碼垛搬運(yùn)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

程 鍇

（南京以禾電子科技有限公司，江蘇南京 210039）

0 引言

目前，碼垛搬運(yùn)機(jī)器人已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。它是集機(jī)械、電子、信息、智能技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等學(xué)科于一體的高新機(jī)電產(chǎn)品［1］。機(jī)械系統(tǒng)是其支承基礎(chǔ)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)編程、規(guī)劃與分析的最終目的是要通過機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)完成指定的任務(wù)［2］。課題所研究的碼垛搬運(yùn)機(jī)器人是以袋狀物為搬運(yùn)對象，主要用于大米、面粉、飼料等生產(chǎn)廠家車間物流系統(tǒng)中袋裝物體的搬運(yùn)、裝夾等，要求動(dòng)作靈活、工作范圍大、結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，因此機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)是機(jī)器人設(shè)計(jì)的一個(gè)重要內(nèi)容，其結(jié)果直接決定著機(jī)器人的工作性能［3-4］。

1 碼垛搬運(yùn)機(jī)器人的組成

碼垛搬運(yùn)機(jī)器人由機(jī)械系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。機(jī)械系統(tǒng)由機(jī)座、腰部、大臂、小臂、腕部、手部和驅(qū)動(dòng)裝置組成，共有6個(gè)自由度，依次為腰部回轉(zhuǎn)、大臂俯仰、小臂俯仰、腕部回轉(zhuǎn)、腕部俯仰和手部回轉(zhuǎn)。

1.1 機(jī)械系統(tǒng)

1.1.1 機(jī)座

機(jī)座是基礎(chǔ)部分，承載著整個(gè)機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，起支撐和連接作用。

1.1.2 腰部

腰部是支撐臂部、腕部和手部的部件，臂部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和俯仰（或升降）運(yùn)動(dòng)均與腰部有比密切的關(guān)系。腰部因工作需要，有時(shí)也可作橫向移動(dòng)。

1.1.3 臂部

臂部分為大臂和小臂，是機(jī)器人的主要執(zhí)行部件，支撐腕部、手部和被碼垛物件。臂部的作用是帶動(dòng)手部和腕部在空間運(yùn)動(dòng)。臂部的總重量比較大，受力較復(fù)雜，在運(yùn)動(dòng)時(shí)，直接承受腕部、手部和被抓取物件的靜、動(dòng)載荷。

1.1.4 腕部

腕部是連接手部和臂部的部件，起支撐手部的作用，在臂部運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改變和調(diào)整手部在空間的姿態(tài)，以擴(kuò)大動(dòng)作范圍。

1.1.5 手部

手部，即末端執(zhí)行器，用于執(zhí)行任務(wù)，直接與物件接觸，具有抓取功能。末端執(zhí)行器可以是夾持器或者是專用工具等。夾持器是具有加持功能的裝置，由于被碼垛的物件形狀多種多樣，因此夾持器可分為兩種：夾持式和吸附式。專用工具則是用于完成某項(xiàng)作業(yè)所需的裝置，如焊槍、噴漆槍等。

1.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是機(jī)器人的動(dòng)力源。驅(qū)動(dòng)方式有液壓、氣壓、電機(jī)。液壓驅(qū)動(dòng)適用于大負(fù)載的情況；氣壓驅(qū)動(dòng)適合于節(jié)拍快、負(fù)載小且精度不高的場合；電動(dòng)驅(qū)動(dòng)適合于中等負(fù)載，特別是動(dòng)作復(fù)雜、運(yùn)動(dòng)軌跡嚴(yán)格的機(jī)器人。

1.3 控制系統(tǒng)

機(jī)器人控制系統(tǒng)是一個(gè)與運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)原理密切相關(guān)、有耦合的、非線性的多變量控制系統(tǒng)。主要包括動(dòng)作的順序、應(yīng)實(shí)現(xiàn)的路徑與位置、動(dòng)作時(shí)間間隔以及作用在物件上的作用力等?？刂葡到y(tǒng)可以從不同角度分類，如按照控制運(yùn)動(dòng)的方式分為關(guān)節(jié)控制、笛卡爾空間運(yùn)動(dòng)自適應(yīng)控制；按軌跡控制方式分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制；按速度控制方式分為速度控制、加速度控制和力控制。

