紗筒搬運機器人的設(shè)計

魏 哲，焦 航

(西安工程大學(xué)機電工程學(xué)院，陜西 西安 710048)

0 引言

紡織企業(yè)對紗筒的需求量巨大，紗筒在絡(luò)筒機上完成絡(luò)筒后，主要依靠人工進行收集、轉(zhuǎn)運、包裝等作業(yè)，作業(yè)過程中紗筒的搬運勞動強度高、效率低[1-2]。隨著機器人技術(shù)、自動控制技術(shù)的快速發(fā)展，機器人已經(jīng)在越來越多的領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。張若青等[3]設(shè)計了AGV與機械臂相融的移動裝配機器人，實現(xiàn)RV減速器支撐盤與針齒殼的抓取和裝配，代替人工完成裝配任務(wù)，裝配的間隙精度為1mm。金守峰等[4]通過單目視覺系統(tǒng)引導(dǎo)機器人完成筒子紗的抓取和上紗工序，降低了工人的勞動強度。李超等[5]利用PLC為控制器，通過工業(yè)無線通訊進行遠程監(jiān)視，實現(xiàn)了智能搬運機器人在自動化線上對目標的抓取和搬運。焦玉成[6]等在碼垛操作中采用PLC與工業(yè)機器人進行以太網(wǎng)通訊,觸摸屏控制與監(jiān)控，使機器人與供料系統(tǒng)相配合，實現(xiàn)了對動態(tài)物體的準確操作。張千等[7]通過構(gòu)建抓取串類水果三維模型，獲取高精度、多信息的抓取位姿，引導(dǎo)并聯(lián)機器人實現(xiàn)了隨機放置的串類水果的抓取。Silwal等[8]實現(xiàn)了機器人代替人工完成了對水果的采摘作業(yè)。李海等[9]采用單片機為主控芯片、雙CPU串口通訊構(gòu)建了智能分揀機器人，實現(xiàn)了對快遞包裹的快速分揀。黨宏社等[10]利用機器人視覺獲取目標的三維位姿，引導(dǎo)機器人實現(xiàn)了對復(fù)雜紋理的平面目標的抓取。郝大孝等[11]利用歐姆龍NJ控制器與Ether CAT的總線實現(xiàn)對Delta機器人動態(tài)目標抓取的精準控制與操控。王鵬等[12]利用多任務(wù)分配策略實現(xiàn)了多機械臂對煤矸石的快速、高效分揀。喬景慧等[13]通過開發(fā)機器人視覺伺服自適應(yīng)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對電視機背板的檢測與自適應(yīng)抓取的功能。徐鳳強等[14]設(shè)計了短基線定位系統(tǒng)定位水下作業(yè)的機器人，通過多傳感器反饋信息融合來引導(dǎo)機器人，實現(xiàn)了對海產(chǎn)品的自主抓捕。劉漢偉等[15]提出了基于非規(guī)則物體基本形體組成的自主抓取方法，實現(xiàn)了非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下不同位姿、形狀等物體的自主抓取，抓取精度為93.3%。章林等[16]設(shè)計了藥袋自動分揀的機器人，利用Robot Control系統(tǒng)作為控制器，獲取藥袋位姿、運動速度等信息，實現(xiàn)對藥袋的視覺追蹤和高速分揀。張馳等[17]設(shè)計了用于多目標快速識別和抓取的機器人抓取系統(tǒng)，通過建立socket通信將工件的位姿信息傳遞給機械臂，引導(dǎo)其實現(xiàn)工件抓取。徐呈藝等[18]通過優(yōu)化標定方程的求解，得到精確的手眼標定，實現(xiàn)了機器人對模板的精確抓取，抓取精度為96.2%。林強強等[19]針對零散工件的抓取，采用機器人視覺獲取目標的位姿，從而引導(dǎo)機器人完成對隨機擺放工件的準確抓取。喻群超等[20]借鑒人類的抓取機制，構(gòu)建了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)抓取框架，在Youbot機器人上實現(xiàn)了對目標的高準確度的抓取操作。

針對紗筒作業(yè)過程中勞動強度大、效率低的問題，本文在分析紗筒結(jié)構(gòu)和搬運作業(yè)特點的基礎(chǔ)上，設(shè)計開發(fā)紗筒搬運機器人，采用6自由度關(guān)節(jié)型機器人，設(shè)計具有雙內(nèi)撐式抓取機構(gòu)和推紗機構(gòu)的末端執(zhí)行器，實現(xiàn)單次抓取2個筒紗，降低了工人的勞動強度，提高了紗筒搬運工作效率和紡織裝備的自動化水平。

