張貴林，劉召柱，盛雪葦

ZHANG Gui-lin, LIU Zhao-zhu, SHENG Xue-wei

（安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，淮南 232001）

0 引言

目前，我國的食品、藥品、快遞等行業(yè)的后道工序一般都包括成型產(chǎn)品自動化包裝、分揀、裝箱、碼垛和儲運(yùn)等工序，這些工序大多采用手工或半手工操作，生產(chǎn)效率低，勞動強(qiáng)度大、存在二次污染隱患[1～3]。除此之外，對于化工行業(yè)，其涉及石油、涂料、冶金、能源、輕工、環(huán)保等多個領(lǐng)域，許多產(chǎn)品具有易燃、易爆、有毒和腐蝕等特性，這類產(chǎn)品因其具有高危險性特點(diǎn)[3]，因此安全問題始終是化工行業(yè)工作的需要考慮的重點(diǎn)。

隨著時代的發(fā)展，高效、快速、安全是生產(chǎn)過程的主要要求，將更為先進(jìn)、更為靈活、效率更高的搬運(yùn)裝置運(yùn)用到上述領(lǐng)域已是迫在眉睫[4]，然而目前我國市場上的搬運(yùn)裝置多為單機(jī)械手臂工作的裝置，機(jī)械臂的數(shù)量嚴(yán)重影響到搬運(yùn)裝置的工作效率，同時，由于待搬運(yùn)物品的復(fù)雜性導(dǎo)致單機(jī)械手臂搬運(yùn)裝置的工作效率進(jìn)一步下降。

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，基于提高搬運(yùn)效率的目的，設(shè)計出一種多臂旋轉(zhuǎn)式機(jī)器人，結(jié)構(gòu)靈活、效率高，可以大批量食品、藥品、快遞等產(chǎn)品裝箱、分揀、碼垛等需求，自動化程度高。運(yùn)用動力學(xué)原理計算機(jī)械臂動能、勢能及運(yùn)動方程，運(yùn)用ANSYS Workbench軟件創(chuàng)建多臂旋轉(zhuǎn)式機(jī)器人的仿真模型，對其進(jìn)行靜力學(xué)分析，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。

1 多臂旋轉(zhuǎn)式搬運(yùn)機(jī)器人總體方案設(shè)計

1.1 多臂旋轉(zhuǎn)式搬運(yùn)器人結(jié)構(gòu)組成

多臂旋轉(zhuǎn)式搬運(yùn)機(jī)器人主要由機(jī)械臂、轉(zhuǎn)運(yùn)裝置和多臂集成旋轉(zhuǎn)裝置[6]三部分組成。如圖1所示。其中機(jī)械臂包括六個平行同動式機(jī)械夾、六個球齒輪機(jī)械關(guān)節(jié)和六個伸縮式機(jī)械臂，平行同動式機(jī)械夾位于球齒輪機(jī)械關(guān)節(jié)的一個末端，且平行同動式機(jī)械夾與球齒輪機(jī)械關(guān)節(jié)的末端相固連，平行同動式機(jī)械夾可用于夾取與放置物體；球齒輪機(jī)械關(guān)節(jié)位于伸縮式機(jī)械臂與平行同動式機(jī)械夾之間，且球齒輪機(jī)械關(guān)節(jié)的另一個末端與伸縮式機(jī)械臂相固連，球齒輪機(jī)械關(guān)節(jié)可使平行同動式機(jī)械夾在抓取與放置物體時更加靈活；伸縮式機(jī)械臂安裝于多臂集成旋轉(zhuǎn)裝置上，且伸縮式機(jī)械臂與多臂集成旋轉(zhuǎn)裝置相固連；每個多臂集成旋轉(zhuǎn)裝置可使三個伸縮式機(jī)械臂繞旋轉(zhuǎn)中心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，且伸縮式機(jī)械臂內(nèi)部設(shè)置有剪叉式機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)可根據(jù)要求而改變機(jī)械臂本身的長度；多臂集成旋轉(zhuǎn)裝置位于轉(zhuǎn)運(yùn)裝置上，轉(zhuǎn)運(yùn)裝置上設(shè)置有轉(zhuǎn)運(yùn)導(dǎo)軌，旋轉(zhuǎn)裝置可沿轉(zhuǎn)運(yùn)導(dǎo)軌進(jìn)行移動。