1.4 位置檢測裝置

位置檢測裝置是控制機(jī)械系統(tǒng)的速度和位移，控制系統(tǒng)得到機(jī)械系統(tǒng)的位置反饋，與程序設(shè)定的位置進(jìn)行比較，并自行調(diào)整，使機(jī)械系統(tǒng)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置。

2 碼垛搬運(yùn)機(jī)器人的性能參數(shù)

根據(jù)作業(yè)要求，以下是碼垛搬運(yùn)機(jī)器人設(shè)計(jì)的具體參數(shù)。

（1）結(jié)構(gòu)形式：關(guān)節(jié)型；

（2）負(fù)荷能力：≤90 kg；

（3）工作能力：1 600袋/時(shí)；

（4）最大作用范圍：2 700 mm；

（5）自由度數(shù)：6；

（6）位置重復(fù)精度：±0.06 mm；

（7）各軸運(yùn)動(dòng)范圍及速度：

關(guān)節(jié)1：±185°，136°/s

關(guān)節(jié)2：+5°/-140°，130°/s

關(guān)節(jié)3：+155°/-120°，120°/s

關(guān)節(jié)4：±350°，292°/s39

關(guān)節(jié)5：±125°，258°/s

關(guān)節(jié)6：±350°，284°/s

3 機(jī)械系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

碼垛搬運(yùn)機(jī)器人可看作桿件結(jié)構(gòu)，它是將機(jī)構(gòu)學(xué)中的桿件和運(yùn)動(dòng)副相互連接而構(gòu)成的開式運(yùn)動(dòng)鏈。

在碼垛搬運(yùn)機(jī)器人中，連桿即手臂，運(yùn)動(dòng)副稱作關(guān)節(jié)。碼垛搬運(yùn)機(jī)器人采用的是轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)。機(jī)器人末端稱為腕部，它一般由3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)組成。在碼垛搬運(yùn)機(jī)器人中，臂部決定機(jī)器人末端到達(dá)的位置，而腕部決定機(jī)器人的姿態(tài)［5］。臂部可以在垂直于機(jī)座的平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，也可繞垂直軸轉(zhuǎn)動(dòng)。其操作靈活性好，對于各種各樣的作業(yè)都有良好的適應(yīng)性，運(yùn)動(dòng)速度較高，操作范圍大。碼垛搬運(yùn)機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，結(jié)構(gòu)尺寸如圖2所示。

圖1 總體結(jié)構(gòu)

圖2 結(jié)構(gòu)尺寸

4 自由度的分配和腰部、臂部、腕部的構(gòu)形

由于在同樣的體積條件下，關(guān)節(jié)型機(jī)器人比非關(guān)節(jié)型機(jī)器人作業(yè)范圍廣，結(jié)構(gòu)緊湊，動(dòng)作和軌跡更靈活，因此該型機(jī)器人采用關(guān)節(jié)型的結(jié)構(gòu)。

機(jī)械系統(tǒng)中最主要運(yùn)動(dòng)部件是腰部和臂部，其作用是支撐腕部和手部，使手部和腕部在作業(yè)范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)。腰部和臂部一般要有3 個(gè)自由度，才能使手部達(dá)到作業(yè)范圍內(nèi)的任意位置，腰部和臂部有許多種結(jié)構(gòu)形式，常用的形式如圖3所示［6］。

碼垛搬運(yùn)機(jī)器人，既要結(jié)構(gòu)簡單，也要控制容易。結(jié)合實(shí)際需求，確認(rèn)具有6個(gè)自由度，其中腰部和臂部3個(gè)自由度，為腰部旋轉(zhuǎn)、大臂和小臂的轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖3所示的第一種形式。

