新型三自由度搬運機器人關鍵技術

譚玉良，邰召勤，王夢濤，高魯文，余　亮，張良安（.安徽工業(yè)大學機械工程學院，安徽馬鞍山4303；.安徽華創(chuàng)智能裝備有限公司，安徽馬鞍山4303）

新型三自由度搬運機器人關鍵技術

譚玉良1，邰召勤2，王夢濤1，高魯文1，余亮1，張良安1
（1.安徽工業(yè)大學機械工程學院，安徽馬鞍山243032；2.安徽華創(chuàng)智能裝備有限公司，安徽馬鞍山243032）

針對從事機床上下料等工作的SCARA機器人，其電機和減速裝置靠近執(zhí)行末端，造成占用空間大、能效低的問題，設計一種新型三自由度搬運機器人，該機器人將前兩關節(jié)的驅(qū)動裝置集中于基座?；谶@種新型構(gòu)型，采用D-H法建立該機器人運動學模型并進行運動學分析，采用修正梯形模式的速度、加速度和位移方程進行軌跡規(guī)劃，利用SolidWorlks軟件建立新型三自由度搬運機器人的三維結(jié)構(gòu)模型。制作簡化的機器人模型和機器人實體，分別進行點到點運動比較試驗和機床上下料的搬運試驗。結(jié)果表明：該三自由度搬運機器人的結(jié)構(gòu)設計有效降低了末端質(zhì)量，增大了操作空間；且滿足搬運、分揀等功能要求。

搬運機器人；結(jié)構(gòu)設計；運動學模型；軌跡規(guī)劃

工業(yè)機器人是完成抓取、分揀、包裝等重復性操作的自動化裝備［1-2］。為了減輕人工勞動強度，提高工作效率，工業(yè)機器人被廣泛應用于工廠自動化生產(chǎn)中［3-4］。現(xiàn)階段，國內(nèi)外對于搬運機器人的研究趨于成熟，如日本、歐美國家已將碼垛［5］、五軸、六軸［6］等搬運機器人按照質(zhì)量分成不同型號，上海沃迪公司設計的碼垛機器人已成為世界行業(yè)領先者［7］。然而，對于廣泛應用于機床上下料等搬運作業(yè)的SCARA機器人，由于其電機和減速機主要安裝在本體的小臂上，使末端執(zhí)行器部分過于臃腫，作業(yè)空間受到一定的限制，須采用昂貴的RV減速機及諧波減速機。為了克服上述不足，設計一種用于物料搬運的新型三自由度搬運機器人，以期擴大現(xiàn)有搬運機器人的使用范圍、降低制造成本。

圖1　搬運機器人系統(tǒng)組成Fig.1 System of transfer robot

1　機械結(jié)構(gòu)設計

三自由度搬運機器人主要由執(zhí)行機構(gòu)（即機械部分）、驅(qū)動機構(gòu)和控制機構(gòu)三大部分組成［8］，其系統(tǒng)組成如圖1。其中執(zhí)行結(jié)構(gòu)一般包括主動臂、從動臂和末端執(zhí)行器［9］。

搬運機器人常用的機械結(jié)構(gòu)包括機械手式、龍門式、懸臂式和關節(jié)式等［10］。本文采用二自由度串聯(lián)機械手結(jié)構(gòu)，2個驅(qū)動裝置驅(qū)動2個主動臂，實現(xiàn)平面內(nèi)的運動；末端加1個豎直方向上的驅(qū)動，實現(xiàn)空間內(nèi)三自由度的運動。

圖2　新型三自由度搬運機器人三維模型Fig.2 Three-dimensional model of new 3-DOFT-robot

設計的新型三自由度機械人結(jié)構(gòu)如圖2。該機構(gòu)基于含局部閉鏈式碼垛機器人，去除底座和手座2個轉(zhuǎn)動關節(jié)，將前兩關節(jié)的驅(qū)動裝置集中于基座，在末端執(zhí)行部分添加1個豎直驅(qū)動裝置，以降低末端質(zhì)量。此結(jié)構(gòu)屬于串聯(lián)機器人機構(gòu)，2個主動支鏈和1個從動支鏈分離，從結(jié)構(gòu)上可解決串聯(lián)機構(gòu)作業(yè)空間不足的問題。其機構(gòu)包括機架、末端執(zhí)行器、第一主動支鏈、第二主動支鏈、從動支鏈。第一主動支鏈、第二主動支鏈和從動支鏈均為平行四邊形結(jié)構(gòu)，共同保持動平臺姿態(tài)的不變。第一主動支鏈由第一主動臂、第一保姿態(tài)連接桿、保姿態(tài)桿、機架組成；第二主動支鏈由第一主動臂、第二主動臂、從動臂、小臂連接桿組成；從動支鏈由豎直驅(qū)動裝置安裝板、從動臂、保姿態(tài)桿、第二保姿態(tài)連接桿組成。