圖1 多臂旋轉(zhuǎn)搬運(yùn)機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 控制系統(tǒng)

圖2為本控制系統(tǒng)的流程圖[7]。控制系統(tǒng)由SPSA100X-LAAS0401角位移位置傳感器、LE2直線位移傳感器、WSD系列硅壓阻式壓力傳感器、CCD圖像傳感器、STM32控制模塊伺服控制器等組成，具體工作原理如下：相應(yīng)傳感器為控制系統(tǒng)提供測量信號，計算機(jī)通過以太網(wǎng)通訊將機(jī)械臂需要動作信息控制命令發(fā)送給stm32單片機(jī)，stm32單片機(jī)通過相關(guān)算法把相應(yīng)的速度信息和位置信息傳遞給伺服控制器，伺服控制器通過驅(qū)動舵機(jī)而控制機(jī)械臂各關(guān)節(jié)角位移量，通過驅(qū)動電機(jī)而控制多臂集成旋轉(zhuǎn)裝置在轉(zhuǎn)運(yùn)裝置上的線位移量。

圖2 多臂旋轉(zhuǎn)搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)流程圖

1.3 工作原理

工作開始時，首先由平行同動式機(jī)械夾上的傳感器檢測待搬運(yùn)物體的位置，將信號傳給控制系統(tǒng)，然后由靠近待搬運(yùn)物體的一組機(jī)械臂開始工作，由一個多臂集成旋轉(zhuǎn)裝置將該裝置上的三個伸縮式機(jī)械臂沿直線滑臺運(yùn)送到直線滑臺靠近待搬運(yùn)物體的一端，然后由該多臂集成旋轉(zhuǎn)裝置上的一個伸縮式機(jī)械臂和其末端的平動式機(jī)械夾率先開始夾取物體，由壓力應(yīng)變片檢測平行同動式機(jī)械夾所用的合適力度，待夾取物體完成后，該多臂集成旋轉(zhuǎn)裝置進(jìn)行定軸轉(zhuǎn)動，由另一個伸縮式機(jī)械臂和其上的平行同動式機(jī)械夾進(jìn)行夾取工作，當(dāng)多臂集成旋轉(zhuǎn)裝置上的所有平行同動式機(jī)械夾都完成抓取任務(wù)后，其沿著直線滑臺運(yùn)動到物體所需放置的地方進(jìn)行物體放置工作，同樣，旋轉(zhuǎn)裝置上的伸縮式機(jī)械臂和其末端的平行同動式機(jī)械夾依次輪流進(jìn)行物體放置工作，與此同時，另一個多臂集成旋轉(zhuǎn)裝置上的一組伸縮式機(jī)械臂和平行同動式機(jī)械夾開始夾取物體，另外，根據(jù)實(shí)際情況，轉(zhuǎn)運(yùn)裝置上的步進(jìn)電機(jī)帶動絲桿運(yùn)動，從而可以改變兩個直線滑臺的位置，使得搬運(yùn)工作更加方便，通過以上各個裝置的配合，最終可以實(shí)現(xiàn)對物體的高效搬運(yùn)。

2 機(jī)器人工作臂的設(shè)計

2.1 多臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計

在搬運(yùn)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)物體搬運(yùn)工作任務(wù)時，需要完成物體搬運(yùn)的所有步驟，包括位置識別和物體抓取、物體轉(zhuǎn)運(yùn)、放置物體等；多臂旋轉(zhuǎn)式搬運(yùn)機(jī)器人的工作臂包括多臂集成臺、工作臂、球齒輪機(jī)構(gòu)、電機(jī)和平行同動式機(jī)械夾，用于實(shí)現(xiàn)多臂搬運(yùn)機(jī)器人的搬運(yùn)作業(yè)[8]。如圖3所示。

圖3 多臂旋轉(zhuǎn)式機(jī)器人臂部結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 機(jī)器人工作臂動力學(xué)分析

