程 鍇

（南京以禾電子科技有限公司，江蘇南京 210039）

0 引言

目前，碼垛搬運機器人已經(jīng)廣泛應用于各個領域。它是集機械、電子、信息、智能技術、計算機科學等學科于一體的高新機電產(chǎn)品［1］。機械系統(tǒng)是其支承基礎和執(zhí)行機構，控制系統(tǒng)編程、規(guī)劃與分析的最終目的是要通過機械系統(tǒng)的運轉完成指定的任務［2］。課題所研究的碼垛搬運機器人是以袋狀物為搬運對象，主要用于大米、面粉、飼料等生產(chǎn)廠家車間物流系統(tǒng)中袋裝物體的搬運、裝夾等，要求動作靈活、工作范圍大、結構緊湊、重量輕，因此機械系統(tǒng)設計是機器人設計的一個重要內容，其結果直接決定著機器人的工作性能［3-4］。

1 碼垛搬運機器人的組成

碼垛搬運機器人由機械系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。機械系統(tǒng)由機座、腰部、大臂、小臂、腕部、手部和驅動裝置組成，共有6個自由度，依次為腰部回轉、大臂俯仰、小臂俯仰、腕部回轉、腕部俯仰和手部回轉。

1.1 機械系統(tǒng)

1.1.1 機座

機座是基礎部分，承載著整個機器人的執(zhí)行機構和驅動系統(tǒng)，起支撐和連接作用。

1.1.2 腰部

腰部是支撐臂部、腕部和手部的部件，臂部的回轉運動和俯仰（或升降）運動均與腰部有比密切的關系。腰部因工作需要，有時也可作橫向移動。

1.1.3 臂部

臂部分為大臂和小臂，是機器人的主要執(zhí)行部件，支撐腕部、手部和被碼垛物件。臂部的作用是帶動手部和腕部在空間運動。臂部的總重量比較大，受力較復雜，在運動時，直接承受腕部、手部和被抓取物件的靜、動載荷。

1.1.4 腕部

腕部是連接手部和臂部的部件，起支撐手部的作用，在臂部運動的基礎上進一步改變和調整手部在空間的姿態(tài)，以擴大動作范圍。

1.1.5 手部

手部，即末端執(zhí)行器，用于執(zhí)行任務，直接與物件接觸，具有抓取功能。末端執(zhí)行器可以是夾持器或者是專用工具等。夾持器是具有加持功能的裝置，由于被碼垛的物件形狀多種多樣，因此夾持器可分為兩種：夾持式和吸附式。專用工具則是用于完成某項作業(yè)所需的裝置，如焊槍、噴漆槍等。

1.2 驅動系統(tǒng)

驅動系統(tǒng)是機器人的動力源。驅動方式有液壓、氣壓、電機。液壓驅動適用于大負載的情況；氣壓驅動適合于節(jié)拍快、負載小且精度不高的場合；電動驅動適合于中等負載，特別是動作復雜、運動軌跡嚴格的機器人。

1.3 控制系統(tǒng)

機器人控制系統(tǒng)是一個與運動學和動力學原理密切相關、有耦合的、非線性的多變量控制系統(tǒng)。主要包括動作的順序、應實現(xiàn)的路徑與位置、動作時間間隔以及作用在物件上的作用力等?？刂葡到y(tǒng)可以從不同角度分類，如按照控制運動的方式分為關節(jié)控制、笛卡爾空間運動自適應控制；按軌跡控制方式分為點位控制和連續(xù)軌跡控制；按速度控制方式分為速度控制、加速度控制和力控制。

1.4 位置檢測裝置

位置檢測裝置是控制機械系統(tǒng)的速度和位移，控制系統(tǒng)得到機械系統(tǒng)的位置反饋，與程序設定的位置進行比較，并自行調整，使機械系統(tǒng)以一定的精度達到設定位置。

2 碼垛搬運機器人的性能參數(shù)