該機器人采用平行四邊形結(jié)構(gòu)和串聯(lián)支鏈結(jié)構(gòu)限制平臺的自由度。與SCARA機器人和五軸、六軸機器人相比，其結(jié)構(gòu)簡單、安裝調(diào)試方便；另外解決了機械結(jié)構(gòu)剛度不足問題，可選用普通的行星減速機替換RV減速機或諧波減速機，降低機構(gòu)的制造成本。

2　關鍵技術分析

三自由度搬運機器人的關鍵技術包括運動學分析、軌跡規(guī)劃、路徑規(guī)劃及控制系統(tǒng)設計等。

2.1運動學分析

運動學分析主要歸為兩類問題：運動學正解；運動學逆解。運動學正解依據(jù)關節(jié)變量和機器人桿件尺度參數(shù)，求解機器人末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)；運動學逆解即在已知機器人的末端執(zhí)行器的起點和終點條件下求解機器人各關節(jié)變量?？紤]到第一主動臂與第一保姿態(tài)連接桿及第二主動臂與從動臂等長且平行，文中將設計的新型三自由度搬運機器人簡化成3個二自由度4桿鉸接機構(gòu)，并基于D-H法建立該搬運機器人的運動學模型，如圖3。文中僅對該搬運機器人進行運動學逆解分析。

圖3　搬運機器人運動學模型Fig.3 Kinematic model of T-robot

在已知動平臺參考點o的位矢γ=（x，y）T的條件下，確定主動臂轉(zhuǎn)角θi（i=1，2）。如圖3所示，在固定坐標系o-xy下構(gòu)造閉環(huán)方程，

式中l(wèi)1，l2，μ1，μ2分別表示支連中主、從動臂桿長和單位矢量。 μ1=（cosθ1，sinθ1），μ2=（cosθ2，sinθ2）。對式（1）兩端取模并開平方，得如下方程：

其中A，B，C，D為待定常數(shù)。根據(jù)式（2），可以解出

根據(jù)式（3）可確定單位矢量μ1，由（1）式可以得μ2。

2.2軌跡規(guī)劃

常用軌跡規(guī)劃有正弦模式、多項式模式和修正梯形模式?？紤]到速度和加速度的躍度和跳度不能太大，本文選擇修正梯形模式［11-13］。修正梯形模式加速度分段方程如式（4）。

由式（4）得速度方程（5）。

對式（5）兩邊積分，再根據(jù)邊界條件t=0時，v=0，s=0，得位移方程（6）。

式中：a為瞬時加速度；amax為最大加速度；T為運動周期；v為瞬時速度；s為運動路程。

2.3路徑規(guī)劃

根據(jù)軌跡規(guī)劃方程和搬運工件的外形尺寸建立搬運軌跡模型，模型以圖片形式存于PC機。搬運機器人軟件系統(tǒng)對圖片進行離散、取點、分割等處理，將搬運過程離散成基本的軌跡段，如直線、斜線、圓弧等。然后對基本的軌跡段進行二次插補運算，得到脈沖運動指令。脈沖指令通過CAN總線傳輸至伺服電機，伺服電機動作完成搬運。改變工件的搬運軌跡可改變機器人運動路線。

2.4控制系統(tǒng)設計

機器人控制系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成。以PC機+PCI運動控制卡+遠程擴展模塊構(gòu)成開放式的下位機硬件控制系統(tǒng)［13-14］，運動控制采用位置控制模式，由PC機和PCI-DMC-A01運動控制卡發(fā)出運動控制脈沖信號，通過ASD-DMC-RM32PT模塊接至伺服電機驅(qū)動器，實現(xiàn)對各電機的運動控制。PCIDMC-A01型12軸運動控制軸卡運行于DMCNETTM網(wǎng)絡（Delta Motion Control Network，一種基于CANopen的網(wǎng)絡），通信頻寬高達2.5 MB/s，最遠通信距離30 m，1張卡可在1 ms內(nèi)同步處理12軸伺服電機，另配ASD-DMC-RM32PT（I/O）模塊以處理抱閘等數(shù)字量。

圖4　軟件控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.4 General structure of software control system

采用Win7操作系統(tǒng)和可視化編程軟件Labview完成上位機軟件系統(tǒng)的開發(fā)，軟件控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖4。當程序開始時，系統(tǒng)在后臺自動調(diào)用運動控制卡各模塊函數(shù)，進行程序的初始化；待外部參數(shù)設置完成，系統(tǒng)讀取輸入輸出信號，控制機器人的運動，完成抓放動作，并在運動過程中對運動狀態(tài)進行實時監(jiān)控。