除了腰部和臂部的3 個(gè)自由度以外，其余3 個(gè)自由度均設(shè)計(jì)在腕部。圖4 是通常情況下的3 自由度腕部結(jié)構(gòu)形式。按照圖中順序依次是BBR型、BPP型、RBR型和RRR型。

圖中的B指的是彎曲結(jié)構(gòu)，其含義是腕關(guān)節(jié)在工作過程中相鄰運(yùn)動(dòng)件軸線間的夾角呈變化狀態(tài)；圖中的R指的是轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，其含義是腕關(guān)節(jié)在工作過程中相鄰運(yùn)動(dòng)件軸線間的夾角保持原來的狀態(tài)。

旋轉(zhuǎn)型關(guān)節(jié)作業(yè)范圍廣，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，關(guān)節(jié)易于密封防塵。本碼垛搬運(yùn)機(jī)器人使用了6 個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，結(jié)合各種腰部、臂部和腕部形式，最終的結(jié)構(gòu)形式如圖5所示。

腰部和臂部的3個(gè)自由度決定了手部的位置，腕部的3個(gè)自由度確定了手部的姿態(tài)。

5 傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

首先對碼垛搬運(yùn)機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行確定，再通過繪圖軟件繪制初始結(jié)構(gòu)圖，最后完成傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作，如圖6 所示。碼垛搬運(yùn)機(jī)器人的6 個(gè)電機(jī)控制6 個(gè)自由度。電機(jī)1 安裝在腰部上，通過減速器實(shí)現(xiàn)腰部繞Z1軸旋轉(zhuǎn)；電機(jī)2 安裝在腰部上，通過減速器實(shí)現(xiàn)大臂繞Z2軸旋轉(zhuǎn)；電機(jī)3 安裝在小臂上，通過減速器實(shí)現(xiàn)小臂繞Z3軸旋轉(zhuǎn)；電機(jī)4、5、6都安裝在小臂上，電機(jī)4 通過帶傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)腕部繞Z5軸旋轉(zhuǎn)；電機(jī)5通過帶傳動(dòng)，并通過一組錐齒輪減速，實(shí)現(xiàn)腕部繞Z4軸旋轉(zhuǎn)；電機(jī)6通過錐齒輪減速實(shí)現(xiàn)手部繞Z5軸旋轉(zhuǎn)。

6 驅(qū)動(dòng)方式

機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式有很多種，目前常用的驅(qū)動(dòng)方式分為液壓驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)、電動(dòng)驅(qū)動(dòng)以及新型驅(qū)動(dòng)4 種形式。在設(shè)計(jì)中，根據(jù)具體要求、作業(yè)環(huán)境以及上述4種驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)來選擇合適的驅(qū)動(dòng)方式。

6.1 液壓驅(qū)動(dòng)

液壓驅(qū)動(dòng)是以液體作為工作介質(zhì)，利用液體的壓力能來傳遞動(dòng)力。完整的液壓系統(tǒng)由能源裝置、執(zhí)行裝置、控制調(diào)節(jié)裝置、輔助裝置、液體介質(zhì)組成。液壓缸和液壓馬達(dá)是液壓驅(qū)動(dòng)的執(zhí)行元件，其主要作用是將液體的壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，從而獲得需要的直線或回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。液壓驅(qū)動(dòng)具有較大輸出驅(qū)動(dòng)力；并且可以把油缸做成關(guān)節(jié)的一部分，結(jié)構(gòu)簡單，剛性好；可以實(shí)現(xiàn)任意位置的開停；調(diào)速簡單平穩(wěn)；潤滑性好，壽命長等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也具有油液易泄露；管路復(fù)雜；適用的溫度范圍窄；成本高等缺點(diǎn)。因此，在設(shè)計(jì)負(fù)載大、作業(yè)速度低的機(jī)器人時(shí)，采用液壓驅(qū)動(dòng)方式。

圖3 幾種多自由度機(jī)器人腰部臂部形式

圖4 4種3自由度機(jī)器人腕部形式

圖5 機(jī)器人結(jié)構(gòu)形式

圖6 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意

6.2 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)

氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)具有快速性好；氣源方便；廢棄可直接排入大氣不會(huì)造成污染，在任何位置只需一根高壓管連接即可工作，比液壓驅(qū)動(dòng)干凈、簡單；通過調(diào)節(jié)氣量實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速；具有較好的緩沖作用；可把驅(qū)動(dòng)器做成關(guān)節(jié)的一部分，結(jié)構(gòu)簡單、剛性好、成本低等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有功率重量比小，驅(qū)動(dòng)裝置體積大；定位精度差；使用后的壓縮空氣排入大氣時(shí)，會(huì)產(chǎn)生噪聲；氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)容易生銹，低溫下容易結(jié)冰等缺點(diǎn)。因此，在設(shè)計(jì)中小負(fù)載的機(jī)器人時(shí)，采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式。另一方面，伺服控制很難實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)，只有程序控制才能應(yīng)用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)。

6.3 電動(dòng)驅(qū)動(dòng)

電動(dòng)驅(qū)動(dòng)是利用電機(jī)產(chǎn)生的力和力矩，直接或間接來驅(qū)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)，完成各種動(dòng)作。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)沒有中間能量轉(zhuǎn)換的過程，因此比液壓及氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)效率高，使用方便且成本低。

（1）普通電機(jī)驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)：包括交流、直流及伺服電機(jī)。交流電機(jī)一般不能進(jìn)行調(diào)速或很難進(jìn)行無極調(diào)速；直流電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)無極調(diào)速，但直流電源價(jià)格較高；而伺服電機(jī)精度準(zhǔn)確，高速性能好，反應(yīng)靈敏，因此廣泛應(yīng)用于機(jī)器人領(lǐng)域。

（2）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)：步進(jìn)電機(jī)沒有積累誤差；同一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)在不同的驅(qū)動(dòng)方式下，特性也相差很大；力矩隨轉(zhuǎn)速的升高而下降；低速可以正常運(yùn)行，高速則無法啟動(dòng)；控制系統(tǒng)也比較復(fù)雜。

（3）直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)：響應(yīng)速度快，控制精度高，動(dòng)態(tài)剛度高，速度快、加減速過程短，啟動(dòng)推力大，行程長度不受限制，運(yùn)行噪聲低，傳動(dòng)效率高。

6.4 新型驅(qū)動(dòng)

機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，各種依據(jù)新思想、新方法、新理論開發(fā)的驅(qū)動(dòng)器不斷涌現(xiàn)。從基于磁阻效應(yīng)的磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器、壓電效應(yīng)的壓電驅(qū)動(dòng)器、靜電效應(yīng)的靜電驅(qū)動(dòng)器，到基于材料因溫度形狀變化的形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器、利用超聲振動(dòng)的超聲波驅(qū)動(dòng)器等等。

磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器主要用于微小驅(qū)動(dòng)場合。壓電驅(qū)動(dòng)器可以達(dá)到驅(qū)動(dòng)亞微米級(jí)的精度。靜電驅(qū)動(dòng)器可以在微小的尺寸變化時(shí)，產(chǎn)生很大的能量。形狀記憶合金是一種特殊的合金，即使變形，當(dāng)?shù)竭_(dá)適當(dāng)溫度，則恢復(fù)為變形前的形狀。超聲波驅(qū)動(dòng)器是利用超聲波振動(dòng)作為驅(qū)動(dòng)力，結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、響應(yīng)快、力矩大，適合于照相機(jī)和攝像機(jī)等驅(qū)動(dòng)。人工肌肉是模擬生物體的運(yùn)動(dòng)功能在機(jī)器人上應(yīng)用，利用機(jī)械化學(xué)物質(zhì)的高分子凝膠等制作人工肌肉。光驅(qū)動(dòng)器是利用某種強(qiáng)電介質(zhì)受光照射，產(chǎn)生幾千伏/厘米的光感應(yīng)電壓。

6.5 驅(qū)動(dòng)方式的選擇

通過以上驅(qū)動(dòng)形式的比較，結(jié)合同類機(jī)器人的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并根據(jù)腰部、臂部及腕部作業(yè)情況，選用不同功率的伺服電機(jī).

