曹中浩，劉劍，劉俊辰，李希文，張輝，曹毅

(江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 江蘇 無錫 214122)

0 引言

隨著物流分揀技術(shù)要求愈來愈高，傳統(tǒng)的物流分揀機(jī)器人漸漸不能滿足現(xiàn)代分揀工作需求，設(shè)計(jì)研發(fā)具有新型物流分揀功能的機(jī)器人將成為發(fā)展方向[1-2]。其核心內(nèi)容就是分揀機(jī)器人機(jī)構(gòu)本身的設(shè)計(jì)。

目前，機(jī)器人機(jī)構(gòu)主要有串聯(lián)機(jī)構(gòu)、并聯(lián)機(jī)構(gòu)和混聯(lián)機(jī)構(gòu)三大類。其中，串聯(lián)機(jī)器人工作空間大，結(jié)構(gòu)簡單，但不適用于要求高速度、高準(zhǔn)確度的工作環(huán)境。并聯(lián)機(jī)構(gòu)在應(yīng)用上彌補(bǔ)了串聯(lián)機(jī)構(gòu)的不足，但由于并聯(lián)機(jī)構(gòu)工作空間小，不能廣泛應(yīng)用?；炻?lián)機(jī)構(gòu)可避免串、并聯(lián)機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)，同時又能綜合它們各自的優(yōu)點(diǎn)，具有實(shí)用意義[3]。劉辛軍[4]提出了五軸聯(lián)動混聯(lián)銑床的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用并通過理論研究及應(yīng)用試驗(yàn)促進(jìn)了少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的應(yīng)用發(fā)展。夏紅梅[5]提出一種由1R2P串聯(lián)機(jī)構(gòu)和球面2自由度冗余驅(qū)動并聯(lián)機(jī)構(gòu)串聯(lián)組成的混聯(lián)構(gòu)型方案用于菠蘿采摘。高峰[6]將混聯(lián)機(jī)構(gòu)應(yīng)用于四足機(jī)器人的構(gòu)型設(shè)計(jì)，為四足混聯(lián)腿機(jī)構(gòu)機(jī)器人的后續(xù)研究奠定理論基礎(chǔ)。沈惠平[7]針對大型扁平型立方體工件的噴涂工藝特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種控制解耦性很好的五軸混聯(lián)噴涂機(jī)器人。相關(guān)的混聯(lián)機(jī)構(gòu)還包括其他構(gòu)型設(shè)計(jì)及應(yīng)用[8-13]。

隨著我國物流產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的低成本物流分揀機(jī)器人產(chǎn)品己成為我國機(jī)器人領(lǐng)域亟待解決的問題。本項(xiàng)目致力于設(shè)計(jì)和研發(fā)基于混聯(lián)機(jī)構(gòu)的新型物流分揀機(jī)器人機(jī)構(gòu)，兼具并聯(lián)機(jī)器人和串聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。針對快遞等行業(yè)物流分揀實(shí)現(xiàn)自動化、高效率的研發(fā)需求，研制出具有創(chuàng)新型的分揀機(jī)器人機(jī)構(gòu)，可降低工人的勞動強(qiáng)度，提高效率。該項(xiàng)目側(cè)重于基于混聯(lián)機(jī)構(gòu)的物流分揀機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對相關(guān)混聯(lián)機(jī)構(gòu)的研究具有參考意義。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

所設(shè)計(jì)的基于混聯(lián)機(jī)構(gòu)的新型物流分揀機(jī)器人機(jī)構(gòu)構(gòu)型如圖1所示，該混聯(lián)機(jī)構(gòu)由三自由度的并聯(lián)機(jī)構(gòu)(3T)和二自由度的串聯(lián)機(jī)構(gòu)(2R)組成，其末端運(yùn)動輸出為三移動兩轉(zhuǎn)動。機(jī)械手為螺紋連接，可拆卸，替換不同規(guī)格的機(jī)械手，適用于多種類物品的分揀。滾珠絲杠用于自鎖，防止裝置因重力作用導(dǎo)致下滑。傾斜桿14可繞水平桿13滑動，使機(jī)械手沿x軸方向運(yùn)動；斜桿12可帶動機(jī)械手沿y軸方向運(yùn)動；x,y軸方向桿件均可沿螺紋桿9上下運(yùn)動，即帶動機(jī)械手沿z軸方向運(yùn)動；連接副將軸承與橫桿7以下部分相連接，使機(jī)械手繞軸承轉(zhuǎn)動，即繞y軸轉(zhuǎn)動；同時，整個裝置懸掛在固定圓桿3上，可繞固定圓桿轉(zhuǎn)動，帶動機(jī)械手繞x軸方向轉(zhuǎn)動，即三移兩轉(zhuǎn)運(yùn)動。