1 紗筒結(jié)構(gòu)及作業(yè)分析

原紗作為紗筒生產(chǎn)時的原材料，將其經(jīng)過絡(luò)筒機卷繞在中空的紗管上，形成圓筒形或圓錐形，且具有一定卷繞密度和纖維厚度的紗筒[1]。紗管為紙質(zhì)或高分子材質(zhì)，內(nèi)表面中空且不光滑。筒紗的質(zhì)量直接影響后道紡織工序的加工生產(chǎn)，并最終影響紡織品的質(zhì)量。

絡(luò)筒機加工好的紗筒，主要通過人工搬運進行收集、轉(zhuǎn)運，將其放置在包裝機上或紗架上，為后續(xù)工序做準備。在紗筒搬運過程中，紗筒表面的纖維不能受到污染和破壞，紗線的卷繞密度不能降低，紗線結(jié)構(gòu)不能破壞，因此要求作業(yè)過程主要受力點在中空的紗管內(nèi)表面。

2 紗筒搬運機器人系統(tǒng)設(shè)計方案

根據(jù)紗筒的結(jié)構(gòu)特征及人工搬運紗筒的作業(yè)特點，在分析企業(yè)的工作環(huán)境、紗架的位置等因素的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計了如圖1所示的紗筒搬運機器人系統(tǒng)。

圖1 紗筒搬運機器人

紗筒搬運機器人以固定工作站的形式，主要由待搬運的紗筒、機器人和紗架構(gòu)成。待搬運的紗筒隨機或整齊地擺放在機器人作業(yè)空間范圍內(nèi)，紗架為多層的空間結(jié)構(gòu)，均勻安裝有紗桿用于懸掛紗筒，機器人本體上安裝有專用的末端執(zhí)行器，可以單次抓取2個待搬運的紗筒，再按設(shè)定好的路徑將紗筒放置在紗架的紗桿上，完成搬運作業(yè)。

3 機器人本體的選型

3.1 結(jié)構(gòu)形式與自由度

由于紗筒是隨機擺放或整齊擺放，且層高也不一致，這就需要機器人本體具有較高的靈活性和較大的活動空間[21-22]。本文的紗筒搬運機器人以固定式工作站形式進行工作，因此選用關(guān)節(jié)型機器人。自由度數(shù)關(guān)系到機器人末端執(zhí)行器所能到達紗筒放置的位置，自由度的數(shù)目越多就表示機器人越靈活，為了能盡可能使機器人的作業(yè)空間覆蓋到紗筒所在的任意位置，本文選取6自由度的機器人本體。

3.2 驅(qū)動方式的選用

機器人各關(guān)節(jié)處的驅(qū)動方式主要有液壓驅(qū)動系統(tǒng)、氣動驅(qū)動系統(tǒng)和電動驅(qū)動系統(tǒng)等方式[23]，本文中紗筒抓取機器人的主要任務(wù)是完成對紗筒操作，而紗筒的質(zhì)量為1.6～3.8 kg，負載相對來說比較小。機器人需將紗筒抓取后再放置到紗架的紗桿上，要保證有較高的精度和較大的輸出力，因此機器人的驅(qū)動方式選用了電動驅(qū)動。

3.3 機器人本體的選型

根據(jù)機器人機構(gòu)形式、自由度數(shù)和驅(qū)動方式等性能參數(shù)的選取，本文選用UR10人機協(xié)作機器人作為紗筒搬運機器人的本體，其性能參數(shù)如表1所示。

表1 機器人的性能參數(shù)指標

4 機器人末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

紗筒搬運機器人的作業(yè)過程為抓取紗筒，并將其放置在紗架上。為了提高紗筒的作業(yè)效率，本文設(shè)計了單次抓取2個筒紗的末端執(zhí)行器，并采用SolidWorks進行末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)建模。如圖2所示為紗筒搬運機器人的末端執(zhí)行器，主要由抓取機構(gòu)、推紗機構(gòu)和其他連接零件構(gòu)成。

圖2 末端執(zhí)行器

4.1 抓取機構(gòu)的設(shè)計

抓取機構(gòu)為直接接觸紗筒的機構(gòu)，根據(jù)紗筒的結(jié)構(gòu)和搬運特點，本文設(shè)計了如圖3所示的平移內(nèi)撐式的雙抓取機構(gòu)，由手指、連接件和驅(qū)動氣缸構(gòu)成。3個手指上部通過連接件均勻分布地安裝在驅(qū)動氣缸上，手指采用碳纖維材料，手指的下部與紗筒內(nèi)表面接觸起到支撐的作用；在氣缸的驅(qū)動下連接件可以沿氣缸直徑方向往復(fù)移動，帶動3個手指完成紗筒的內(nèi)撐式抓取動作。

