吳超群，張 波，于聯(lián)周，李洪鵬

（沈陽城市建設(shè)學(xué)院，遼寧沈陽 110167）

0 引言

機(jī)器人行業(yè)是現(xiàn)階段國家大力扶持的前瞻戰(zhàn)略性技術(shù)，前景廣闊，隨著人工智能等前沿技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人結(jié)構(gòu)、功能愈發(fā)完善。近年來，各行各業(yè)紛紛開展自動化、智能化改革，而在此期間，部分產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生了機(jī)器人需求，尤其是工業(yè)產(chǎn)業(yè)的機(jī)器人需求較大，且部分生產(chǎn)線已實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人自動化。為提升機(jī)器人性能，應(yīng)對機(jī)器人末端執(zhí)行器進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，使末端執(zhí)行器的轉(zhuǎn)換更為靈敏準(zhǔn)確。

1 機(jī)器人末端執(zhí)行器

目前，我國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速且穩(wěn)定，已研發(fā)出工業(yè)機(jī)器人、空間機(jī)器人、水下機(jī)器人等，其中工業(yè)機(jī)器人具備了裝配、點(diǎn)焊、弧焊、噴漆、沖壓、注塑、搬運(yùn)等功能，并已在制造業(yè)形成了機(jī)器人自動化生產(chǎn)線，且部分機(jī)器人技術(shù)已達(dá)到世界領(lǐng)先水平。

工業(yè)機(jī)器人最初是應(yīng)用在汽車制造業(yè)，隨著機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)已逐漸被應(yīng)用到化工、建筑、機(jī)械、礦山開采、船舶、輕工等領(lǐng)域，同時，工業(yè)機(jī)器人的作業(yè)場景逐漸呈現(xiàn)出多樣化特點(diǎn)，如流水線、物流分揀等。工業(yè)機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)多功能、多場景應(yīng)用?？鞊Q裝置是機(jī)器人更換工具的中間構(gòu)件，工業(yè)機(jī)器人作業(yè)期間，需在快換裝置作用下更換末端執(zhí)行器工具，以完成不同操作?，F(xiàn)階段大部分機(jī)器人通常將末端執(zhí)行器替換下來的工具置于桌面或地面，但機(jī)器人作業(yè)期間通常涉及多種工具，直接置于桌面或地面，將造成空間浪費(fèi)，同時工具放置期間延長了末端執(zhí)行器工具更換時間，因此，為提升機(jī)器人性能，需設(shè)計研究放置裝置。

2 國內(nèi)外現(xiàn)有快換放置架分析

2.1 國外多規(guī)格放置架

國外機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快，早已認(rèn)識到快換放置架在機(jī)器人作業(yè)中的作用，為更好地應(yīng)對不同規(guī)格、功能的機(jī)器人，已研制了不同型號的快換放置架，并分為大型、中型、小型3 個規(guī)格，此外，根據(jù)末端執(zhí)行器快換放置方式，又細(xì)分為掛鉤放置架、銷和托架工具放置架、V 形板水平放置架、銷和襯套放置架，用戶可結(jié)合機(jī)器人末端執(zhí)行器大小尺寸及作業(yè)所需更換的工具數(shù)量，選擇不同規(guī)格的快換放置架。

（1）掛鉤放置架。安裝工具掛鉤，當(dāng)末端執(zhí)行器更換工具后，可將工具掛至掛鉤放置架上，相較于其他放置架方式，該形式具有占用位置小、負(fù)重小的優(yōu)勢。

（2）銷和托架工具放置架。該快換放置架可安裝至機(jī)器人立柱或水平橫梁上，工具可在過渡盤幫助下固定放置在放置架托架上，此外，在氣孔支柱作用下，氣動快換工具同樣可以放置。

（3）V 形板水平放置架。該類型放置架使用時必須設(shè)置過渡盤，且用于放置末端執(zhí)行器的槽位呈V 形，能夠使過渡盤支撐柱順利進(jìn)入槽位，繼而實(shí)現(xiàn)工具的放置。

（4）銷和襯套放置架。將其作為外設(shè)塊安裝至機(jī)器人立柱或水平橫梁上，兩個位置均可安裝兩個放置架，用戶可根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整放置架安裝間距，或安裝過渡盤輔助放置過程，通過銷孔定位方式將末端執(zhí)行器置于快換放置架上[1]。