拉格朗日方程是基于能量的觀點(diǎn)來建立的，其優(yōu)點(diǎn)是便于程序化對正逆動力學(xué)問題都容易建立模型并且可以實(shí)現(xiàn)逆推形式的建模還可以方便地加入控制反饋采用拉格朗日方程建模的方法較為成熟[9]。拉格朗日函數(shù)為：L=K-P，其中，L是拉格朗日函數(shù)，K是系統(tǒng)動能，P是系統(tǒng)勢能。因此拉格朗日方程為：

其中，τi為機(jī)械臂關(guān)節(jié)i的力矩，i和θi為關(guān)節(jié)位置和速度。

2.2.1 動能

通過對剛體三維運(yùn)動的動能分析，可得多自由度機(jī)械臂Uip的某一連桿的動能[10]為：

其中Ki為某一連桿動能；ri為連桿質(zhì)心所處坐標(biāo)；i和p代表不同的關(guān)節(jié)編號；Uip為i連桿上某點(diǎn)相對于基坐標(biāo)的變換矩陣僅對一個θp求導(dǎo)。

由于ri=[xi，yi，zi，1]T，則：

又由于2x2=x2+x2+y2-y2+z2-z2；x2=(1/2)[-（y2+z2）+（x2+z2）+（x2+y2）]；

因此，式(4)可表示為：

因?yàn)閖i與關(guān)節(jié)角速度無關(guān)，所以機(jī)械臂的動能只需計算計算一次，即將式(4)代入式(2)得：

2.2.2 勢能

系統(tǒng)的勢能等于各連桿勢能總和。

2.2.3 運(yùn)動學(xué)方程

對拉格朗日函數(shù)求導(dǎo)得到機(jī)械臂運(yùn)動學(xué)方程[11,12]：

式(14)中，Dij為角速度慣量，Dijk為科里奧利力和向心力，Di為重力。

3 靜力學(xué)仿真分析

運(yùn)用ANSYS Workbench對多臂旋轉(zhuǎn)式搬運(yùn)機(jī)器人抓取產(chǎn)品時應(yīng)力和變形進(jìn)行分析和優(yōu)化，將多臂旋轉(zhuǎn)式搬運(yùn)機(jī)器人三維實(shí)體簡化模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中，并在其中定義單元屬性，設(shè)置機(jī)器人的材料性能參數(shù)[13]，最后，計算求解應(yīng)力和變形。

3.1 有限元模態(tài)分析理論

根據(jù)彈性力學(xué)有限元理論，任何結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的運(yùn)動，都可以表示為外力的平衡方程[14,15]：

式中，[M]、[C]和[K]分別為質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣；{X”}、{X’}、{X}和{F(t)}分別為結(jié)構(gòu)的加速度向量、速度向量、位移向量和激勵力向量。

由于外部載荷對系統(tǒng)的固有頻率和振型參數(shù)可忽略不計，有{F(t)}={0}；同時由于阻尼系數(shù)對計算結(jié)果影響不大，可以忽略，可得系統(tǒng)無阻尼自由振動的運(yùn)動方程為：

其對應(yīng)的特征方程為：

式中，w為系統(tǒng)固有頻率。

求解式(17)即可得到機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型。

3.2 仿真分析與優(yōu)化設(shè)計

對多臂旋轉(zhuǎn)式搬運(yùn)機(jī)器人進(jìn)行靜力學(xué)求解計算，通過添加Total Deformation和Equivalent stress查看機(jī)器人結(jié)構(gòu)的整體變形和應(yīng)力分布情況，如圖4所示。

圖4 多臂旋轉(zhuǎn)式搬運(yùn)機(jī)器人整體變形分析結(jié)果圖

從圖4可以看出多臂旋轉(zhuǎn)式搬運(yùn)機(jī)器人的可知機(jī)械臂強(qiáng)度最薄弱的部分是機(jī)械夾，且機(jī)械臂結(jié)構(gòu)整體的最大變形量為25.151mm，鑒于此，筆者因此進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計[16]，在機(jī)械夾兩壁外側(cè)設(shè)計有加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，以此來增強(qiáng)機(jī)械夾的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。該機(jī)器人機(jī)械夾內(nèi)壁使用橡膠材料，該機(jī)構(gòu)可抓起最大棱長為20cm的箱子，所抓貨物的質(zhì)量可達(dá)4kg，使得在不損壞物品和不增加機(jī)械夾動力的情況下，所轉(zhuǎn)運(yùn)的物品重量達(dá)到了最大。

