袁 明 （沈陽新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司，遼寧 沈陽 110168）

輕載復(fù)合機(jī)器人是AGV自動(dòng)導(dǎo)引車和柔性機(jī)械臂的融合體，在外觀上突破傳統(tǒng)機(jī)器設(shè)計(jì)概念，整體采用蝎形設(shè)計(jì)，為了突出七軸機(jī)械臂的機(jī)動(dòng)靈活的特點(diǎn)，車體布局結(jié)構(gòu)緊湊，外形設(shè)計(jì)柔和而堅(jiān)實(shí)給人以靈敏，迅捷的感受突出了復(fù)合機(jī)器人迅捷、精準(zhǔn)的工作模式?？刂粕喜捎肁GV控制調(diào)度系統(tǒng)集中控制的方式，根據(jù)流程通知復(fù)合機(jī)器人到達(dá)指定站點(diǎn)隨后實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂執(zhí)行指定動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)了完整的自動(dòng)化流程。由激光導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)自動(dòng)行走，在保證了行走穩(wěn)定的同時(shí)，又提高了速度和控制精度?；陉P(guān)節(jié)力控技術(shù)的機(jī)械臂具有出色的牽引示教功能以及多機(jī)協(xié)調(diào)作業(yè)功能，極大地方便了客戶使用，同時(shí)，輕載復(fù)合機(jī)器人具備激光防碰與關(guān)節(jié)力控機(jī)械臂碰撞檢測(cè)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與人之間安全、可靠的協(xié)同工作，機(jī)械手末端配有手眼視覺系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人高精度二次定位抓取。

1 復(fù)合機(jī)器人的整體概述

機(jī)體主要由AGV車載控制器、AGV伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、AGV導(dǎo)航定位系統(tǒng)、柔性7軸機(jī)械臂、安全系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、AGV通訊系統(tǒng)和手動(dòng)維護(hù)系統(tǒng)等部分構(gòu)成。在系統(tǒng)中，各個(gè)子系統(tǒng)與車載控制器的連接通過CAN總線的方式交換信息，既減少了AGV的線束，又便于系統(tǒng)的維護(hù)，同時(shí)系統(tǒng)可以很方便地進(jìn)行裁減。各部分也都采有模塊化設(shè)計(jì)，便于維修及更換。無需用戶外接任何控制柜即可實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合機(jī)器人的行走以及抓取共9個(gè)自由度的協(xié)同控制。

復(fù)合機(jī)器人可以協(xié)調(diào)運(yùn)行，完成整個(gè)工序的產(chǎn)品運(yùn)輸工作。復(fù)合機(jī)器人采用差動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)，隨動(dòng)輪支撐，所有輪子外層使用樹脂橡膠材料制作，強(qiáng)度高、耐磨損、穩(wěn)定性高，具有一定的彈性等優(yōu)點(diǎn)。驅(qū)動(dòng)輪需具有浮動(dòng)功能，具備一定的路面面差能力，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)輪采用集成模塊化處理，驅(qū)動(dòng)輪使用安裝于車體左右兩側(cè)對(duì)稱布置，使之集成行駛單元，可滿足整車的行駛及轉(zhuǎn)向功能。保證AGV小車在運(yùn)行過程中行駛平穩(wěn)，不會(huì)對(duì)車間地面造成損傷。便于使用和維護(hù)；激光導(dǎo)引，具備前進(jìn)后退和±180°轉(zhuǎn)彎等功能，滿足工位間交替、工件直線運(yùn)行、分叉至支線運(yùn)行等要求。復(fù)合機(jī)器人正常運(yùn)行時(shí)，按照中央調(diào)度系統(tǒng)的預(yù)設(shè)路線運(yùn)行。運(yùn)行指令可由各工位操作者通過呼叫按鈕發(fā)出。正常運(yùn)行時(shí)，按照中央調(diào)度系統(tǒng)的預(yù)設(shè)路線運(yùn)行。運(yùn)行指令由各工位操作者通過呼叫按鈕發(fā)出。此外機(jī)器人具備離線控制行進(jìn)功能，方便人工應(yīng)對(duì)AGV小車路線調(diào)整和故障維修。如圖1所示。