根據(jù)作業(yè)要求，以下是碼垛搬運機器人設計的具體參數(shù)。

（1）結構形式：關節(jié)型；

（2）負荷能力：≤90 kg；

（3）工作能力：1 600袋/時；

（4）最大作用范圍：2 700 mm；

（5）自由度數(shù)：6；

（6）位置重復精度：±0.06 mm；

（7）各軸運動范圍及速度：

關節(jié)1：±185°，136°/s

關節(jié)2：+5°/-140°，130°/s

關節(jié)3：+155°/-120°，120°/s

關節(jié)4：±350°，292°/s39

關節(jié)5：±125°，258°/s

關節(jié)6：±350°，284°/s

3 機械系統(tǒng)總體結構

碼垛搬運機器人可看作桿件結構，它是將機構學中的桿件和運動副相互連接而構成的開式運動鏈。

在碼垛搬運機器人中，連桿即手臂，運動副稱作關節(jié)。碼垛搬運機器人采用的是轉動關節(jié)。機器人末端稱為腕部，它一般由3個轉動關節(jié)組成。在碼垛搬運機器人中，臂部決定機器人末端到達的位置，而腕部決定機器人的姿態(tài)［5］。臂部可以在垂直于機座的平面內運動，也可繞垂直軸轉動。其操作靈活性好，對于各種各樣的作業(yè)都有良好的適應性，運動速度較高，操作范圍大。碼垛搬運機器人總體結構如圖1所示，結構尺寸如圖2所示。

圖1 總體結構

圖2 結構尺寸

4 自由度的分配和腰部、臂部、腕部的構形

由于在同樣的體積條件下，關節(jié)型機器人比非關節(jié)型機器人作業(yè)范圍廣，結構緊湊，動作和軌跡更靈活，因此該型機器人采用關節(jié)型的結構。

機械系統(tǒng)中最主要運動部件是腰部和臂部，其作用是支撐腕部和手部，使手部和腕部在作業(yè)范圍內運動。腰部和臂部一般要有3 個自由度，才能使手部達到作業(yè)范圍內的任意位置，腰部和臂部有許多種結構形式，常用的形式如圖3所示［6］。

碼垛搬運機器人，既要結構簡單，也要控制容易。結合實際需求，確認具有6個自由度，其中腰部和臂部3個自由度，為腰部旋轉、大臂和小臂的轉動，如圖3所示的第一種形式。

除了腰部和臂部的3 個自由度以外，其余3 個自由度均設計在腕部。圖4 是通常情況下的3 自由度腕部結構形式。按照圖中順序依次是BBR型、BPP型、RBR型和RRR型。

圖中的B指的是彎曲結構，其含義是腕關節(jié)在工作過程中相鄰運動件軸線間的夾角呈變化狀態(tài)；圖中的R指的是轉動結構，其含義是腕關節(jié)在工作過程中相鄰運動件軸線間的夾角保持原來的狀態(tài)。

旋轉型關節(jié)作業(yè)范圍廣，重量輕，結構緊湊，關節(jié)易于密封防塵。本碼垛搬運機器人使用了6 個旋轉關節(jié)，結合各種腰部、臂部和腕部形式，最終的結構形式如圖5所示。

腰部和臂部的3個自由度決定了手部的位置，腕部的3個自由度確定了手部的姿態(tài)。

5 傳動系統(tǒng)的設計

首先對碼垛搬運機器人總體結構方案進行確定，再通過繪圖軟件繪制初始結構圖，最后完成傳動系統(tǒng)的設計工作，如圖6 所示。碼垛搬運機器人的6 個電機控制6 個自由度。電機1 安裝在腰部上，通過減速器實現(xiàn)腰部繞Z1軸旋轉；電機2 安裝在腰部上，通過減速器實現(xiàn)大臂繞Z2軸旋轉；電機3 安裝在小臂上，通過減速器實現(xiàn)小臂繞Z3軸旋轉；電機4、5、6都安裝在小臂上，電機4 通過帶傳動，實現(xiàn)整個腕部繞Z5軸旋轉；電機5通過帶傳動，并通過一組錐齒輪減速，實現(xiàn)腕部繞Z4軸旋轉；電機6通過錐齒輪減速實現(xiàn)手部繞Z5軸旋轉。

