何東明， 吳 剛， 鐘先友

（三峽大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院， 湖北 宜昌 443002）

引言

氣動(dòng)控制在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)得到了非常廣泛的普及，因此，近年國(guó)內(nèi)的智能制造領(lǐng)域經(jīng)常會(huì)把工業(yè)機(jī)器人與氣動(dòng)控制相結(jié)合，即氣動(dòng)機(jī)器人[1]。氣動(dòng)機(jī)器人在執(zhí)行不同的作業(yè)任務(wù)時(shí)具有較好的通用性，更換工業(yè)機(jī)器人手部末端操作器（抓手、工具等）便可執(zhí)行不同的作業(yè)任務(wù)[2-3]。隨著工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用日趨廣泛，企業(yè)對(duì)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用的智能化要求日益提高，進(jìn)而對(duì)相關(guān)從業(yè)人員的設(shè)計(jì)要求也越高[4-6]。每一個(gè)企業(yè)的設(shè)計(jì)師都有設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的機(jī)器人抓手，從而機(jī)器人抓手結(jié)構(gòu)多種多樣，實(shí)際設(shè)計(jì)中很多初級(jí)的設(shè)計(jì)師不會(huì)去校核抓手的強(qiáng)度，因此雖然最后完成項(xiàng)目，但是還存在著很多安全隱患。

基于上述分析，本研究獨(dú)創(chuàng)性地設(shè)計(jì)了基于四點(diǎn)位光電傳感器的機(jī)器人抓手探測(cè)方法，設(shè)計(jì)出一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全可靠以及實(shí)用性強(qiáng)的機(jī)械設(shè)計(jì)與氣動(dòng)控制相結(jié)合的工業(yè)機(jī)器人抓手，并對(duì)其進(jìn)行工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際測(cè)試以驗(yàn)證本設(shè)計(jì)的可行性和穩(wěn)定性。

1 抓手機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

工業(yè)機(jī)器人在搬運(yùn)和碼垛中的工作對(duì)象大致可以分為兩類：一類是塊狀工件，主要以物流包裹和機(jī)械零件為主，機(jī)器人搬運(yùn)或者是碼垛這類工件時(shí)，機(jī)器人抓手一般采用氣缸夾緊裝置來夾取工件；另一類則為片狀工件，其中主要以玻璃和瓷磚為主，機(jī)器人搬運(yùn)或碼垛這一類工件主要采用真空吸盤吸取工件。本研究中將以搬運(yùn)/碼垛中的第二大類片狀工件——玻璃加工為例來進(jìn)行對(duì)片狀工件的加工工藝的機(jī)器人抓手設(shè)計(jì)。

圖1 為機(jī)器人抓手總設(shè)計(jì)圖，其中：1 為鋁型材，整個(gè)抓手結(jié)構(gòu)由四根鋁型材做支撐；2 為吸盤總成，吸盤一般與氣管相連，利用真空負(fù)壓來吸取玻璃；3 為玻璃；4 為分氣接頭，作用是把一路氣分為三路；5 為固定鋁板，其作用是固定四根鋁型材，穩(wěn)定抓手的框架結(jié)構(gòu)；6 為真空發(fā)生器，作用是產(chǎn)生真空，為抓手吸取玻璃提供真空壓力；7 為法蘭盤，其作用是將抓手與機(jī)器人連接。圖2 為機(jī)器人抓手的側(cè)視圖，在圖中1，2，3，4 號(hào)位置分別獨(dú)立安裝有光電傳感器和壓力表。

圖1 機(jī)器人抓手設(shè)計(jì)總體裝配圖

圖2 抓手側(cè)視及光電位置示意圖

2 抓手氣動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本研究中氣動(dòng)控制系統(tǒng)的主要作用是輔助機(jī)器人對(duì)工件進(jìn)行抓取。機(jī)器人的抓手上面的吸盤上連接氣管，由氣管供氣，對(duì)片狀工件進(jìn)行抓取和釋放，氣動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如下頁圖3 所示。

圖3 中1 為氣源，由廠房里面的空壓機(jī)對(duì)空氣進(jìn)行壓縮，通過氣管導(dǎo)出，然后通過后冷卻器2 對(duì)其進(jìn)行冷卻凈化，之后連接儲(chǔ)氣罐3，儲(chǔ)氣罐的作用是用來貯存一定量的壓縮空氣，調(diào)節(jié)空壓機(jī)輸出氣量與機(jī)器人耗氣量之間的不平衡狀況，保證連續(xù)、穩(wěn)定的氣流輸出。儲(chǔ)氣罐出氣口接一個(gè)壓力表，用來監(jiān)測(cè)儲(chǔ)氣罐里的氣體壓力。儲(chǔ)氣罐后接2 路二位二通電磁閥，用來實(shí)現(xiàn)氣路的自動(dòng)控制。兩路電磁閥分別接真空發(fā)生器和消音器，真空發(fā)生器就是利用正壓氣源產(chǎn)生負(fù)壓的一種新型、高效、清潔、經(jīng)濟(jì)、小型的真空元器件，機(jī)器人中用的負(fù)壓場(chǎng)合少，所以相比于真空泵的大功率輸出，真空發(fā)生器更加簡(jiǎn)單方便。真空發(fā)生器后面接消音器的原因是氣體高速噴出會(huì)產(chǎn)生很大的噪音，會(huì)影響工廠的人員，所以加入消音器可以大大地削弱噪音；兩路真空發(fā)生器的真空接口分別連接壓力表，用來檢測(cè)真空壓力值的大小，并作為輸入傳遞到PLC 中，如果真空壓力達(dá)不到設(shè)置值，中央處理單元就會(huì)讓機(jī)器人停止工作并報(bào)警。真空口除了并一個(gè)壓力表外，每個(gè)真空口會(huì)接3 個(gè)吸盤，兩個(gè)真空口一共接6 個(gè)吸盤，分別對(duì)應(yīng)機(jī)器人抓手上的6 個(gè)吸盤位。

