姚志英，吳夢委,2，姚瀅瀅

（1.北京物資學院 物流學院，北京 101149；2.北京交通大學 機械于電子控制工程學院，北京 100044）

0 引言

隨著信息技術的發(fā)展，物流行業(yè)智能化程度越來越高，而行業(yè)對智能化提出了更高的要求，尤其是在物流生產(chǎn)過程中，對物流分揀速度和效率的要求越來越高。而影響物流分揀的最關鍵因素就是分揀執(zhí)行機構的效率。為此有關分揀機械手末端執(zhí)行器的研究成為一個熱點，大家都想方設法通過優(yōu)化末端執(zhí)行器的性能來提高其效率。目前國內外的學者在這方面已取得了一定階段性成果。鮑秀蘭和張磊等針對家禽靜膛操作空間小，操作要求靈活等特點，研究了三指三關節(jié)家禽自動靜膛末端執(zhí)行器。權龍哲和趙琳等為了實現(xiàn)同一機械手柔性抓取各種形狀果蔬的目標，設計了一種基于仿生原理的多功能蜓爪式末端執(zhí)行器。張建寶等應用氣動人工肌肉設計了一種結構簡單、運動靈活、柔性作業(yè)的多手指剛柔混聯(lián)的草莓采摘末端執(zhí)行器。徐麗明等基于欠驅動原理設計了一種雙V型手指臍橙采摘機器人末端執(zhí)行器，實現(xiàn)臍橙的無損傷采摘。張煒等針對穴盤移栽末端執(zhí)行器存在夾持角度不可調、結構負載等問題，設計了一種三指式移栽末端執(zhí)行器，通過理論仿真和實驗驗證了所設計的末端執(zhí)行器可以滿足移栽運動的要求。劉佳等設計了一種以驅動位移控制進行夾取力控制的柔性機械手，并以不同尺寸的草莓為夾取目標，對柔性機械手的夾取過程進行動力學研究，研究夾取力的變化規(guī)律，驗證了所研究的機械手可實現(xiàn)目標的無損快速抓取。張炳超等針對番木瓜采摘機械化程度低、作業(yè)復雜等特點，設計了基于欠驅動原理的番木瓜采摘末端執(zhí)行器。韓亮亮等針對中小型自移動空間機械臂在軌操作和“換位行走”的任務需求，研制了一種小型化、大容差、高剛度可靠連接的末端執(zhí)行器，并通過ADMAS建立虛擬樣機，通過對樣機進行實驗，驗證了設計的可行性及仿真的準確性。肖英奎等研究了具有三個旋轉關節(jié)自由度的采摘機械臂用于農(nóng)業(yè)果蔬采摘。邵鐵鋒等按照象鼻結構和運動仿生學原理，設計了一種象鼻型水果采摘機械手。事實上有關適合于不同場景、不同用途的機械手及末端執(zhí)行器的研究成果還有很多，但總體而言需要針對不同具體的應用及環(huán)境進行設計，沒有一種可以應用于不同工況環(huán)境、不同用途的標準型末端執(zhí)行器。

本文將研究一種適合于瓶裝類藥品自動分揀機械手的末端執(zhí)行器；首先針對瓶裝藥的特點設計了柔性末端執(zhí)行器，并構建了末端執(zhí)行器的電機模型，設計了末端執(zhí)行器的非光滑控制器，并進行了仿真實驗驗證，籍于此實現(xiàn)瓶裝類藥品的穩(wěn)定分揀。

1 瓶裝類藥品分揀末端執(zhí)行器設計

1.1 瓶裝藥分揀的影響因素分析

有關藥品分揀研究的文獻相對較少，僅有的幾篇文章也是針對盒裝藥品分揀的研究。事實上盒裝藥和瓶裝藥是截然不同的兩個分揀對象，眾所周知瓶裝藥比盒裝藥表面光滑，而且大部分情況下單瓶瓶裝藥比單盒盒裝藥的重量要重；同時瓶裝藥在分揀過程中必須要輕拿輕放，分揀過程瓶裝藥的振蕩幅度不能過大；此外在分揀抓取過程中，要求抓取設備必須不能因出現(xiàn)松懈打滑現(xiàn)象而導致瓶裝藥從抓取器中脫落。當然還有諸如藥瓶本身的抗壓能力、藥瓶的摩擦系數(shù)、瓶內藥物的重量等因素影響著瓶裝藥分揀末端執(zhí)行器的設計。

