吳剛

摘要：高速重載碼垛機(jī)器人具有人工碼垛所無法比擬的快速性、準(zhǔn)確性、持續(xù)性和一致性.隨著高速重載碼垛機(jī)器人在汽車、冶金、物流等行業(yè)的廣泛應(yīng)用，日益加快的工業(yè)生產(chǎn)節(jié)奏和不斷提高的碼垛質(zhì)量要求（如定位精度、堆放平穩(wěn)度等），對高速重載碼垛機(jī)器人的機(jī)構(gòu)優(yōu)化提出了更為苛刻的要求.針對高速重載碼垛機(jī)器人高速、高精度、大負(fù)載的工作特性，有必要從高速重載碼垛機(jī)器人的工作特性出發(fā)，對高速重載碼垛機(jī)器人的大小臂、腰部以及腕部等重要構(gòu)造進(jìn)行機(jī)構(gòu)優(yōu)化[1].

關(guān)鍵詞：高速重載;碼垛機(jī)器人;機(jī)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類號：TP242? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：1673-260X（2019）06-0072-02

1 引言

本文以高速重載碼垛機(jī)器人的工作特性為切入點(diǎn)，主要分析如何優(yōu)化高速重載碼垛機(jī)器人的的大小臂、腰部以及腕部等機(jī)構(gòu).通過機(jī)構(gòu)優(yōu)化減輕高速重載碼垛機(jī)器人本體的重量，使機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中更加平穩(wěn)，使機(jī)器人的柔性性能有所提高，更好地實(shí)現(xiàn)高速重載碼垛機(jī)器人能夠在低能耗、最優(yōu)化的基礎(chǔ)上，提高末端執(zhí)行機(jī)的操作速度，完成各種各樣具體操作任務(wù)的功能性運(yùn)動(dòng).

2 高速重載碼垛機(jī)器人的機(jī)構(gòu)優(yōu)化

本文針對高速重載碼垛機(jī)器人的機(jī)構(gòu)優(yōu)化，主要對其大臂和小臂、腰部以及腕部等組成部分來進(jìn)行優(yōu)化分析.高速重載碼垛機(jī)器人的簡化結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.底座是高速重載碼垛機(jī)器人的安裝固定部分，執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)裝置都安裝在底座上.大臂和小臂是執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的主要運(yùn)動(dòng)部件，用來支撐腕關(guān)節(jié)和手部，并使它們在工作空間內(nèi)運(yùn)動(dòng).腕部是聯(lián)結(jié)臂部與手部的部件，用于調(diào)整手部的方向和姿態(tài).

2.1 大臂和小臂優(yōu)化

高速重載碼垛機(jī)器人的重要組成部分之一是其機(jī)構(gòu)的大臂和小臂，高速重載碼垛機(jī)器人的剛度受其大臂和小臂的剛度決定，機(jī)構(gòu)整體的柔韌度受其大臂和小臂的柔韌度決定，因此高速重載碼垛機(jī)器人的大臂和小臂在很大程度上直接影響機(jī)器人的性能[2].大臂主要做前后的擺動(dòng)動(dòng)作，通過與腰部連接的電機(jī)實(shí)現(xiàn)，大臂的受力圖及彎矩圖如圖2所示.

大臂的橫截面為矩形.在優(yōu)化高速重載碼垛機(jī)器人的大臂后端部分時(shí)可以設(shè)置通孔，將其后端部分的通孔從后端機(jī)構(gòu)中導(dǎo)入，導(dǎo)入后就可以與其前端的連桿進(jìn)行連接，通過這樣的方法來減輕前端的受力程度，進(jìn)而維護(hù)機(jī)構(gòu)的剛度.機(jī)構(gòu)的大臂一面與腰部相連，一面與小臂相連.在與小臂的連接處舵機(jī)裝在大臂上，方便控制小臂的運(yùn)動(dòng).小臂的機(jī)構(gòu)相較于大臂稍簡單，兩端呈對稱機(jī)構(gòu)，機(jī)器人小臂的前段機(jī)構(gòu)變形不明顯，受力不大，后段機(jī)構(gòu)變形明顯，受力較大，小臂的受力圖及彎矩圖如圖3所示.在優(yōu)化高速重載碼垛機(jī)器人的小臂后端部分時(shí)，可以在機(jī)構(gòu)小臂的前端機(jī)構(gòu)部分設(shè)置通孔，再將其后端部分的通孔從前端機(jī)構(gòu)中導(dǎo)入，導(dǎo)入后保證與其后端機(jī)構(gòu)部分的連桿連接，以此種方法來減輕后端機(jī)構(gòu)部分的受力程度，進(jìn)而維護(hù)機(jī)構(gòu)的剛度[2].

2.2 腰部優(yōu)化

高速重載碼垛機(jī)器人的腰部承載著大臂、小臂以及其他部件的重量，安裝在腰部一側(cè)的舵機(jī)用來實(shí)現(xiàn)大臂的前后運(yùn)動(dòng).腰部的旋轉(zhuǎn)靠安裝在底座中的舵機(jī)完成，舵機(jī)與腰部間的聯(lián)軸器通過鍵連接與腰部聯(lián)結(jié).在優(yōu)化高速重載碼垛機(jī)器人的腰部機(jī)構(gòu)時(shí)，中間部分設(shè)計(jì)成部分中空，目的是減輕機(jī)身重量.