圖5　新型三自由度搬運機器人試驗模型Fig.5 Experimental model of new 3-DOFT-robot

3　試驗分析

按照文中設計機器人的機械結(jié)構(gòu)加工機器人試驗模型。為節(jié)省成本，在保證末端執(zhí)行器平動的條件下，去掉第一姿態(tài)桿和小臂連接桿，將試驗模型進行簡化，結(jié)果如圖5。采用該搬運機器人模型與安徽華創(chuàng)智能裝備公司生產(chǎn)的SCARA機器人進行點到點的運動比較試驗。試驗過程中將置于工作臺上有序放置的名片抓取并放進固定的盒中，進行點到點的名片分揀裝盒。規(guī)定每裝入1張名片為1個節(jié)拍，以盒子中心位置進行定位，以放置點與中心的偏離為定位偏差，機器人裝盒試驗結(jié)果如表1。

表1　機器人分揀裝盒結(jié)果比較Tab.1 Results of Comparison of robot sorting box

由表1可知：搬運機器人的運行速度為9個節(jié)拍/min，SCARA機器人的運行速度為10個節(jié)拍/min，搬運機器人的運行速度基本接近SCARA機器人，定位精度均為±0.5 mm，由此可證明該搬運機器人的軌跡規(guī)劃運動算法的正確性和控制系統(tǒng)設計的合理性；該搬運機器人的操作空間比SCARA機器人的大，表明該搬運機器人結(jié)構(gòu)布局合理，使其操作空間受自身結(jié)構(gòu)因素影響小。為進一步驗證該搬運機器人設計的科學性，采用設計的搬運機器人在天一重工有限公司進行機床上下料的搬運操作，搬運過程中其與機床配合協(xié)調(diào)，達到了該機床加工的響應速度，且定位精度滿足天一重工有限公司機床加工的要求。

4　結(jié)　論

基于含局部閉鏈式碼垛機器人，設計一種新型三自由度搬運機器人，對其關鍵技術進行研究，在此基礎上加工機器人簡化試驗模型與機器人本體進行驗證，結(jié)果表明：

1）該搬運機器人機械結(jié)構(gòu)采用主從分離式三自由度機械手，改善了重要零部件的受力，且機器人的操作空間更大，另外主從分離式的結(jié)構(gòu)簡單，降低了機器人的制造成本；

2）采用修正梯形模式的速度、加速度和位移方程進行軌跡規(guī)劃的運動算法，PC機+PCI運動控制卡+遠程擴展模塊構(gòu)成的開放式控制系統(tǒng)平臺與基于Win7操作系統(tǒng)和可視化編程軟件Labview開發(fā)的軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)了對該搬運機器人的控制；

3）該搬運機器人的運行速度可達9個節(jié)拍/min，末端重復定位誤差為±0.5 mm，響應速度快，運行可靠。從而驗證了該三自由度搬運機器人結(jié)構(gòu)設計和關鍵技術的合理性和可靠性。

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責任編輯：何莉

Research on Key Technologies of New Three Degrees of Freedom Transport Robot

TAN Yuliang1，TAI Zhaoqin2，WANG Mengtao1，GAO Luwen1，YU Liang1，ZHANG Liangan1
（1.School of Mechanical Engineering，Anhui University of Technology，Ma'anshan 243032，China；2.Anhui Huachuang Intelligent Equipment Co.Ltd.，Ma'anshan 243032，China）

In the traditional SCARA robot engaged in the upper and lower material from the machine，motor and reduction device lie near the end of the execution，which has shortcomings，such as a large space and low efficiency. A new 3 degrees of freedom transfer robot（3-DOF T-robot）was proposed.The robot was set up on the base of the front two joints drive device.Based on this new configuration，the kinematic model was established by means of D-H method.The trajectory planning was created with speed，acceleration and displacement equation with modified trapezoid pattern.The three-dimensional model of the robot was built with SolidWorks software.Then，a simplified robot model and robot body were produced，and the point-to-point motion comparative test and transfer test were simulated.The results show that the physical design of 3-DOF T-robot can effectively reduce the end mass，increase the operating space，and meet the requirements of common functions such as carrying and sorting.

transfer robot；structure design；kinematic model；path planning

TP242.2

A

10.3969/j.issn.1671-7872.2016.01.010

1671-7872（2016）-01-0044-05

2015-03-23

國家科技重大專項（2011ZX04013-011）

譚玉良（1990-），男，安徽太和人，碩士生，研究方向為工業(yè)機器人的設計與控制。

張良安（1981-），男，浙江杭州人，博士，副教授，研究方向為工業(yè)機器人的設計與控制及自動化生產(chǎn)。