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(佳木斯大學a.機械工程學院,b.材料科學與工程學院，黑龍江 佳木斯 154007)

0 引 言

自1989年起，美國ATI公司就開始對機器人工具切換裝置的研究。ATI公司生產(chǎn)的機器人工具切換裝置的動力源主要為氣動，也有部分使用液壓及電力作為動力。其生產(chǎn)的大部分切換裝置對接頭為圓形，主要通過鋼珠與凹槽的配合來實現(xiàn)機器人工具的安裝定位[1～2]。

德國Schunk公司是一家專門生產(chǎn)氣動夾具的公司，其產(chǎn)品主要有機器人工件夾緊裝置及自動抓取系統(tǒng)[2]。Schunk公司生產(chǎn)的工具快換裝置的自動鎖緊機構(gòu)并不使用彈簧鎖緊，使用壓縮空氣作為動力[3]。

湖北大工機電有限公司設(shè)計出一種機器人與工具間自動切換的裝置，主要利用活塞將氣壓動力轉(zhuǎn)換為直線移動，活塞末端的斜面與對接球接觸，推動對接球進入對接槽，完成工具對接[4]。

哈爾濱工業(yè)大學提出了一種遙控焊接機器人作業(yè)工具快速更換技術(shù)，主要采用氣壓傳動和機械鎖緊的方法，整個裝置結(jié)構(gòu)緊湊，滿足應用在遙控焊接機器人的工作環(huán)境中[5]。

針對目前的3P3R工業(yè)機器人負載較輕，但對于加工精度要求較低的要求，需要設(shè)計一種重量較輕，滿足當前3P3R機器人工作需要的機器人工具切換裝置。

1 工具切換裝置的技術(shù)難點

設(shè)計機器人工具切換裝置主要需要考慮機器人的定位精度是否符合工具切換裝置的要求，保證機器人運行過程中工具的穩(wěn)定性，使機器人在進行工具切換時能夠快速、準確、安全。在3P3R機器人工具切換裝置的設(shè)計過程中，主要的技術(shù)難點有以下幾個：

確定機器人的重復定位精度。設(shè)計機器人工具切換裝置首先需要確定機器人的重復定位精度，進一步確定工具切換裝置的對接精度。

機器人定位誤差的修正。由于機器人本身具有一定的定位誤差，因此需要在進行工具切換之前進行機器人定位誤差的修正，矯正由于機器人在移動過程中產(chǎn)生的位置、姿態(tài)誤差，增加機器人工具切換的成功率，提高工作效率，保障機器人運行安全。

驅(qū)動力選擇。機器人工具切換裝置在對接和松開時需要外部驅(qū)動力，常用的驅(qū)動有電力驅(qū)動、液壓驅(qū)動及氣動。在實際應用時需要考慮到機器人的工作條件以及負載的大小，選擇合適的驅(qū)動力。

鎖緊機構(gòu)的選擇。在機器人工具切換裝置的設(shè)計過程中，最主要的部分是機器人工具切換裝置鎖緊機構(gòu)的選擇。工具切換裝置需要在已知的工作條件下選擇符合機器工作條件及可靠性要求的鎖緊機構(gòu)，實現(xiàn)工具切換的快速、高效、穩(wěn)定和安全的要求。

針對當前工業(yè)機器人設(shè)計合適的機器人工具切換裝置，需要考慮到當前機器人負載問題。由于3P3R機器人主要用于教學用途，機器人負載較低，且重復定位精度有限，因此需要綜合考慮成本、機器人負載、實現(xiàn)效果等問題。

2 工具切換裝置方案設(shè)計

針對當前設(shè)計要求的3P3R機器人負載能力較低的情況，需要將工具切換裝置的結(jié)構(gòu)盡量簡化，以減輕工具切換裝置的質(zhì)量，提高機器人負載能力。為了符合當前3P3R機器人的使用要求，機器人工具切換裝置采用全移動副平面機構(gòu)。由于當前3P3R機器人負載能力較低，且末端負載較輕，因此動力源采用氣壓驅(qū)動。目前常用的機器人工具鎖緊機構(gòu)在目前主要分為鋼球式鎖緊、凸輪式鎖緊、卡盤式鎖緊、活塞插銷式鎖緊和膨脹式鎖緊等，在3P3R機器人工具切換裝置中采用膨脹式鎖緊。

3 工具切換裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

工具切換裝置機械設(shè)計主要通過Creo2.0軟件進行設(shè)計。工具切換裝置主要動力為氣壓驅(qū)動。如圖1所示，其主要部件包括固定片、頂蓋、固定套筒、殼體、推塊、推桿、活塞、殼體、法蘭蓋。能夠承受預定負載，機器人符合重復定位精度要求，動力源穩(wěn)定。