6 驅動方式

機器人的驅動方式有很多種，目前常用的驅動方式分為液壓驅動、氣動驅動、電動驅動以及新型驅動4 種形式。在設計中，根據(jù)具體要求、作業(yè)環(huán)境以及上述4種驅動方式的特點來選擇合適的驅動方式。

6.1 液壓驅動

液壓驅動是以液體作為工作介質，利用液體的壓力能來傳遞動力。完整的液壓系統(tǒng)由能源裝置、執(zhí)行裝置、控制調節(jié)裝置、輔助裝置、液體介質組成。液壓缸和液壓馬達是液壓驅動的執(zhí)行元件，其主要作用是將液體的壓力能轉換為機械能，從而獲得需要的直線或回轉運動。液壓驅動具有較大輸出驅動力；并且可以把油缸做成關節(jié)的一部分，結構簡單，剛性好；可以實現(xiàn)任意位置的開停；調速簡單平穩(wěn)；潤滑性好，壽命長等優(yōu)點，但同時也具有油液易泄露；管路復雜；適用的溫度范圍窄；成本高等缺點。因此，在設計負載大、作業(yè)速度低的機器人時，采用液壓驅動方式。

圖3 幾種多自由度機器人腰部臂部形式

圖4 4種3自由度機器人腕部形式

圖5 機器人結構形式

圖6 傳動系統(tǒng)設計示意

6.2 氣動驅動

氣動驅動具有快速性好；氣源方便；廢棄可直接排入大氣不會造成污染，在任何位置只需一根高壓管連接即可工作，比液壓驅動干凈、簡單；通過調節(jié)氣量實現(xiàn)無級調速；具有較好的緩沖作用；可把驅動器做成關節(jié)的一部分，結構簡單、剛性好、成本低等優(yōu)點，同時具有功率重量比小，驅動裝置體積大；定位精度差；使用后的壓縮空氣排入大氣時，會產(chǎn)生噪聲；氣壓驅動系統(tǒng)容易生銹，低溫下容易結冰等缺點。因此，在設計中小負載的機器人時，采用氣動驅動方式。另一方面，伺服控制很難實現(xiàn)氣動驅動，只有程序控制才能應用氣動驅動。

6.3 電動驅動

電動驅動是利用電機產(chǎn)生的力和力矩，直接或間接來驅動機械系統(tǒng)，完成各種動作。電動驅動沒有中間能量轉換的過程，因此比液壓及氣動驅動效率高，使用方便且成本低。

（1）普通電機驅動的特點：包括交流、直流及伺服電機。交流電機一般不能進行調速或很難進行無極調速；直流電機能夠實現(xiàn)無極調速，但直流電源價格較高；而伺服電機精度準確，高速性能好，反應靈敏，因此廣泛應用于機器人領域。

（2）步進電機驅動的特點：步進電機沒有積累誤差；同一臺步進電機在不同的驅動方式下，特性也相差很大；力矩隨轉速的升高而下降；低速可以正常運行，高速則無法啟動；控制系統(tǒng)也比較復雜。

（3）直線電機驅動的特點：響應速度快，控制精度高，動態(tài)剛度高，速度快、加減速過程短，啟動推力大，行程長度不受限制，運行噪聲低，傳動效率高。

6.4 新型驅動

機器人技術的不斷發(fā)展，各種依據(jù)新思想、新方法、新理論開發(fā)的驅動器不斷涌現(xiàn)。從基于磁阻效應的磁致伸縮驅動器、壓電效應的壓電驅動器、靜電效應的靜電驅動器，到基于材料因溫度形狀變化的形狀記憶合金驅動器、利用超聲振動的超聲波驅動器等等。