圖3 氣動(dòng)控制原理圖

3 四點(diǎn)探測(cè)法在抓手設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

四點(diǎn)探測(cè)法即利用抓手四個(gè)方位的光電傳感器和壓力表，通過檢查四個(gè)方向的吸盤壓縮量和真空壓力值來判斷工件的具體位置信息的一種方法。光電傳感器以及壓力表位置信息已于圖2 中標(biāo)出。如圖2 所示，吸盤1，2，3，4 的氣管接頭處分別安裝有相互獨(dú)立的光電傳感器和壓力表。當(dāng)機(jī)器人抓手沿直線軌跡向前探取時(shí)，如果原片位置偏差較大，抓手接觸到原片表面繼續(xù)向前探取，吸盤1，2，3，4 的壓縮量不同，達(dá)到設(shè)定壓縮值（即光電感應(yīng)觸發(fā)距離）后先被壓縮的光電會(huì)動(dòng)作，而其他光電無動(dòng)作，機(jī)器人就能通過四個(gè)光電的動(dòng)作信息來判斷工件位置。而四點(diǎn)位的壓力表檢測(cè)的真空壓力值是機(jī)器人判斷是否穩(wěn)定抓取到工件的判定條件。

1）原片的傾斜度偏差過大。如圖4 所示，上排居中的圖片為原片放置傾斜角太大的示意圖，此時(shí)機(jī)器人抓手按照指定軌跡進(jìn)給，吸盤3 會(huì)先接觸原片并擠壓，當(dāng)吸盤3 的壓縮量到位時(shí)，光電3 動(dòng)作，機(jī)器人收到信號(hào)后命令執(zhí)行元件電磁閥開啟，吸盤3 的氣管接頭處壓力到達(dá)指定值，但是吸盤1 處此時(shí)還未接觸到原片，此時(shí)抓手抓不住原片，吸盤1處的壓力表沒有真空壓力，機(jī)器人接受到壓力表1的信號(hào)之后關(guān)閉電磁閥，抓手退回準(zhǔn)備吸取點(diǎn)。根據(jù)以上信息，機(jī)器人會(huì)加大抓手的傾斜角繼續(xù)沿原軌跡探測(cè)，此時(shí)抓手的傾斜角加大后與原片的傾斜度平齊，抓手抓取時(shí)吸盤1，3 處同時(shí)抓取到位，則機(jī)器人記錄當(dāng)前傾斜角，之后每次抓取按照此角度進(jìn)行抓取，機(jī)器人便能在原片的傾斜度偏差過大時(shí)通過內(nèi)部程序自動(dòng)修改抓手傾斜度進(jìn)行抓取，依然能夠正常工作。

2）原片放置上下偏差過大。圖4 下排左圖中，原片的位置相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)位置向上的位置偏差過大，機(jī)器人控制抓手按照固定軌跡進(jìn)給，當(dāng)?shù)竭_(dá)原片的平面時(shí)，吸盤1 與原片接觸，但是吸盤3 則偏到工作邊界之外了，抓手繼續(xù)進(jìn)給，壓縮吸盤1，吸盤1 壓縮到位后光電1 動(dòng)作并發(fā)送給機(jī)器人的中央處理單元吸盤壓縮到位的信號(hào)，機(jī)器人中央處理單元命令電磁閥開啟，吸盤1 處吸取到原片，1 處的壓力表到達(dá)設(shè)定值，但是3 處吸盤沒有吸取到工件，壓力表處為大氣壓則不會(huì)動(dòng)作，此信號(hào)反饋給機(jī)器人后，機(jī)器人會(huì)立即關(guān)閉電磁閥，然后退回到抓取點(diǎn)。此時(shí)先進(jìn)行抓手的傾斜度改變，如果改變傾斜度抓取后還是沒有抓取到玻璃，則自動(dòng)把抓手調(diào)整回原傾斜度，然后把整個(gè)抓手的位置向上偏移一定值，最后直線進(jìn)給抓取。

圖4 原片位置偏差圖（側(cè)視）

4 結(jié)語

本文針對(duì)片狀工件的搬運(yùn)/碼垛工藝進(jìn)行了工業(yè)機(jī)器人的抓手設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中采用了機(jī)械設(shè)計(jì)與氣動(dòng)控制相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法。為解決機(jī)器人的視覺問題，本研究提出四點(diǎn)探測(cè)法，并在實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)本研究設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)器人抓手進(jìn)行了故障測(cè)試和原片位置偏差測(cè)試。測(cè)試結(jié)果和實(shí)際生產(chǎn)情況符合本文所分析的各種情況，從而驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的可行性和創(chuàng)新性，為通用機(jī)器人的抓手設(shè)計(jì)提供了一種設(shè)計(jì)思路。