6.5.1 電機(jī)的計(jì)算

機(jī)器人工作能力為1 600袋/時(shí)，則Δt=2.25 s。

設(shè)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為4π rad/s,

設(shè)手腕側(cè)擺的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J6，物體重量90 kg，末端執(zhí)行器重量30 kg，物體旋轉(zhuǎn)直徑為1 m計(jì)算。

所以

設(shè)控制手腕側(cè)擺的電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為T6。

所以：T6=87.33 N·m

設(shè)手腕俯仰的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J5，物體重量90 kg，末端執(zhí)行器重量30 kg，腕部俯仰部分重量20 kg，腕長215 mm。

J5=ml2

所以

J5=15.05 kg·m2

T5=87.621 1 N·m

同理可得

J4=15.31 kg·m2，T4=89.15 N·m

J3=70.19 kg·m2，T3=408.65 N·m

J2=460.1 kg·m2，T2=2 678.69 N·m

J1=1 327.02 kg·m2，T1=7 725.89 N·m 6.5.2 減速器的設(shè)計(jì)計(jì)算

根據(jù)上述計(jì)算，減速器輸出的最小轉(zhuǎn)矩分別為：

T1min=7 725.89 N·mT2min=2 678.69 N·m

T3min=408.65 N·mT4min=89.15 N·m

T5min=87.621 1 N·mT6min=87.33 N·m

假設(shè)加速器的傳動(dòng)效率為80%，選用減速比為29的減速器，電機(jī)需要輸出力矩：

Tout=Tmini·η

則：T1out=333.02 N·m

T2out=115.46 N·m

T3min=17.62 N·m

T4min=3.84 N·m

T5min=3.78 N·m

T6min=3.76 N·m

根據(jù)安川伺服電機(jī)選型手冊，3號(hào)伺服電機(jī)選用帶減速機(jī)的伺服電機(jī)：SGMGH-30AAAJ76C，4-6號(hào)伺服電機(jī)可選用同一款帶減速機(jī)的伺服電機(jī)：SGMGH-09AAAJ76C。

1號(hào)、2號(hào)轉(zhuǎn)矩過大，普通電機(jī)及減速器無法滿足要求，因此考慮選用諧波進(jìn)行傳動(dòng)，從而增大電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。

假設(shè)加速器的傳動(dòng)效率為90%，選用減速比為100的諧波減速器，電機(jī)需要輸出力矩：

T1out=85.58 N·m

T2out=29.76 N·m

因此1 號(hào)、2 號(hào)電機(jī)選用安川不帶減速機(jī)伺服電機(jī)SGMGH-1EAAA4E，SGMGH-55AAA4E，減速器選用XB1-250型單級(jí)諧波傳動(dòng)減速器。

7 結(jié)語

針對國內(nèi)生產(chǎn)線傳統(tǒng)碼垛作業(yè)存在的不足，設(shè)計(jì)出一種6 自由度碼垛搬運(yùn)機(jī)器人。該碼垛機(jī)器人具有應(yīng)用廣泛、結(jié)構(gòu)簡單、易于維護(hù)、工作效率高等特點(diǎn)。本文對碼垛搬運(yùn)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)組成進(jìn)行了描述，并根據(jù)任務(wù)要求確定了碼垛搬運(yùn)機(jī)器人的參數(shù)，分配自由度，根據(jù)各個(gè)關(guān)節(jié)的優(yōu)缺點(diǎn)，確定總體結(jié)構(gòu)形式及傳動(dòng)方式，通過對機(jī)器人系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式的分析，確立了機(jī)器人系統(tǒng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)方式，整個(gè)系統(tǒng)采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式。碼垛搬運(yùn)機(jī)器人的研究工作是一個(gè)復(fù)雜的過程，本文只是完成了最基本的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)，許多細(xì)節(jié)今后還需要多加完善。