此款復(fù)合機(jī)器人采用激光導(dǎo)航，地面無任何誘導(dǎo)線，現(xiàn)場(chǎng)施工量很小，可比較靈活地改變路徑，使系統(tǒng)的柔性更大。AGV使用專用激光測(cè)量傳感器，該傳感器使用紅外波段，低能量脈沖式激光，且不使用傳統(tǒng)的點(diǎn)式光源的光路，激光的光路發(fā)散，可保證在任何情況下均不會(huì)對(duì)人眼造成傷害，該傳感器使用“測(cè)距＋測(cè)角”的測(cè)量算法，使用專用處理器計(jì)算位置信息，即保證了系統(tǒng)的測(cè)量速度，又提高了測(cè)量的可性和精度，位置測(cè)量精度最高可達(dá)3mm，角度精度為0.1°，可充分保證AGV的控制精度。采用激光導(dǎo)航的方法，反光板是其中的主要構(gòu)成元素，反光板由平面反光膜或圓柱形反光膜構(gòu)成，安裝在專用型材支架上。在使用過程中用其中的一臺(tái)AGV來測(cè)量反光板的位置，其他的AGV通過上傳和下裝的辦法來獲得反光板的位置信息，也稱做AGV的地圖。與AGV相一致，控制系統(tǒng)也有一張帶有全部反光板位置的場(chǎng)地布置圖—地圖。當(dāng)某個(gè)特定的路徑被選擇時(shí)，調(diào)度系統(tǒng)通知AGV，AGV在自身的控制系統(tǒng)里也有地圖的信息。然后AGV將跟隨這個(gè)選定的路徑運(yùn)行，并知道它沿著該路徑的絕對(duì)坐標(biāo)，這個(gè)路徑也叫虛擬路徑。為了消除系統(tǒng)的測(cè)量誤差，經(jīng)過多次測(cè)量后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)計(jì)算反光板的誤差方程，得出最優(yōu)的反光板位置坐標(biāo)。激光導(dǎo)航是一個(gè)位置的閉環(huán)，通過導(dǎo)航系統(tǒng)，AGV車實(shí)現(xiàn)修正自己的位置，可保證每臺(tái)小車到達(dá)目的地后的定位準(zhǔn)確率達(dá)100%。復(fù)合機(jī)器人激光導(dǎo)航和反光板位置圖見圖2。

圖1 復(fù)合機(jī)器人整體外形

圖2 復(fù)合機(jī)器人激光導(dǎo)航和反光板位置圖

在復(fù)合機(jī)器人的前部和后部分別安裝有激光防碰傳感器，傳感器設(shè)置為兩個(gè)區(qū)域，一個(gè)是減速區(qū)，一個(gè)是停車區(qū)。當(dāng)傳感器減速區(qū)被激活時(shí)，首先機(jī)器人減速直至停車，當(dāng)障礙離開后，機(jī)器人可自動(dòng)恢復(fù)運(yùn)行。當(dāng)傳感器停車區(qū)被激活時(shí)，AGV車立即急停，此時(shí)需人工按到AGV車的復(fù)位按鈕后，AGV車才能恢復(fù)運(yùn)行。減速區(qū)與停車區(qū)可在4米半徑內(nèi)，180度角度內(nèi)任意設(shè)置。急停距離小于200mm。在復(fù)合機(jī)器人后面板及左右兩側(cè)設(shè)有緊急停車按鈕，當(dāng)緊急情況按下后，復(fù)合機(jī)器人立即急停。并且后側(cè)設(shè)置轉(zhuǎn)向指示燈，前部設(shè)有運(yùn)行指示燈，并具備聲光報(bào)警功能。激光導(dǎo)航傳感器見圖3。