2.2 國外焊槍快換放置架

焊接機(jī)器人作業(yè)工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛的機(jī)器人種類，為確保焊槍從末端執(zhí)行器換下后得到妥善放置，現(xiàn)已出現(xiàn)同時放置4 個焊槍工具的快換放置架，并可以采用PLC 控制方式進(jìn)行模塊集成控制，設(shè)置傳感器加以監(jiān)測，放置效果優(yōu)異，但僅在焊接機(jī)器人中應(yīng)用，適用場景較少。

2.3 國內(nèi)快換放置架形式

近年來，國家對機(jī)器人行業(yè)大力支持，國內(nèi)已出現(xiàn)了優(yōu)秀的機(jī)器人企業(yè)，并結(jié)合機(jī)器人末端執(zhí)行器快換放置架的需求，研發(fā)出了大、中、小型快換放置架。其中中、小型快換放置架采用限位銷、托架方式完成支撐，輔以過渡盤實(shí)現(xiàn)工具固定，而大型快換放置架，則通過銷孔定位方式及過渡盤實(shí)現(xiàn)工具放置[2]。此外，在長期發(fā)展中，現(xiàn)已出現(xiàn)了無需安裝過渡盤的快換放置架，其運(yùn)用銷孔定位方式固定工具，同時對工具盤開設(shè)孔位，在避免過渡盤的同時減少了工具側(cè)重量，為工具快換創(chuàng)造了良好條件。

3 設(shè)計方案

3.1 整體思路

由于不同機(jī)器人功能、操作目的均有不同，末端執(zhí)行器存在較大差異，在不同功能設(shè)計及操作場景下，部分末端執(zhí)行器垂出現(xiàn)重心不均、形狀無序、重量不統(tǒng)一的情況，在差異化末端執(zhí)行器作用下，需針對普遍情況進(jìn)行快換放置架設(shè)計。本次快換放置架設(shè)計，由主框架、導(dǎo)向定位銷、放置板、壓縮彈簧板系統(tǒng)、到位傳感器等構(gòu)成，其中導(dǎo)向定位銷呈錐形結(jié)構(gòu)，能夠與機(jī)器人末端執(zhí)行器定位銷孔相匹配，當(dāng)末端執(zhí)行器的導(dǎo)正、定位放置，在實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位的同時，為便捷取放奠定基礎(chǔ)[3]。為確保末端執(zhí)行器能夠準(zhǔn)確平穩(wěn)放置于快換放置架上，需借助到位傳感器快速感應(yīng)末端執(zhí)行器對快換放置架的壓力情況，以此了解末端執(zhí)行器工具放置是否規(guī)范穩(wěn)定。設(shè)計的末端執(zhí)行器快換放置架具有緊湊集成特征、占地面積小、適用于不同末端執(zhí)行器工具類型同時具有放置便捷的優(yōu)勢。

3.2 多類型放置

3.2.1 偏心型、懸臂型

偏心型和懸臂型（圖1）末端執(zhí)行器的重心位置與定位點(diǎn)較遠(yuǎn)，放置時易出現(xiàn)側(cè)翻，無法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定放置，為此增設(shè)頂撐支座結(jié)構(gòu)，用于緩解放置板承載壓力，避免末端執(zhí)行器重量不均勻放置問題，使其重力均勻分?jǐn)偅D(zhuǎn)移重力，以此確保機(jī)器人末端執(zhí)行器工具穩(wěn)定放置于快換放置架上，避免放置架因受壓不均而受損，同時規(guī)避了工具放置時的沖擊。

圖1 懸臂型末端執(zhí)行器

3.2.2 較重型

除偏心型末端執(zhí)行器以及懸臂型末端執(zhí)行器外，較重型末端執(zhí)行器是常用類型，由于該類末端執(zhí)行器較重，對快換放置架的放置板強(qiáng)度提出了更高的要求。本著盡可能減少快換放置架占用空間的設(shè)計思路，需確保較重型末端執(zhí)行器能夠與其他末端執(zhí)行器同時使用一個快換放置架，減少空間占用，實(shí)現(xiàn)快換放置架與空間資源的最大化利用[4]。為實(shí)現(xiàn)上述目的，快換支撐架增設(shè)壓縮彈簧板系統(tǒng)，由彈簧、下?lián)伟?、上撐板?gòu)成，當(dāng)機(jī)器人末端執(zhí)行器產(chǎn)生放置需求時，壓縮彈簧板系統(tǒng)憑借其彈性變形作用，對機(jī)器人末端執(zhí)行器工具放置位態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以確保末端執(zhí)行器工具平穩(wěn)放置于快換支撐架上，減緩放置過程對快換支撐架的沖擊，繼而避免損壞支撐架結(jié)構(gòu)。