1—底板；2—支架；3—固定圓桿； 4—豎桿；5—滾動軸承；6—轉(zhuǎn)動桿；7—橫桿；8—連接副；9—螺紋桿；10—方桿；11—滾珠絲杠；12—斜桿；13—水平桿；14—傾斜桿；15—機(jī)械手圖1 混聯(lián)機(jī)構(gòu)構(gòu)型圖

2 自由度分析

為進(jìn)行自由度約束分析，對該機(jī)構(gòu)進(jìn)行簡化，其空間機(jī)構(gòu)簡圖如圖2所示。

圖2 混聯(lián)機(jī)構(gòu)空間機(jī)構(gòu)圖

由于該裝置的空間結(jié)構(gòu)具有對稱性，故其空間自由度的計(jì)算僅以右半部分為例即可。該機(jī)構(gòu)中，固定桿件為x軸方向橫桿，套筒A可以在固定圓桿上繞x軸轉(zhuǎn)動，具有5個約束；套筒A與B通過滾動軸承相連，使得套筒B可繞y軸方向轉(zhuǎn)動，具有5個約束，套筒C可以沿z軸方向移動，具有5個約束；套筒D可以沿y軸方向運(yùn)動，具有5個約束；滑塊E沿桿在x軸方向運(yùn)動，具有5個約束。

空間機(jī)構(gòu)的自由度=所有活動構(gòu)件自由度-所有運(yùn)動副引入的約束數(shù)，其公式為:

F=6N-5P5-4P4-3P3-2P2-P1-K

其中：N為 活動構(gòu)件的個數(shù)，P5為具有5個約束的構(gòu)件個數(shù)，P4為具有4個約束的構(gòu)件個數(shù)，P3,P2,P1分別為具有3,2,1個約束的構(gòu)件個數(shù),K為虛約束的個數(shù)。其中機(jī)構(gòu)的組成部件個數(shù)為5，即N=5。

具有5個約束數(shù)的機(jī)構(gòu)為5，即P5=5；其余約束數(shù)的機(jī)構(gòu)為0，即P4=P3=P2=P1=0。

所以，該混聯(lián)機(jī)構(gòu)的自由度為：

F=6N-5P5-4P4-3P3-2P2-P1-K=

6×5-5×5-4×0-3×0-2×0-1×0-0=5

可以證得，該混聯(lián)機(jī)構(gòu)具有五自由度，三移動兩轉(zhuǎn)動。

3 空間運(yùn)動分析

該混聯(lián)機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)空間的三移兩轉(zhuǎn)運(yùn)動(圖3)，對其進(jìn)行動力學(xué)仿真，使用UG仿真軟件，在機(jī)構(gòu)的可運(yùn)動構(gòu)件上添加驅(qū)動，其余部分相對固定，分別得到機(jī)械手沿x,y,z軸移動和繞x,y軸轉(zhuǎn)動的位移、速度、加速度曲線。