1.2 瓶裝藥分揀末端執(zhí)行器的設計

根據(jù)設計的結構和原理，機械手的末端執(zhí)行器一般分為機械夾持式、吸附式末端執(zhí)行器和特種工具三種類型，其中機械夾持式末端執(zhí)行器一般為兩指或多指手爪型；而吸附式末端執(zhí)行器一般適應于體積規(guī)則、重量輕的分揀場合；特種工具是即在特殊場合下使用的執(zhí)行器，如焊槍、噴嘴、電磨頭等。在充分考慮了瓶裝藥自身的特性、瓶裝藥分揀過程的工況環(huán)境以及分揀抓取過程特性，我們研究設計夾持式的末端執(zhí)行器，具體如圖1所示。其中仿生手指1是執(zhí)行瓶裝藥物抓取的執(zhí)行單元；主體壁2是保護仿生手指，阻止仿生手指在橫向方向的運動；銷軸3用于將仿生手指和連接桿相連，同時連接桿和滑動主體之間也通過銷軸相連；支架4是末端執(zhí)行器構件的支撐載體，也是末端執(zhí)行器與機械臂連接的載體；驅動電機5是末端執(zhí)行器縱向運動的驅動部件；頂蓋6是固定滑動主體縱向移動的部件，限定滑動主體縱向移動過程中最大行程；滑動主體7是末端執(zhí)行器縱向移動的部件，便于在實際使用中根據(jù)藥品的情況調整仿生手指的張度；連接桿8一端與仿生手指相連，一端與滑動主體相連；電機軸9一端連接電機，另一端連接滑動主體。

圖1 末端執(zhí)行器的結構示意圖

1.3 瓶裝藥分揀末端執(zhí)行器的運動分析

為了方便分析，根據(jù)末端執(zhí)行器的設計原理及結構，我們將模型簡化滑塊連桿結構，具體如圖2所示。其中1為電機輸出軸，2為滑動主體，3為連接桿，4為仿生手指，5為銷軸。根據(jù)圖2可知，活動構件數(shù)目為3，底副的數(shù)目為4，高副數(shù)目為0，故所設計末端執(zhí)行器機構的自由度為1，當電機輸出軸驅動滑動主體向上運動時，可實現(xiàn)手指的張開運動，當電機輸出軸驅動滑動主體向下運動時，可實現(xiàn)手指的閉合，這樣通過滑動主體的運動實現(xiàn)仿生手指的張開與閉合。

圖2 末端執(zhí)行器運動分析簡化模型

1.4 所研究瓶裝藥分揀末端執(zhí)行器的特點

1）所設計的末端執(zhí)行器屬于指尖抓取器，利用三個指尖進行抓取，為了保證在抓取過程中減少藥品的振蕩，所設計的手指成爪型，且手指關節(jié)不能進行運動，這樣保證抓取中手指形狀穩(wěn)定不變，在一定程度上避免了抓取過程中振蕩；

2）為了避免在抓取過程中指尖和瓶體之間出現(xiàn)松動打滑的現(xiàn)象，在手指的表面增加了一層橡膠顆粒材料，通過橡膠顆粒來增加手指的摩擦系數(shù)，增大手指和瓶體間的摩擦力。

3）為了控制手指的張度和保證在抓取過程中手指張度的穩(wěn)定性，采取了通過銷軸死鎖和頂蓋限制的方式，確保在抓取過程手指的張度不變。

4）所設計的末端執(zhí)行器可抓取實現(xiàn)不同直徑瓶裝藥的柔性抓取，我們通過ADAMS軟件研究仿生手指的抓取軌跡，如圖3所示，由圖3可知所設計的末端執(zhí)行器可以抓取直徑為74毫米到145毫米的藥瓶。

圖3 瓶裝藥分揀末端執(zhí)行器

5）所設計的末端執(zhí)行器可對不同重量的瓶裝藥實現(xiàn)柔性抓取。按照直徑為90毫米、容量為100毫升、玻璃材質的藥瓶，設液體的密度與水的密度相當，那么裝滿藥的藥瓶總重量約為1.5千克，通過ADAMS構建了圖4所示的末端執(zhí)行器抓取力學仿真模型，然后通過不斷調節(jié)電機轉速來控輸出軸的位移，進而控制手指的夾取力，畫出手指接觸點的力曲線如圖5所示。由圖可知指尖接觸最大可達40N，而測試對象的重量為14.7N，仿生手指完全可以實現(xiàn)對測試對象的抓取，同時佐證了手指可以抓取重量為40N內的瓶裝藥。

圖4 模型執(zhí)行抓取力學模型

2 瓶裝類藥品分揀末端執(zhí)行器控制

瓶裝藥瓶分揀末端執(zhí)行器的控制主要圖5手指接觸點的力曲線是對仿生手指的控制。根據(jù)本文前面的研究可知，仿生手指的控制采取電機控制，因此本部分內容主要是電機控制，擬以非光滑控制理論為基礎，設計一種快速穩(wěn)定的非光滑控制器進行電機的控制。