圖3 抓取機構(gòu)

圖4 推紗機構(gòu)

4.2 推紗機構(gòu)的設(shè)計

抓取機構(gòu)將紗筒抓起來后，通過機械人的運動軌跡規(guī)劃，將紗筒放置在紗架上。為了實現(xiàn)自動放置紗筒，本文設(shè)計了如圖4所示的推紗機構(gòu)，該機構(gòu)由推板、驅(qū)動氣缸和連接板構(gòu)成。推板的中心孔與抓取機構(gòu)的驅(qū)動氣缸有同軸度裝配精度要求，推板在圖5驅(qū)動氣缸的驅(qū)動下，可以上下移動，從而使紗筒從內(nèi)撐式手爪上推入到紗架上。

5 實驗分析

5.1 實驗平臺及參數(shù)設(shè)置

為了驗證本文設(shè)計的紗筒搬運機器人性能的穩(wěn)定性，搭建了如圖5所示的實驗平臺，將本文設(shè)計末端執(zhí)行器安裝在UR10的腕關(guān)節(jié)3的位置，氣動壓力范圍為0.4～0.6 MPa。

圖5 實驗平臺

實驗用的紗筒規(guī)格如表2所示，按2層、每層8個的規(guī)則擺放，機器人1次抓取2個紗筒。

表2 紗筒規(guī)格

5.2 實驗分析

實驗中，紗筒搬運機器人利用示教器進行示教方式來操縱機器人運動，紗筒搬運的過程為：

a.紗筒搬運機器人在初始位置開始移動到紗筒上方。

b.機器人的肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)帶動腕關(guān)節(jié)運動，使末端執(zhí)行器的抓取機構(gòu)進入到紗管中，氣缸驅(qū)動末端夾持器的手爪張開，如圖6a所示，完成抓取。

c.機器人的機座關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)，肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)帶動腕關(guān)節(jié)運動，腕關(guān)節(jié)3旋轉(zhuǎn)90°帶動末端執(zhí)行器由圖6a所示的垂直狀態(tài)旋轉(zhuǎn)為圖6b所示的水平狀態(tài)，并向紗架運動。

d.在紗架的放置位置上，推紗機構(gòu)在氣缸的驅(qū)動下向外伸出，使紗筒掛到紗架上，如圖6b所示，完成推紗后，機器人返回到初始位置。

e.若要連續(xù)搬運紗筒，則返回步驟a；否則，結(jié)束搬運任務(wù)。

本文對表2中的2種形狀不同的紗筒進行了搬運實驗，得到的實驗結(jié)果如表3所示。

表3 實驗結(jié)果

圖6 紗筒搬運機器人工作狀態(tài)

由表3可知，2種紗筒在搬運過程中均100%完成工作，沒有出現(xiàn)紗筒掉落、放置錯位等事故。直筒形紗筒的重量大于錐形紗筒，故單次平均耗時和總耗時上直筒形紗筒耗時較多，在機器人有效載荷的范圍內(nèi)，隨著紗筒重量的增加，搬運速度會下降。在相同條件下，搬運機器人與2個人工相當，且是在長時間連續(xù)搬運時，機器人具有明顯的優(yōu)勢，能夠代替人工完成對紗筒的操作，效率高，性能安全穩(wěn)定。

6 結(jié)束語

針對勞動密集型為主的紡織企業(yè)人工搬運紗筒的效率低、強度大等問題，在對紗筒結(jié)構(gòu)和操作工藝分析的基礎(chǔ)上，對機器人本體進行自由度、結(jié)構(gòu)和驅(qū)動方式的參數(shù)選型，選用6自由度的UR10人機協(xié)作機器人作為紗筒抓取機器人的本體。為了提高紗筒搬運機器人的工作效率，設(shè)計開發(fā)了具有平移內(nèi)撐式的雙抓取機構(gòu)和推紗機構(gòu)的末端執(zhí)行器，采用SolidWorks對手指、連接件、推板等關(guān)鍵零部件進行建模，并進行了末端執(zhí)行器的裝配。通過對2種不同形狀的紗筒進行的搬運實驗表明，該機器人可同時完成2個紗筒的抓取和推紗的工作循環(huán)，連續(xù)工作效率高，工作安全，性能穩(wěn)定。