復(fù)合機(jī)器人設(shè)有軟件保護(hù)，當(dāng)發(fā)生導(dǎo)航故障（導(dǎo)航丟失或偏離過大）、通訊故障、伺服故障等，軟件立即停車。一旦計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)生故障，離線保護(hù)單元、防撞安全單元、應(yīng)急開關(guān)將控制AGV停車或完成基本操作。當(dāng)發(fā)生故障或急停時(shí)，復(fù)合機(jī)器人自動(dòng)用聲光報(bào)警。同時(shí)通過無線通訊系統(tǒng)通知監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)在控制臺(tái)上顯示當(dāng)前狀態(tài)和文字提示。監(jiān)控人員可以根據(jù)提示的信息，指揮現(xiàn)場(chǎng)人員排除故障。發(fā)生故障的復(fù)合機(jī)器人可以使用手控操作器操縱它離開工作區(qū)到安全位置。激光防碰示意圖見圖4。

圖3 激光導(dǎo)航傳感器

圖4 激光防碰示意圖

復(fù)合機(jī)器人使用鋰電池充電電池作為供電電源，使用專用的充電站停車進(jìn)行自動(dòng)在線充電，補(bǔ)充損失的電量。在機(jī)器人路線的充電位置上安裝有地面充電連接器，機(jī)器人車體裝有與之配套的充電連接器，復(fù)合機(jī)器人運(yùn)行到充電位置后，充電連接器與地面充電接器的充電滑觸板連接。整個(gè)充電過程是全自動(dòng)的，整個(gè)過程無需人工干預(yù)，充電過程中，操作者可正常作業(yè)系統(tǒng)中使用受AGV控制臺(tái)監(jiān)控的自動(dòng)充電機(jī)對(duì)復(fù)合機(jī)器人進(jìn)行充電，當(dāng)復(fù)合機(jī)器人的電池電壓沒有通過充電連接器傳送給充電機(jī)時(shí)，充電機(jī)不會(huì)向外輸出電壓，可確保在地面的充電連接器在非充電狀態(tài)時(shí)，極板不帶任何電壓。

充電機(jī)單獨(dú)進(jìn)行控制，通過相應(yīng)的觸摸屏實(shí)現(xiàn)參數(shù)的設(shè)定和狀態(tài)信息（如電量等）顯示，并且有快速充電模式、均衡充電模式、自動(dòng)化模式等可供選擇，可與AGV管理系統(tǒng)通信。復(fù)合機(jī)器人具有電量智能檢測(cè)功能，在電池電量低于某一值（用戶自定義）時(shí)自動(dòng)進(jìn)行在線充電，電量充至某一值（用戶自定義）以上后，如有臺(tái)位呼叫，可隨時(shí)停止充電進(jìn)入工作狀態(tài)。

2 復(fù)合機(jī)器人機(jī)械臂傾覆計(jì)算

為了保證復(fù)合機(jī)器人取料時(shí)平穩(wěn)不傾覆，設(shè)計(jì)時(shí)針對(duì)傾覆做了專門計(jì)算，圖5為在機(jī)械臂達(dá)到極限位時(shí)的傾覆計(jì)算。

圖5 復(fù)合機(jī)器人傾覆計(jì)算分析圖

經(jīng)機(jī)械臂末端加取貨最大重量F1=210N距離隨動(dòng)輪支點(diǎn)960mm，F(xiàn)2為機(jī)械臂的重心為F2=200N距離隨動(dòng)輪支點(diǎn)480mm，車體重心G距離隨動(dòng)輪支點(diǎn)距離370mm。

假設(shè)車體自重為G，要想車體保持平衡：Ma（G）＞Ma（F1）+Ma（F2）

再乘以一個(gè)安全系數(shù)：Gmin＞G*1.2 Gmin＞980N

3 結(jié)束語

隨著輕載復(fù)合機(jī)器人在工博會(huì)和物流展上的首發(fā)亮相，這種像人一樣到某特定場(chǎng)所進(jìn)行高精度拿放物品，可快速布局于自動(dòng)化工廠、倉儲(chǔ)分揀、自動(dòng)化貨物超市，實(shí)現(xiàn)物料自動(dòng)搬運(yùn)、物品上下料、物料分揀機(jī)器人產(chǎn)品，將會(huì)朝著有更先進(jìn)性、實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性、安全性、可靠性、大承載能力等方向快步應(yīng)用與發(fā)展。

[1]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第一卷）[S].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[2]濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：高等教育出版社，2006.