碼垛機器人直驅(qū)技術(shù)研究

賈 帥，沈興全，肖 勇

(1.中北大學(xué) 機械工程與自動化學(xué)院，太原 030051;2.中國科學(xué)院 寧波材料技術(shù)與工程研究所，浙江寧波 315201)

0 引言

隨著工業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展，碼垛機器人越來越廣泛應(yīng)用于化工、醫(yī)藥、食品、家電等行業(yè)中［1］。根據(jù)不同的生產(chǎn)過程、物料及需求設(shè)計的碼垛機器人代替人工操作，可降低勞動成本，提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率，節(jié)約能源消耗，為企業(yè)創(chuàng)造了更大的利潤。據(jù)此，越來越多的國內(nèi)科研單位都開始致力于碼垛機器人的研究，并取得了一系列的成果［2］。這些研究主要聚焦于碼垛機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計，路徑規(guī)劃以及控制系統(tǒng)優(yōu)化等方面，而對碼垛機器人直驅(qū)技術(shù)的研究仍為空白。本文基于一款碼垛機器人的本體結(jié)構(gòu)，通過運動學(xué)和動力學(xué)分析，得出了底座電機的技術(shù)指標需求，設(shè)計了低速大力矩直驅(qū)電機，以替代伺服電機和減速器，從而減少了因為傳動裝置所造成的功率和能量損失，同時簡化了設(shè)備的安裝過程，提高了安裝精度以及傳動效率，使碼垛機器人的維修更簡便，振動更小、壽命更長［3-4］。

1 碼垛機器人結(jié)構(gòu)

在低速大力矩直驅(qū)電機設(shè)計時，需要用到碼垛機器人各部分的慣性矩以及一些技術(shù)參數(shù)，所以本文以某一國產(chǎn)碼垛機器人為例，根據(jù)現(xiàn)有的基本技術(shù)參數(shù)，對碼垛機器人進行運動學(xué)分析，得到碼垛機器人各部分慣性矩等數(shù)據(jù)，從而為低速大力矩直驅(qū)電機的設(shè)計提供輸入?yún)?shù)。

圖1 為碼垛機器人結(jié)構(gòu)簡圖［5］，A、B、C、D分別為機械臂機身底座旋轉(zhuǎn)電機，俯仰運動電機，前后運動電機以及末端旋轉(zhuǎn)電機;M、P、Q分別為機械臂BF、FH和CG的質(zhì)心。BE=240mm，CE=FG=260mm，GH=1170mm，CG=EF= 1080mm，PF= 693mm，GQ=516mm，F(xiàn)M=750mm。

圖1 碼垛機器人本體機構(gòu)

機械臂在初始時刻的結(jié)構(gòu)可進行簡化，如圖2 所示［6］。經(jīng)測量得到三點坐標D(865，2400)、H(715，2486)、F(-715，2486)。由FG=260 和FP=693，可求得P(-22，2486)、G(-455，2486)兩點坐標。

圖2 碼垛機器人機械臂結(jié)構(gòu)簡圖

根據(jù)機械臂的幾何關(guān)系，有

其中FE= 1080，BE= 240，Ze =1484 ，Xb =－230，Xe = －318 ，Zb =1261 ;

所以E(-318，1484);B(-230，1261);

同理可求得C、M、Q三點坐標分別為:

2 機械臂最大慣性矩計算

在低速大力矩直驅(qū)電機設(shè)計時需要知道所驅(qū)動對象的慣性矩大小。除電機本身的質(zhì)量外，碼垛本體的主要質(zhì)量集中在機器人的各個轉(zhuǎn)動機械臂上。在此忽略了若干配件的慣性矩，由此產(chǎn)生的誤差可以通過電機設(shè)計時增大最大力矩值Mm10%來補償。

本文研究的碼垛機器人的有效行程如圖3 所示。上圖顯示碼垛機器人前后運動和上下運動行程，分別為1300mm 和2000mm，下圖顯示機身和抓手的旋轉(zhuǎn)行程(330°)。

當圖2 中的碼垛機器人機械臂BF和CG逆時針旋轉(zhuǎn)與X軸平行位置，抓手D移動到前后方向的有效行程的最遠處時，機械臂的慣性矩之和最大，同時也是機械手抓在有效負載時的最大慣性矩，兩者之和即為碼垛本體的最大慣性矩。