磁致伸縮驅動器主要用于微小驅動場合。壓電驅動器可以達到驅動亞微米級的精度。靜電驅動器可以在微小的尺寸變化時，產(chǎn)生很大的能量。形狀記憶合金是一種特殊的合金，即使變形，當?shù)竭_適當溫度，則恢復為變形前的形狀。超聲波驅動器是利用超聲波振動作為驅動力，結構簡單、體積小、重量輕、響應快、力矩大，適合于照相機和攝像機等驅動。人工肌肉是模擬生物體的運動功能在機器人上應用，利用機械化學物質的高分子凝膠等制作人工肌肉。光驅動器是利用某種強電介質受光照射，產(chǎn)生幾千伏/厘米的光感應電壓。

6.5 驅動方式的選擇

通過以上驅動形式的比較，結合同類機器人的設計經(jīng)驗，采用伺服電機驅動，并根據(jù)腰部、臂部及腕部作業(yè)情況，選用不同功率的伺服電機.

6.5.1 電機的計算

機器人工作能力為1 600袋/時，則Δt=2.25 s。

設轉動角速度為4π rad/s,

設手腕側擺的轉動慣量為J6，物體重量90 kg，末端執(zhí)行器重量30 kg，物體旋轉直徑為1 m計算。

所以

設控制手腕側擺的電機的轉矩為T6。

所以：T6=87.33 N·m

設手腕俯仰的轉動慣量為J5，物體重量90 kg，末端執(zhí)行器重量30 kg，腕部俯仰部分重量20 kg，腕長215 mm。

J5=ml2

所以

J5=15.05 kg·m2

T5=87.621 1 N·m

同理可得

J4=15.31 kg·m2，T4=89.15 N·m

J3=70.19 kg·m2，T3=408.65 N·m

J2=460.1 kg·m2，T2=2 678.69 N·m

J1=1 327.02 kg·m2，T1=7 725.89 N·m 6.5.2 減速器的設計計算

根據(jù)上述計算，減速器輸出的最小轉矩分別為：

T1min=7 725.89 N·mT2min=2 678.69 N·m

T3min=408.65 N·mT4min=89.15 N·m

T5min=87.621 1 N·mT6min=87.33 N·m

假設加速器的傳動效率為80%，選用減速比為29的減速器，電機需要輸出力矩：

Tout=Tmini·η

則：T1out=333.02 N·m

T2out=115.46 N·m

T3min=17.62 N·m

T4min=3.84 N·m

T5min=3.78 N·m

T6min=3.76 N·m

根據(jù)安川伺服電機選型手冊，3號伺服電機選用帶減速機的伺服電機：SGMGH-30AAAJ76C，4-6號伺服電機可選用同一款帶減速機的伺服電機：SGMGH-09AAAJ76C。

1號、2號轉矩過大，普通電機及減速器無法滿足要求，因此考慮選用諧波進行傳動，從而增大電機的輸出轉矩。

假設加速器的傳動效率為90%，選用減速比為100的諧波減速器，電機需要輸出力矩：

T1out=85.58 N·m

T2out=29.76 N·m

因此1 號、2 號電機選用安川不帶減速機伺服電機SGMGH-1EAAA4E，SGMGH-55AAA4E，減速器選用XB1-250型單級諧波傳動減速器。

7 結語

針對國內生產(chǎn)線傳統(tǒng)碼垛作業(yè)存在的不足，設計出一種6 自由度碼垛搬運機器人。該碼垛機器人具有應用廣泛、結構簡單、易于維護、工作效率高等特點。本文對碼垛搬運機器人機械系統(tǒng)組成進行了描述，并根據(jù)任務要求確定了碼垛搬運機器人的參數(shù)，分配自由度，根據(jù)各個關節(jié)的優(yōu)缺點，確定總體結構形式及傳動方式，通過對機器人系統(tǒng)的驅動方式的分析，確立了機器人系統(tǒng)機構的驅動方式，整個系統(tǒng)采用伺服電機驅動方式。碼垛搬運機器人的研究工作是一個復雜的過程，本文只是完成了最基本的機械系統(tǒng)設計，許多細節(jié)今后還需要多加完善。