圖3 混聯(lián)機(jī)構(gòu)三維模型

該裝置整體尺寸分別設(shè)計(jì)為：長為150cm,寬為120cm,高為150cm。

假設(shè)所分揀的物品長L=6cm,寬d=5cm,高h(yuǎn)=8cm，質(zhì)量m=0.5kg。

1) 機(jī)械手沿x方向移動，得出5s內(nèi)移動80cm的位移、速度、加速度曲線如圖4所示。

圖4 沿x方向位移、速度、加速度曲線

2) 沿y軸方向移動，得出5s內(nèi)移動80cm的位移、速度、加速度曲線如圖5所示。

圖5 沿y方向位移、速度、加速度曲線

3) 沿z軸方向移動，得出5s內(nèi)移動80cm的位移、速度、加速度曲線如圖6所示。

圖6 沿z方向位移、速度、加速度曲線

4) 繞x軸轉(zhuǎn)動，得出5s內(nèi)轉(zhuǎn)動90°的角位移、角速度、角加速度曲線如圖7所示。

圖7 繞x軸90°的角位移、角速度、角加速度

5) 繞y軸轉(zhuǎn)動，得出5s內(nèi)轉(zhuǎn)動50°的角位移、角速度、角加速度曲線如圖8所示。

圖8 繞y軸50°的角位移、角速度、角加速度

通過仿真，再次驗(yàn)證該機(jī)構(gòu)的輸出為三移動兩轉(zhuǎn)動。

4 結(jié)語

為解決現(xiàn)有分揀機(jī)構(gòu)精度不足效率較低等問題，提出了具有五自由度的混聯(lián)機(jī)構(gòu)，以物流分揀為載體，將該裝置應(yīng)用于物流行業(yè)，提高工作效率，降低工人勞動強(qiáng)度，具有實(shí)用意義和實(shí)際價值 。同時，本項(xiàng)目基于目前物流分揀機(jī)器人機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀提出了明確的研究目標(biāo)和具體的研究內(nèi)容，為混聯(lián)機(jī)器人應(yīng)用于人們的生產(chǎn)生活奠定了基礎(chǔ)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 王成林, 李琛, 賈美慧,等. 基于機(jī)器人的分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J]. 物流技術(shù)(裝備版), 2013(5):81-85.

[2] 李瑞峰, 郭萬金, 曹雛清. 新型五自由度混聯(lián)機(jī)器人及其動力學(xué)分析[J]. 華中科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2015(S1):32-36.

[3] 沈惠平，趙海彬，鄧嘉鳴，等. 基于自由度分配和方位特征集的混聯(lián)機(jī)器人機(jī)型設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用[J]. 機(jī)械工程學(xué)報, 2011, 47(23):56-64.

[4] 謝福貴, 汪勁松. 高靈活度五軸聯(lián)動混聯(lián)銑床的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用[J]. 機(jī)械工程學(xué)報, 2014(4):24-24.

[5] 夏紅梅, 王紅軍, 甄文斌. 菠蘿采摘混聯(lián)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與運(yùn)動學(xué)分析[J]. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù), 2013, 30(9):32-36.

[6] 田興華, 高峰, 陳先寶,等. 四足仿生機(jī)器人混聯(lián)腿構(gòu)型設(shè)計(jì)及比較[J]. 機(jī)械工程學(xué)報, 2013, 49(6):81-88.

[7] 李菊, 趙德安, 沈惠平,等. 多噴槍協(xié)同式噴涂五軸混聯(lián)機(jī)器人設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報, 2012, 43(4):216-220.

[8] 曾達(dá)幸，胡志濤，侯雨雷，等. 基于螺旋理論的兩轉(zhuǎn)一移解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu)型綜合[J]. 燕山大學(xué)學(xué)報, 2014(1):22-28.

[9] 李秦川, 柴馨雪, 陳巧紅, 等. 2-UPR-SPR并聯(lián)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)軸分析[J]. 機(jī)械工程學(xué)報, 2013, 21(21):62-69.

[10] H. T. Liu, T. Huang, D. G. Chetwynd, M. Li, S. J. Hu. Kinematic design of a 5-DoF hybrid robot with large workspace/limb-stroke ratio[J]. Journal of Mechanical Design, 2007, 129(5):530-537.

[11] H. K. Jung, C. D. Crane, R. G. Roberts. Stiffness mapping of compliant parallel mechanisms in a serial arrangement[J]. Mechanism & Machine Theory, 2008, 43(3):271-284.

[12] 葉偉，方躍法，郭盛，等. 基于運(yùn)動限定機(jī)構(gòu)的可重構(gòu)并聯(lián)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械工程學(xué)報, 2015(13):137-143.

[13] H. P. Shen, T. L. Yang, L. Z. Ma. Synthesis and structure analysis of kinematic structures of 6-DoF parallel robotic mechanisms [J]. Mechanism and Machine Theory, 2005, 40(10): 1164-1180.