圖1 工具切換裝置1

1.固定套筒 2.固定片 3.密封蓋

4.推桿 5.推塊 6.殼體 7.活塞 8.法蘭蓋

圖2 工具切換裝置2

如圖2所示，當推塊(5)伸入固定套筒(1)內(nèi)時，活塞(7)推動推桿(4)從而推出推塊(5)，使推塊(5)卡緊在固定套筒中的凹槽內(nèi)，從而拾起工具。當活塞(7)拉動推桿(4)時，推桿(4)帶動推塊(4)向中心聚攏，使推塊松開固定套筒(1)，從而放下工具。

4 工具切換裝置控制系統(tǒng)設(shè)計

機器人工具切換裝置控制系統(tǒng)主要由硬件部分和軟件部分組成。系統(tǒng)框圖如圖3所示。

4.1 硬件部分設(shè)計

硬件部分主要由90C516RD+單片機、繼電器模塊、光電隔離模塊、串口通信模塊和電源模塊組成。光電隔離模塊采用PC817芯片，將控制系統(tǒng)的弱電與執(zhí)行系統(tǒng)的強電隔離，保護控制系統(tǒng)。光電隔離模塊如圖4所示。

串口通信模塊采用CH340芯片，上位機通過串口通信模塊與單片機進行通信。串口通信模塊電路如圖5所示。

圖3 系統(tǒng)框圖

繼電器模塊采用兩路5V繼電器模塊，由單片機發(fā)出的低電壓低電流電路控制電磁換向閥所在的高電壓高電流電路。繼電器電路如圖6所示。

使用90C516RD+單片機作為控制芯片，通過串口通信模塊接收上位機發(fā)送的指令，經(jīng)過光電隔離模塊控制繼電器，進而控制電磁閥的動作位置，從而實現(xiàn)機器人末端工具的安裝及釋放。

誤差修正控制程序與單片機創(chuàng)建專用的通信協(xié)議，將指令發(fā)送給單片機。單片機負責接收誤差修正控制程序發(fā)送的指令，再根據(jù)接收到的指令控制繼電器模塊，進而控制電磁換向閥動作。

圖4 光電隔離模塊電路

圖5 串口通信模塊電路

圖6 繼電器電路

4.2 軟件部分設(shè)計

軟件部分主要為機器人誤差修正程序。誤差修正控制程序采用OpenCV開源計算機視覺庫，其修正過程是控制機器人在一個固定的位置對基準棋盤格進行捕捉，得到當前機器人相對于棋盤格的位置與姿態(tài)。將得到的機器人當前位置姿態(tài)與標定得到的機器人位置姿態(tài)進行對比，得到機器人的位置姿態(tài)修正量，將修正量發(fā)送給機器人控制系統(tǒng)。在進行姿態(tài)修正后再次捕捉棋盤格，直到機器人距離標定位置在誤差允許范圍內(nèi)。誤差修正程序界面如圖7所示。

機器人在進行工具切換前要達到指定位置，攝像頭開啟。在確認進行視覺修正后，誤差修正系統(tǒng)啟動圖像捕捉功能、坐標計算功能，得到機器人相對于棋盤格的位置，執(zhí)行誤差修正程序。程序調(diào)試完成后，可將誤差修正程序集成到3P3R機器人運動控制系統(tǒng)中。

圖7 誤差修正控制程序界面

5 結(jié) 論

為了能夠顯著提高機器人工作能力及工具切換效率，提出了一種機器人工具切換裝置的方案，主要應用于當前3P3R機器人的工具切換過程。該方案設(shè)計合理，符合設(shè)計要求，充分考慮了該工具切換裝置的使用環(huán)境，3P3R機器人工具切換裝置使用的8051單片機控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定，功能符合設(shè)計要求，也是工業(yè)中經(jīng)常使用的控制芯片。3P3R機器人誤差修正使用的OpenCV可以看出，該誤差修正方法隸屬于視覺識別范疇，對于視覺識別有一定的意義。

參考文獻:

[1] ATI. Robust Chager for Robotic Spot Welding[J].Automotive Manufacturing&Producting,2000.

[2] 袁華. 德國雄克公司—精密夾具和自動抓取系統(tǒng)的生產(chǎn)者[J].制造技術(shù)與機床,1998,9.

[3] Gyimothy D,Toth A. Experimental Evaluation of A Novel Automatic Service Robot Tool Changer[J].2011,32(14):1045-1051.

[4] 于大志.一種工業(yè)機器人與工具間自動切換的裝置[P].中國: 2011200036170,2011,08.

[5] 陳有權(quán),高洪明,董娜，等.焊接遙控機器人作業(yè)工具快速更換技術(shù)[J],焊接學報,2009,30:39-42.