李珂嘉，陳選文，王保建，張 璐

（西安交通大學(xué)機械工程學(xué)院 陜西 西安 710049）

1 引言

基于第六屆全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽“智能物流小車”項目[1]，根據(jù)比賽要求搬運物料，需完成以下任務(wù)：按照預(yù)先設(shè)定的模式在特定比賽場地中完成相應(yīng)動作。本文對工訓(xùn)能力競賽的基于智能制造場景的物流機器人小車項目，提出幾點優(yōu)化。

2 設(shè)計目的

比賽中，機器人行至二維碼識別區(qū)，通過二維碼讀取需要搬運的三種顏色物料的順序，再移動到物料提取區(qū)，按照任務(wù)要求的順序依次將物料搬運并準(zhǔn)確放置到物料存放區(qū)對應(yīng)的顏色區(qū)域內(nèi)，完成任務(wù)后機器人回到出發(fā)區(qū)域。物流小車應(yīng)該具有場地自主路徑規(guī)劃[2]、目標(biāo)位置識別[3]、自主移動、二維碼讀取、物料顏色識別或形狀識別、物料抓取和搬運等功能。

所有的設(shè)計須在完成必要比賽的前提下，在更短的時間里完成比賽流程，提高運行穩(wěn)定性與放置準(zhǔn)確度。

鑒于此，提出機械臂與機械手的優(yōu)化[4]，最終能夠縮減抓取時間，提高抓取效率。此外驅(qū)動底盤的優(yōu)化，能夠緩沖凹凸路面帶來的沖擊。

圖1 智能物料搬運機器人比賽場地示意圖

3 機械手臂優(yōu)化

3.1 機械臂平行四邊形連桿結(jié)構(gòu)保持末端水平

為解決物料傾斜或晃動問題，在保證機械臂完成必要轉(zhuǎn)向與抓取任務(wù)的同時，保持放置時機械臂末端水平，此動作要求機械臂至少有四個自由度才能完成末端水平的調(diào)整。

對機械臂進(jìn)行如下優(yōu)化，機械臂采用獨特的平行四邊形連桿結(jié)構(gòu)，見圖2 所示。

圖2 機械臂平行四邊形連桿結(jié)構(gòu)

固定AB 剛性桿與地面垂直，機械臂的伸縮和升降都由連桿AC、BD 運動完成，與CD 剛性桿垂直固定的機械手抓系列圓弧桿件EF、GH、IJ、KL 會在運動過程中始終保持水平狀態(tài)。此過程調(diào)整機械手抓依靠的是平行四邊形連桿機構(gòu)對邊平行的性質(zhì)，而不是舵機轉(zhuǎn)動角度來完成，因此減少一個自由度。由此使得機械臂結(jié)構(gòu)簡單而高效，且末端質(zhì)量減輕，穩(wěn)定性更好。

3.2 采用圓盤云臺底座

在萬向底盤中，實現(xiàn)機械臂的轉(zhuǎn)向需要在與底盤連接的地方增加一個步進(jìn)電機，因機械臂上所有重力都由步進(jìn)電機軸來承重，當(dāng)重力不平衡時阻力會急劇增大，對電機的轉(zhuǎn)向造成影響，見圖3 所示。

優(yōu)化方案：如圖4 在機械臂運動過程中具有平衡與穩(wěn)定的作用。

圖3 傳統(tǒng)舵機云臺

圖4 優(yōu)化后的步進(jìn)電機云臺

3.3 機械手抓的優(yōu)化

機械手抓要求實現(xiàn)抓放這一動作，即一個自由度，但工件大小形狀各不相同時，不僅要完成工件的抓取，更要抓穩(wěn)抓牢，使工件在轉(zhuǎn)運的過程中不被破壞和滑落。

傳統(tǒng)方案1：舵機驅(qū)動，通過齒輪減速，見圖5、圖6所示。這種方法比較笨重，抓取速度較慢。

圖5 傳統(tǒng)方案

圖6 傳統(tǒng)方案

方案二：以舵機作為驅(qū)動連桿輔助抓放的機械手，見圖7、圖8 所示，這種方法機械手的抓放開度太小，鉛錘方向穩(wěn)定性過差。

圖7 傳統(tǒng)方案

圖8 傳統(tǒng)方案

優(yōu)化方案：取消齒輪傳動和輔助連桿，將機械手連接在舵機上，在鉛錘方向并列增加了一系列與物料配套的圓弧桿件。這種方案使機械手的張度大，鉛錘方向穩(wěn)定性好。見圖9、圖10 所示。

圖9 優(yōu)化方案

圖10 優(yōu)化方案

4 結(jié)語

本文討論了在物流小車的制作過程中可能遇到的問題以及相應(yīng)的解決方案，提出新的方案并做出創(chuàng)新性的優(yōu)化。最終簡化設(shè)計方案，提高精度和機器人小車性能，保證機器人小車在復(fù)雜環(huán)境中的穩(wěn)定工作。