［摘 要］文章針對安裝高度空間有限的重型貨物搬運問題，設(shè)計了一種重載水平多關(guān)節(jié)裝卸機器人。為減小高度空間占用，該機器人結(jié)構(gòu)采用大臂小臂等高串聯(lián)的形式和鋼絲繩卷揚形式的升降軸；為擴大小臂的回轉(zhuǎn)范圍，設(shè)置了隨動傳動機構(gòu)的輔助臂。同時，對裝卸機器人的控制系統(tǒng)進行了設(shè)計，并根據(jù)不同極限工況下的受載情況，對整機進行了有限元分析。結(jié)果表明，最大應(yīng)力發(fā)生在工況一時輔助臂上，最大值為199.8 MPa。最大變形量發(fā)生在工況一時，節(jié)點最大綜合位移為35 mm，機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。

［關(guān)鍵詞］重載；多關(guān)節(jié)機器人；機械結(jié)構(gòu)；有限元

［中圖分類號］TH24 ；TP24 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）05–0081–03

關(guān)節(jié)機器人在智能制造業(yè)裝卸作業(yè)中的應(yīng)用，不僅可以提高勞動生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量，而且能夠縮短生產(chǎn)準備周期和改善勞動條件，逐漸成為高端裝備的重要組成部分及未來發(fā)展趨勢[1-2]。水平關(guān)節(jié)機器人是一種圓柱坐標型的特殊類型的工業(yè)機器人，傳統(tǒng)的水平關(guān)節(jié)機器人結(jié)構(gòu)輕便、響應(yīng)快，適用于較小負載的平面定位、垂直方向進行裝卸作業(yè)[3]。機器人I 軸、II 軸一般在高度方向疊加布置，需要在高度上占用一定空間。當(dāng)在需要進行重型貨物搬運且安裝高度空間有限的應(yīng)用場合，如車載環(huán)境、空間較小且高度有限的車間環(huán)境等，傳統(tǒng)的水平關(guān)節(jié)機器人、搬運機器人等均難以適應(yīng)。針對此問題，文章設(shè)計了一種重載水平多關(guān)節(jié)機器人。

1 裝卸機器人結(jié)構(gòu)和原理

操作人員可以通過手持機器人操控終端控制機器人的裝卸作業(yè)。機器人使用了重載水平關(guān)節(jié)機器人多軸復(fù)合運動控制算法，可以實現(xiàn)展臂、尋找倉位、直線出倉、直線入艙、姿態(tài)切換、收臂等自動流程，卷揚機構(gòu)則由操作人員通過操控終端上的手柄進行手動控制。

圖1 為裝卸機器人主要結(jié)構(gòu)原理圖。裝卸機器人主要由立柱、大臂、輔助臂、小臂、吊具5 個部分組成。其中立柱為機器人的基座，承載機器人自重及機器人末端所抓取的負載重量；大臂安裝于立柱之上，可繞立柱旋轉(zhuǎn)，此旋轉(zhuǎn)軸定義為機器人I 軸；輔助臂一端與大臂相連，可繞大臂旋轉(zhuǎn)，此旋轉(zhuǎn)軸定義為機器人II 軸；小臂與輔助臂另一端相連，可繞輔助臂旋轉(zhuǎn)，此旋轉(zhuǎn)軸定義為機器人III 軸；吊具位于小臂末端下方，通過鋼絲繩與小臂內(nèi)的卷揚機構(gòu)相連，可在豎直方向上升降。

其中，機器人大臂主要由大臂結(jié)構(gòu)件、I 軸電機及減速機、II 軸電機及減速機、機器人驅(qū)動箱等組成。機器人驅(qū)動箱內(nèi)含機器人濾波器和驅(qū)動機器人I 軸、II 軸、卷揚機構(gòu)伺服電機的電氣元件，腔體可靠密封，且兼顧電磁屏蔽設(shè)計。輔助臂主要由輔助臂結(jié)構(gòu)件、傳動齒輪機構(gòu)等構(gòu)成，用于連接III 軸與II 軸，并實現(xiàn)III 軸與II 軸的隨動。其中傳動齒輪采用1 ∶ 1 傳動比傳動，連接II 軸與III 軸轉(zhuǎn)軸，當(dāng)II 軸在伺服電機控制下回轉(zhuǎn)時，III 軸將隨II 軸做同向、等速回轉(zhuǎn)。輔助臂結(jié)構(gòu)在不增加機器人伺服軸的前提下，大幅增加大臂、小臂間運動的靈活度，使大臂、小臂間夾角可擴展至±180°，同時降低了II 軸轉(zhuǎn)速，有利于其延長減速機壽命。小臂由小臂結(jié)構(gòu)件、卷揚伺服電機及減速機、鋼絲繩卷揚機構(gòu)、鋼絲繩張緊機構(gòu)、吊具自動釋放觸發(fā)機構(gòu)、二級制動器等構(gòu)成。其中，卷揚伺服電機及減速機、鋼絲繩卷揚機構(gòu)用于實現(xiàn)吊具的升降，并通過鋼絲繩張緊機構(gòu)保證鋼絲繩工作過程中有序纏繞在卷筒之上。除伺服電機自身制動器外增設(shè)的二級制動器，用于提高卷揚機構(gòu)的安全性，該制動器控制與電機自身制動器相獨立，可更加有效地防止重物失控下滑。吊具自動釋放機構(gòu)與機器人小臂內(nèi)部的吊具自動釋放觸發(fā)機構(gòu)配合，實現(xiàn)倉內(nèi)自動釋放功能。吊具同時具備連接狀態(tài)指示標識，可便于操作人員判斷吊具狀態(tài)。