3.2.3 較輕型、重心居中型

該類末端執(zhí)行器在機(jī)器人結(jié)構(gòu)中較為常用，其末端執(zhí)行器上有定位銷孔，與導(dǎo)向定位銷組合，對末端執(zhí)行器取放過程進(jìn)行位態(tài)導(dǎo)正與精準(zhǔn)定位，以此確保末端執(zhí)行器工具精準(zhǔn)放置于放置架結(jié)構(gòu)上（圖2）。

圖2 輕型末端執(zhí)行器

3.3 到位傳感器的設(shè)計應(yīng)用

快換放置架結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)置到位傳感器，用于檢測末端執(zhí)行器對快換放置架的作用力，根據(jù)到位傳感器檢測到的數(shù)值即可了解末端執(zhí)行器工具放置情況，以及時校正放置情況，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)到位放置的同時，能夠以此為依據(jù)，對所設(shè)計的快換放置架結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，在不斷調(diào)整優(yōu)化中，完善快換放置架設(shè)計結(jié)果[5]。

經(jīng)上述不同類型的機(jī)器人末端執(zhí)行器針對性分析討論，能夠確保本次設(shè)計的快換放置架適用于大多數(shù)末端執(zhí)行器類型，具有一定的普適性，且在結(jié)構(gòu)集成調(diào)整下減少快換放置架所占空間，更便于實(shí)際作業(yè)應(yīng)用，為末端執(zhí)行器工具提供了規(guī)范有序的放置裝置，改變了以往置于桌面、地面的情況。

4 應(yīng)用分析

在現(xiàn)代各行各業(yè)發(fā)展建設(shè)中，機(jī)器人所發(fā)揮的作用越來越大，尤其在先進(jìn)制造業(yè)產(chǎn)業(yè)中，更是扮演著關(guān)鍵支撐裝備的角色，推動產(chǎn)業(yè)智能化發(fā)展，在此形勢下，機(jī)器人相關(guān)產(chǎn)業(yè)成為國家高端制造、科技創(chuàng)新的標(biāo)志，必須予以足夠重視。隨著機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，進(jìn)入機(jī)器人2.0 時代后，工業(yè)機(jī)器人已具備自執(zhí)行、自決策、自感知能力，智能化程度更高[6]。機(jī)器人功能愈發(fā)完善，逐漸在不同作業(yè)場景中發(fā)揮作用，這就要求機(jī)器人在末端執(zhí)行器幫助下完成不同工作，要求機(jī)器人結(jié)合作業(yè)要求調(diào)整末端執(zhí)行器類型或工具。本次所設(shè)計的快換放置架，為末端執(zhí)行器及其工具的放置提供了平穩(wěn)空間，可在多結(jié)構(gòu)作用下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定精準(zhǔn)放置，且可適用于不同規(guī)格末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)及工具類型，普適性較高，此外，本次設(shè)計的末端執(zhí)行器快換放置架結(jié)構(gòu)緊湊，空間利用程度高，符合機(jī)器人快換需求。

5 結(jié)束語

綜上所述，機(jī)器人技術(shù)作為新時代關(guān)鍵技術(shù)之一，已在多個行業(yè)中發(fā)揮出重要作用。為適用于各類作業(yè)場景，機(jī)器人需在快換裝置作用下更換適宜末端執(zhí)行器，在傳統(tǒng)作業(yè)中，通常將更換下的末端執(zhí)行器置于桌面或地面，在一定程度上降低了機(jī)器人的作業(yè)效率，且不利于作業(yè)場地的規(guī)范管理。機(jī)器人末端執(zhí)行器快換放置架的設(shè)計應(yīng)用，可以滿足各類機(jī)器人快換末端執(zhí)行器的需求。