3.3 科學(xué)性分析

3.3.1 轉(zhuǎn)運(yùn)裝置科學(xué)性分析

直線導(dǎo)軌電動滑臺利用絲桿具有定位精度高，摩擦力小，剛性高，負(fù)載能力強(qiáng)等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)滑塊的精準(zhǔn)定位。速度方面，取決于電機(jī)的轉(zhuǎn)速和絲杠導(dǎo)程的大小，絲杠導(dǎo)程越大，相同的電機(jī)輸出速度下單軸機(jī)械手滑塊移動的速度也越大。直線滑臺模組中同步齒形帶傳動是由電機(jī)驅(qū)動同步帶的主動輪轉(zhuǎn)動，進(jìn)而有皮帶帶動直線導(dǎo)軌上的滑塊前后移動，同步齒形帶具有噪音低，移動速度快，成本較低等特點(diǎn)。速度方面，一般可以實(shí)現(xiàn)比滾珠絲杠更高的速度。同時沒有臨界速度的限制，在長行程傳送方面具有更加的性價比。轉(zhuǎn)運(yùn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)運(yùn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

3.3.2 球齒輪機(jī)械關(guān)節(jié)科學(xué)性分析

對于完成抓取貨物的過程，為了保證運(yùn)動的靈活性，對機(jī)械臂的關(guān)節(jié)提出了較高的要求。為此，筆者在搬運(yùn)機(jī)器人機(jī)械臂的關(guān)節(jié)處采用漸開線求齒輪機(jī)構(gòu)[17]，如圖6所示。其工作原理如下：以左邊的驅(qū)動電機(jī)為例，電機(jī)帶動絲杠旋轉(zhuǎn)，絲杠推拉固定在球齒輪上的支架來帶動球齒輪運(yùn)動。相比傳統(tǒng)齒輪機(jī)構(gòu)只具備一個傳動自由度的特點(diǎn)，漸開線球齒輪機(jī)構(gòu)具有兩個傳動自由度，球齒輪的輪齒分布在球面上，運(yùn)動特征表現(xiàn)為一對節(jié)球作純滾動，因此可以滿足仿生機(jī)械運(yùn)動關(guān)節(jié)的要求，通過兩個球面運(yùn)動之間的變換，即可實(shí)現(xiàn)一對球作精確地定傳動比球面運(yùn)動。在所述球齒輪機(jī)構(gòu)中，上面兩個步進(jìn)電機(jī)負(fù)責(zé)帶動球腕旋轉(zhuǎn)，通過球齒輪實(shí)現(xiàn)一個全方位的輸出，從而完成空間指向。

圖6 球齒輪機(jī)械關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖

4 結(jié)論

1）針對現(xiàn)有機(jī)械臂搬運(yùn)效率的問題，基于提高搬運(yùn)效率的理念設(shè)計一種多臂旋轉(zhuǎn)式搬運(yùn)機(jī)器人，該機(jī)器人能夠克服現(xiàn)有搬運(yùn)機(jī)器人存在的技術(shù)缺陷，結(jié)構(gòu)更加靈活，可以大批量食品、藥品、快遞等產(chǎn)品裝箱、分揀、碼垛等需求，自動化程度高。

2）運(yùn)用ANSYS Workbench軟件對多臂旋轉(zhuǎn)式搬運(yùn)機(jī)器人進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到機(jī)器人在極限載荷下的變形云圖，對不合理部分進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)和重新設(shè)計，從而得到滿足工作需求的機(jī)器人結(jié)構(gòu)，為相關(guān)數(shù)據(jù)的設(shè)計提供了依據(jù)[18]，也為多臂旋轉(zhuǎn)式搬運(yùn)機(jī)器人樣機(jī)的設(shè)計與制造提供了依據(jù)。

3）對多臂旋轉(zhuǎn)式搬運(yùn)機(jī)器人某些部件進(jìn)行科學(xué)性分析，為多臂旋轉(zhuǎn)式搬運(yùn)機(jī)器人樣機(jī)設(shè)計精度、速度、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性等提供科學(xué)依據(jù)。