2.3 腕部優(yōu)化

高速重載碼垛機(jī)器人的腕部的主要作用是利用舵機(jī)控制手爪的工作，并有自己的工作范圍.高速重載碼垛機(jī)器人的腕部一般主要由以下幾個(gè)零部件組成，分別是用于固定高速重載碼垛機(jī)器人腕部的固定鉸鏈、滑桿、幾何體以及彈性支撐架等4個(gè)零部件組成.受其組成結(jié)構(gòu)的影響，各個(gè)零部件的剛度是不能通過公式進(jìn)行直接計(jì)算的，腕部的各個(gè)零部件中的缺陷只能通過靜力分析這種方法來進(jìn)行查找.要想維持高速重載碼垛機(jī)器人腕部的剛度，可以在腕部的滑桿與幾何體之間加上一個(gè)加強(qiáng)筋，合理縮短位移距離，從而達(dá)到優(yōu)化效果[3].

3 高速重載碼垛機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡優(yōu)化

非線性系統(tǒng)的最優(yōu)控制問題是高速重載碼垛機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡優(yōu)化問題的本質(zhì)所在.鑒于最優(yōu)控制問題引申出的解決方法有古典變分法以及軌跡優(yōu)化等方法.最優(yōu)控制問題的公式如（3-1）所示.

一些研究人員在對高速重載碼垛機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡優(yōu)化的研究過程中，在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上不斷總結(jié)和深化，陸續(xù)提出了路徑最短、時(shí)間最短以及能量最優(yōu)等運(yùn)動(dòng)軌跡優(yōu)化的性能要素.高速重載碼垛機(jī)器人的最優(yōu)運(yùn)動(dòng)軌跡優(yōu)化的積分公式如（3-2）所示.

Ei=ψi（t）|dt，i=1，2，…，n? ?公式（3-2）

Ei表示進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡優(yōu)化時(shí)第i個(gè)關(guān)節(jié)從起始點(diǎn)運(yùn)行到終止點(diǎn)所消耗的能量，tg表示進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡優(yōu)化時(shí)運(yùn)行的總時(shí)間，ψi（t）表示機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡優(yōu)化時(shí)第i個(gè)關(guān)節(jié)的力矩隨時(shí)間變化的函數(shù)，n表示機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡優(yōu)化時(shí)的關(guān)節(jié)數(shù).

在進(jìn)行高速重載碼垛機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡優(yōu)化時(shí)，首要目標(biāo)就是要控制好目標(biāo)點(diǎn)的移動(dòng).在控制目標(biāo)點(diǎn)移動(dòng)的過程中，可以通過電機(jī)來控制其移動(dòng)方向以及運(yùn)動(dòng)速度.

目標(biāo)點(diǎn)的選定要考慮兩個(gè)方面：一方面，在選定重物拿起點(diǎn)與碼垛點(diǎn)時(shí)要事先控制好試教點(diǎn)的位置;另一方面，在選定重物拿起準(zhǔn)備點(diǎn)與碼垛準(zhǔn)備點(diǎn)時(shí)要事先進(jìn)行精確地計(jì)算，并且在選定碼垛準(zhǔn)備點(diǎn)時(shí)要以重物的堆放類型為依據(jù).在進(jìn)行高速重載碼垛機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡優(yōu)化時(shí)要滿足如下四個(gè)方面：

（1）高速重載碼垛機(jī)器人在實(shí)際工作時(shí)的運(yùn)行軌跡一定要包含四個(gè)目標(biāo)點(diǎn);

（2）在進(jìn)行高速重載碼垛機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡優(yōu)化時(shí)，其運(yùn)動(dòng)軌跡的運(yùn)行中不僅要包括轉(zhuǎn)角行程，而且還要包括曲線行程;

（3）在實(shí)際運(yùn)行軌跡中包含的四個(gè)目標(biāo)點(diǎn)之間的間隔距離要保證相等;

（4）使用插補(bǔ)法實(shí)現(xiàn)高速重載碼垛機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行的最優(yōu)化[4].

在滿足上述四個(gè)方面的基礎(chǔ)上，高速重載碼垛機(jī)器人的運(yùn)行軌跡優(yōu)化中包含的四個(gè)目標(biāo)點(diǎn)如圖4所示.

4 結(jié)束語

本文除了介紹高速重載碼垛機(jī)器人的機(jī)構(gòu)優(yōu)化，還在此基礎(chǔ)上進(jìn)而提出運(yùn)動(dòng)軌跡的優(yōu)化，使機(jī)器人的各部分機(jī)構(gòu)在強(qiáng)度和剛度上能夠滿足工作的要求，更好地控制機(jī)器人的移動(dòng)方向以及運(yùn)動(dòng)速度的前提下確定好移動(dòng)的目標(biāo).

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