圖3 碼垛機器人的有效行程

首先計算各個機械臂質(zhì)心到A軸的等效半徑。根據(jù)機械臂之間的幾何關(guān)系以及A軸的橫坐標Xa =－162 可得:

機械臂CG的質(zhì)心Q到A軸的等效半徑rCG =904;機械臂BF的質(zhì)心M到A軸的等效半徑rBF =502;機械臂HF的質(zhì)心P到A軸的等效半徑rHF =1308;機械手抓及有效負載質(zhì)心到A軸的等效半徑rD =2165。

機械臂CG 的慣性矩JCG =32.7 kg·m2

機械臂BF 的慣性矩JBF =12.6 kg·m2

機械臂HF 的慣性矩JHF =385 kg·m2機械手抓及有效負載重量為120kg，其慣性矩JD=281.2 kg·m2

3 低速大力矩直驅(qū)電機設(shè)計［7］

本文研究的碼垛機器人在機身做旋轉(zhuǎn)運動時沒有對角速度或角加速度的值提有限制性的要求，則機身運行過程可以設(shè)置為由一個簡單的加速過程和一個減速過程組成，這樣的運行設(shè)置可以使機身的定位時間最短，提高碼垛效率。圖4 給出碼垛機器人機身旋轉(zhuǎn)運動輪廓理想圖形。

圖4 碼垛機器人機身運動輪廓理想圖形

角加速度α(t) 角速度ω(t) 角度φ(t)

運行輪廓段I 功能:αI(t)=α;ωI(t)=αt;

運行輪廓段II 功能:αII(t)= －α;ωII(t)= －αt

通過分析可知，已知結(jié)束角φMax和所對應(yīng)的時間t1，可以計算出來需要的角加速度或角減速度。查閱相關(guān)資料結(jié)合圖3 碼垛機器人有效行程和實際生產(chǎn)情況得出由于角速度曲線在兩個階段的面積相同，適用:

求出的角加速度α 可以用來確定到達時間點t1/2時的角速度ωMax的大小:

可以計算出轉(zhuǎn)速n。

選擇力矩直驅(qū)電機是主要由電機驅(qū)動物體的力矩Mm及所需的轉(zhuǎn)速n來確定。對于所需要的碼垛機器人電機加速力矩適用:

其中Jm是電機本身的慣性矩，設(shè)計時未確定電機慣性矩，故先令

為了加速給定的碼垛機器人本體質(zhì)量，力矩直驅(qū)電機力矩Mm需要達到5478.6N·m 。根據(jù)前文所述，為了消除整個設(shè)計過程中產(chǎn)生的誤差，可以在選取電機時按所需最大力矩值Mm留有10%的控制余量，所以Mm=6026.5N·m。

根據(jù)上述計算設(shè)計最大的轉(zhuǎn)矩為6026.5N·m ，最大的轉(zhuǎn)速至少達到45r/min 的低速大力矩直驅(qū)電機，如圖5 所示。設(shè)計的力矩電機的慣性矩Jm =3.34kg·m2，此時將加速力矩Mm修正為:

因此碼垛機器人本體所需要的電機力矩Mm增加為6052.2N·m。

根據(jù)碼垛機器人的底座安裝尺寸及力矩電機的安裝尺寸圖將上述設(shè)計的力矩電機安裝到機器人底座，實現(xiàn)了力矩電機對碼垛機器人本體的直接驅(qū)動。

圖5 力矩電機

4 結(jié)論

低速大力矩直驅(qū)電機通過改變碼垛機器人本體的驅(qū)動方式，避免了對減速器的使用，減少了因為傳動裝置所造成能量損失，減小了機器振動，簡化了設(shè)備的安裝及維修過程，延長了機器壽命。同時隨著市場對大力矩直驅(qū)電機的需求增大，越來越多的研究機構(gòu)及企業(yè)都不斷加大了對力矩電機的研究與投入，使力矩電機的制作成本越來越低，可以廣泛應(yīng)用于碼垛機器人一類的裝置，具有十分廣闊的推廣前景［8-10］。

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