yàn)裝置電氣控制連接原理圖如圖12所示。

控制系統(tǒng)由上位機(jī)控制程序、運(yùn)動(dòng)控制軸卡(PCI-DMC-F01)、控制器(ASD-A2-0421-F)、脈沖模塊(ASD- DMC-RM04PI)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、DMCNET連接線、通訊終端電阻(ASD-TR -DM0008)和開關(guān)電源組成。上位機(jī)控制程序控制運(yùn)動(dòng)軸卡并向脈沖模塊發(fā)出控制指令，脈沖模塊向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊發(fā)出可控脈沖，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊接收脈沖信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。針對(duì)機(jī)構(gòu)構(gòu)型變化/結(jié)構(gòu)變化，可實(shí)現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)控制程序的可重構(gòu)，達(dá)到末端運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的柔性控制。

4 可重構(gòu)紙箱包裝機(jī)

4.1 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)

基于前文所述紙箱搖蓋折合和運(yùn)動(dòng)軌跡分析，設(shè)計(jì)了紙箱包裝機(jī)，機(jī)械本體模型如圖13所示[18]，由膠帶封裝裝置、5R手指折合裝置、旋轉(zhuǎn)裝置、對(duì)正調(diào)整裝置、底座支撐裝置5大模塊組成。各模塊安裝在鋁型材框架上，該系統(tǒng)可以手調(diào)快速組裝。各組件的模塊化表明紙箱包裝機(jī)器人系統(tǒng)的可重構(gòu)性。

圖13 可控可重構(gòu)小型快遞紙箱包裝機(jī)Fig.13 Controllable and reconfigurable small express carton packing machine1.膠帶封裝裝置 2.5R手指折合裝置 3.旋轉(zhuǎn)裝置 4.對(duì)正調(diào)整裝置 5.底座支撐裝置

包裝機(jī)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由3部分組成。第1部分為機(jī)械裝置本體，包含5個(gè)基本模塊；第2部分為系統(tǒng)控制硬件部分，包括步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、控制器、運(yùn)動(dòng)控制卡及推桿電機(jī)等硬件控制系統(tǒng)；第3部分為人機(jī)交互軟件部分，即基于運(yùn)動(dòng)控制卡開發(fā)的系統(tǒng)控制程序，實(shí)驗(yàn)樣機(jī)如圖14所示。

圖14 包裝機(jī)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)Fig.14 Experimental prototype of packing machine

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)裝置最大有效工作空間為550 mm×450 mm×300 mm，能夠?qū)埾渫庑纬叽?40 mm×140 mm×180 mm～550 mm×450 mm×300 mm范圍的紙箱進(jìn)行封裝。選擇外形尺寸350 mm×190 mm×230 mm、320 mm×270 mm×270 mm、 250 mm×250 mm×250 mm 3種規(guī)格紙箱作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，實(shí)現(xiàn)了紙箱內(nèi)外搖蓋折合、一字封裝、紙箱旋轉(zhuǎn)、紙箱十字封裝動(dòng)作。兩組5R手指機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)手指位姿以實(shí)現(xiàn)不同運(yùn)動(dòng)軌跡，滿足不同規(guī)格紙箱外搖蓋的折合動(dòng)作。兩組退化手指機(jī)構(gòu)手工調(diào)節(jié)工作高度，以適應(yīng)不同高度紙箱的調(diào)節(jié)并壓緊內(nèi)搖蓋。四組手指機(jī)構(gòu)體現(xiàn)了該裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)的可重構(gòu)性。

5 結(jié)論

(1)選擇平面5R機(jī)構(gòu)，進(jìn)行構(gòu)型設(shè)計(jì)分析與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，通過工作空間的幾何特性分析，建立了變驅(qū)動(dòng)位置對(duì)稱型5R機(jī)構(gòu)的工作空間圖譜，便于尋找最優(yōu)工作空間，并提出了運(yùn)動(dòng)軌跡搜索機(jī)構(gòu)可達(dá)運(yùn)動(dòng)空間的方法，為構(gòu)型優(yōu)選設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供選擇依據(jù)。

(2)以折痕作為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，搖蓋面板作為連桿，建立了不同規(guī)格尺寸的紙箱模型。優(yōu)選了兩驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸線重合的5R機(jī)構(gòu)構(gòu)型，作為搖蓋折合的5R手指折合裝置。采用運(yùn)動(dòng)逆解求解方法，進(jìn)行搖蓋折合的運(yùn)動(dòng)軌跡仿真，跟蹤末端軌跡并反求5R手指裝置的2個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的角速度輸入曲線。設(shè)計(jì)了5R手指折合裝置，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其運(yùn)動(dòng)可控性。

(3)設(shè)計(jì)了可控可重構(gòu)手指式紙箱包裝機(jī)，經(jīng)紙箱封裝實(shí)驗(yàn)，可完成不同型號(hào)紙箱的折合、膠帶十字封裝工作。

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Lectotype Design and Experiment of Variable Actuated Layout 5R Parallel Kinematic Mechanism

HOU Zhili WU Wen’ge LI Ruiqin QIN Huibin

(SchoolofMechanicalandPowerEngineering，NorthUniversityofChina，Taiyuan030051，China)

Considering the packaging requirements of different sizes of customized cartons, the design method of variable actuated layout for 5R parallel kinematic mechanism was proposed. The kinematic analysis of 5R parallel mechanism was carried out, and different workspace maps were drawn by geometric method. A method of searching the reachable workspace through tracing the motion trajectory was proposed. These provided the basis for configuration application of the carton packaging mechanism. The folding process of carton cover was analyzed, and the 5R mechanism of the two actuated motors with coincident joint was selected as finger prototype to fold the flap. The motion parameters of actuated motors were extracted through the motion simulation, the fitted analytic function was input into the control program of finger mechanism. The experimental results verified that the expected motion trajectory of carton flap and finger mechanism had good controllability. Thus a reconfigurable carton packaging machine was developed to demonstrate the ability to erect different sizes of the cartons, which was different from the production line. By means of restructuring module structure and reconfiguration control program, the end effector was flexibility and controllable. The device had the characteristics of small space occupation and flexible control. It would be helpful for the delivery staff to improve the working efficiency and reduce the workload.

5R mechanism; variable actuated layout; workspace; controllable motion; reconfigurable carton packing machine

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.02.051

2016-10-28

2016-12-07

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51275486)

侯志利(1978—)，女，博士生，主要從事機(jī)構(gòu)與機(jī)器人設(shè)計(jì)及可重構(gòu)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)研究，E-mail： whitelily9988@163.com

李瑞琴(1964—)，女，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事機(jī)構(gòu)與機(jī)器人技術(shù)研究，E-mail： 1085223859@qq.com

TP24； TH112

A

1000-1298(2017)02-0378-07