機器人立柱下方還設(shè)有傾角傳感器，用于實時監(jiān)測整車傾斜角度，控制系統(tǒng)將根據(jù)當(dāng)前傾角，通過坡度自適應(yīng)算法，對機器人的相關(guān)示教點位、自動運行軌跡及運行速度進行自動修正，實現(xiàn)了裝卸機器人對于地面不水平度的智能適應(yīng)。機器人主要性能參數(shù)見表1。

2 控制系統(tǒng)

機器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示，由計算機、操控終端（機器人操作終端及應(yīng)急操作面板）、電機軸伺服單元（包括伺服電機及驅(qū)動器）、傾角傳感器、電動推桿及推桿傳感器、卷揚到位傳感器組成。計算機用于采集操作終端、驅(qū)動器及傳感器信號，經(jīng)過內(nèi)部系統(tǒng)控制算法建模運算，輸出有效控制信號，控制伺服電機和推桿電機動作，完成貨物裝卸任務(wù)。系統(tǒng)對裝卸機器人設(shè)置運動機構(gòu)安全互鎖，對于運動機構(gòu)相互之間可能會出現(xiàn)機械位置干涉或發(fā)生危險的情況，系統(tǒng)會自動規(guī)避或不響應(yīng)運動指令，并報警提示以保證機械結(jié)構(gòu)及運動安全。如機器人運動半徑限制、防止機器人碰撞前后箱體限制等。裝卸機器人操作終端用于將操作人員的指令傳遞給計算機，同時顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)信號。應(yīng)急操作面板用于切換裝卸機器人的運動狀態(tài)及工作模式。伺服單元中，1 軸伺服單元控制裝卸機器人的大臂動作；2 軸伺服單元控制裝卸機器人的小臂動作；卷揚伺服單元控制裝卸機器人的卷揚升降動作。伺服單元控制方式采用前饋加位置、速度、電流三閉環(huán)控制方式，此種控制方式使得電機軸的運動平穩(wěn)，加減速響應(yīng)快，定位準確，穩(wěn)態(tài)誤差小，保證了機器人運動的直線度及關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)精度，降低了重復(fù)定位誤差。傾角傳感器用于檢測裝卸機器人底座與地面之間的夾角值，通過串行通訊總線發(fā)送給計算機，對吊裝位置進行角度補償。電動推桿及推桿傳感器用于裝卸機器人吊具的自動解鎖，當(dāng)裝卸機器人吊裝箱/ 架完成且滿足解鎖條件時，推桿自動伸出觸發(fā)吊具機構(gòu)解鎖。

裝卸機器人控制系統(tǒng)接收機器人操作終端發(fā)出的控制命令，經(jīng)計算機對機器人模型正反解控制算法進行計算，規(guī)劃出機器人的運動速度和路徑，并將其轉(zhuǎn)化為驅(qū)動單元可識別的控制信號，發(fā)送至伺服驅(qū)動器，伺服驅(qū)動器對伺服電機進行調(diào)速和定位控制，完成貨物的裝卸任務(wù)。

3 仿真分析

根據(jù)機器人工作實際情況，在兩極限工況下（工作點位一，機器人工作在最大工作幅度，額載630 kg，承受28.3 m/s 的風(fēng)載，工作在6°坡度；工作點位二，機器人工作在折臂位，所承受額載、風(fēng)載及工作坡度與點位一相同）進行有限元分析。為保證受力過程中各部件之間載荷傳遞的準確性，采用整體受力分析，其有限元模型如圖3 所示。材料物理特性為：彈性模量2×1011 Pa、泊松比為0.3、密度為7.85×103 kg/m3。有限元模型單元采用具有適用于不規(guī)則形狀、計算精度高的C3D10單元（3 維10 節(jié)點實體）。

圖4 和圖5 為仿真應(yīng)力及綜合位移結(jié)果。根據(jù)不同工況下的分析結(jié)果可知，機器人結(jié)構(gòu)在工況一下應(yīng)力值最大為199.8 MPa，此處材料采用的是HG785E材料， 其他采用Q345E 材料的位置強度均低于160 MPa，整體在工況一下變形量最大，節(jié)點最大綜合位移為35 mm。機器人整體安全系數(shù)大于2。

4 結(jié)論

文章將傳統(tǒng)水平關(guān)節(jié)機器人大臂小臂疊放串聯(lián)布置的形式改變?yōu)榈雀叽?lián)的形式，減小了高度空間占用，更加適應(yīng)有限空間內(nèi)重載搬運的使用場景，動作靈活且平穩(wěn)快速；通過設(shè)有隨動傳動機構(gòu)的輔助臂的設(shè)置，該設(shè)計擴大了小臂的回轉(zhuǎn)范圍，解決了大臂與小臂直接等高串聯(lián)導(dǎo)致的回轉(zhuǎn)范圍受限問題；同時，通過將傳統(tǒng)水平關(guān)節(jié)機器人的升降軸由絲杠絲母形式改變?yōu)殇摻z繩卷揚形式，進一步減小了高度空間占用，增大了起升行程。在不同極限工況下，機器人機械結(jié)構(gòu)的有限元仿真分析驗證了機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。

參考文獻

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