圖5 手指接觸點的力曲線

2.1 末端執(zhí)行器的電機

根據(jù)本文的研究對象，結合直線直流電機運行效率高、控制方式簡單靈活、可與閉環(huán)控制系統(tǒng)組合實現(xiàn)位移、速度和加速度的精確控制等特點，我們選擇了永磁式直線直流電機，電機的型號為AUM2-S4，電機的部分參數(shù)如表1所示；通過計算，直線電機的最大推力45N，持續(xù)推力為29.4N，完全滿足本文所研究末端執(zhí)行器的負載要求。

表1 電機的部分參數(shù)

2.2 電機的數(shù)學模型

根據(jù)電機的電壓方程和機械動力方程，得到如公式1所示的電機二階控制模型，其中Ce為電機電勢系數(shù)，Tm為機械時間常數(shù)，Ta為電氣時間常數(shù)。結合所選擇電機的使用手冊和參考文獻[14]中相關內容，電機的數(shù)學模型為式(2)。

2.3 電機非光滑控制器

與線性控制技術和非線性控制技術相比，非光滑控制技術具有無可比擬的快速性、穩(wěn)定性和強擾動抑制性，為此在課題組前期相關研究成果的基礎上，結合電機的控制模型，我們設計如圖6所示的電機非光滑控制器，由圖可知電機非光滑控制器由非光滑PID控制器和非光滑負反饋控制器組成。其中非光滑PID控制器的數(shù)學表達式為式(3)，式中kp為比例系數(shù)，kd為微分系數(shù)，0＜2αp+1=np/mp＜1，np為奇數(shù)，mp為正數(shù)，np與mp為互質數(shù)，0＜αd＜1；非光滑負反饋控制器的表達式為公式(4)，式中kf1和kf2為反饋系數(shù)，y為電機的輸出可測量,0＜2α1f+1=n1f/m1f＜1,n1f為奇數(shù)，m1f為正數(shù)，n1f與m1f為互質數(shù)，0＜αf＜1。

圖6 電機非光滑控制器

應用MATLAB構建的末端執(zhí)行器電器非光滑控制器仿真模型，進行性能測試，并比較其與線性PID控制器對階躍信號的響應結果，其結果如圖7所示，性能如表2所示，測試過程中各個參數(shù)值如表3所示。由測試可得所設計的非光滑PID控制器具有較好的控制性能，可實現(xiàn)末端執(zhí)行器的快速穩(wěn)定控制。

表2 非光滑PID控制器的性能

表3 各個參數(shù)值

由于在實際使用過程中，末端執(zhí)行器易受到外界干擾的影響，通過進一步研究，將擾動分為兩種類型，一種擾動為常值擾動，在分揀過程中由分揀傳輸帶的振動等原因所引起的擾動，在某一時段內持續(xù)存在，我們將其近似為常值擾動；另一種擾動為隨機擾動，這種擾動是在分揀過程中隨機出現(xiàn)的一些白噪聲擾動。為了進一步驗證所研究的非光滑控制器的擾動抑制能力，我們分別將式(5)所示的常值擾動和圖8所示的隨機擾動疊加到控制器的輸入中，檢驗其擾動抑制性能，其結果分別如圖9和圖10所示，由圖9可知對于常值擾動非光滑PID控制器的擾動抑制率可到92%，而線性PID控制器的擾動抑制率接近92%；由圖10可知所研究的非光滑PID控制器對隨機擾動抑制率可達95%以上，而普通PID控制器對隨機擾動抑制率低于90%?？傊枪饣琍ID控制器具有較好的擾動抑制率。

圖7 階躍響應

圖8 隨機擾動

圖9 常值擾動下的階躍響應

圖10 隨機擾動下不同控制器的階躍響應

通過上述研究可知，所設計的末端執(zhí)行器非光滑PID控制器具有響應時間快、擾動抑制率高等特點，可以很好地實現(xiàn)對瓶裝藥分揀末端執(zhí)行器的快速穩(wěn)定控制。

3 結論

本文針為瓶裝藥自動分揀生產(chǎn)線研究了一種末端抓取執(zhí)行器。在分析影響瓶裝藥分揀因素的基礎上，設計了一種仿生手指型夾持式的瓶裝藥瓶抓取末端執(zhí)行器；分析了末端執(zhí)行器的運動和特征，研究證實這種執(zhí)行器可實現(xiàn)直徑74mm～145mm、重量在40N以內瓶裝藥的柔性抓取，從機械特性保證了藥瓶抓取過程的末端執(zhí)行器的穩(wěn)定性；研究了末端執(zhí)行器的非光滑控制；在選擇控制電機的基礎上，研究了電機的數(shù)學模型；基于非光滑控制理論設計了模型執(zhí)行器非光滑PID控制器，并通過MATLAB仿真，比較了非光滑PID控制器和線性PID控制器的性能以及對藥瓶抓取過程中不同擾動的抑制情況，驗證了非光滑PID控制器可實現(xiàn)末端執(zhí)行器的快速、穩(wěn)定控制，并可以很好地抑制藥瓶抓取過程中各種擾動。