码垛机器人结构设计与运动分析
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
需求。 关键词 ：码垛机器人 ； 结构设计 ； 运动 学分 析 ；轨迹规划 ；仿真 中 图分类号 ：Ｔ Ｐ２ ４ 文献标识码 ：Ｂ 文章编号 ：１ ０ ０ ９ —０ １ ３ ４ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ７ （ 下） 一０ ０ ６ ６ — ０ ３
Ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ Ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ９ － ０ １ ３ ４ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ７ （ 下） ． １ ９
化 的先进 水平 。 所 谓 码 垛 就 是 按 照 集 成 单 元化 的 思 想 ，将 一
辅助
件 件 的 物 料 按 照 一 定 的 模 式 堆 码 成垛 ， 以 便 使 单 元 化 的 物 料 实 现 搬 运 、 存 储 、 装 卸 、 运 输 等 物 流 活动 。近年 来 ，国内外码 垛 机器 人技 术 获得 了前 所 未 有 的发展 ，码 垛 机器 人 的吞 吐量 、柔性 、处理 速 度 以及抓 取 载荷 在不 断 的升 级 ，适 应场 合也 在 不断
［ ６ ６ １ 第３ ５ 卷 第７ 期 ２ ０ １ ３ — ０ ７ （ 下）
Ｉ
Ｙ
ｌ ｌ ５ ０
訇 化
致末 端 运 动 的 不确 定 性 ， 而 且 容 易 使 系统 产 生 振
动。
为 了 消 除 以上 影 响 ， 我 们 取 连 杆 长 度 满 足 以 下 条件 ：
（ Ｌ ｃ Ｅ －Ｌ Ａ Ｄ ） ＋ Ｌ ｃ Ｅ ＝Ｏ
Ｉ － ￣ Ｄ Ｅ
பைடு நூலகம்
（ ３ ）
Ｂ
２ ０ Ｏ
＾
取 图２ 中参数 ，此时得 到Ｆ 点运动 方 程为
图２ 臂 部结 构简图
１ ｆ ｘ ： １ ６ ２ ０ ＋ ６ ． ７ ５ ｘ Ｙ Ｆ ＝ １ １ ５ ０ ＿ ５ ． ７ ５ ） ，
务ｌ
匐 出
码 垛机器人结构设计 与运 动分析
Ｔｈｅ ｓｔ ｒ ｕｃ ｔ ｕｒ ａｌ ｄｅｓｉ ｇｎ ａｎｄ ｍ ｏｔ ｉ ｏｎ ａｎａｌ ｙｓ ｉ ｓ ｏ ｆ ｐａｌ ｌ ｅｔ ｉ ｚ ｉ ｎｇ ｒ ｏｂｏｔ
孙 浩 ，赵玉刚 ，姜文革 ，谷 萌
ＳＵＮ Ｈａ ｏ， ＺＨＡＯ Ｙｕ － ｇ ａ ｎ ｇ， Ｊ Ｉ ＡＮＧ Ｗｅ ｎ － ｇ ｅ ， ＧＵ Ｍｅ ｎ ｇ
的扩大 口 ， ２ 】 。码 垛机 器人 以其 柔性 工作 能力 和 占地 面
图 １ 码 垛 机 器 人 整 体 结 构 图
码 垛 机 器 人 的 工 作 过 程 要 求 实 现 高 速 、高 效 、稳 定 的 搬 运 和 码 垛 ，各 个 关 节 电机 必 须 严 格 按 照 自 己 的关 节 路 径 运 动 ，并 且 能 够协 调 准 确地 停 止 在 预 定 位 置 ，这 就 对 其 驱 动 方 式 和 传动 机 构
摘
（ 山东理工大学 机 械工程学院 ，淄博 ２ ５ ５ ０ ０ ０ ） 要 ：针对工业要求 ，设计了一台四 自由度并联码垛机器人 ，并提出一种新的计算 方法对其进行了主 体 结构 的数学计 算和运 动学分析 ，依据工 业现场要 求 ，规划码 垛运动轨 迹 ，最 后根据结 构分
析结果 利用ｍ ａ ｔ ｌ ａ ｂ 软件 对工作 空间模拟仿真 。结果表 明 ，所设 计机 器人完全满 足工业现 场的
长 期 、稳 定 的码垛 要 求 。新型 的码 垛机 器 人采 用并
２ 机构运 动学分析
本 码 垛 机 器 人 主 体 结 构 采 用 类 平 衡 吊原 理 的
连 杆 机 构 ，该机 构 具 有 结构 简单 、维 护 方 便 、性 能稳 定 等优 点 Ｈ 】 。其 结构 简 图如 图 ２ 所 示 ，核 心 部
０ 引言
码 垛 机 器 人 是 当 今 机 电 一 体 化 的 高 科 技 产 品 ， 在现 代 企 业 物 流 管理 中 占有重 要地 位 ， 它对 于 企 业提 高 生 产 效 率 、增 进 经济 效 益 、 保 证 产 品 质量 、 改 善 劳 动 环境 、优 化 作 业布 局 有 着 突 出 的 贡 献 ，其 应 用 的数 量 和 质 量 标 志 着企 业 生 产 自动
２ ． １机器人臂部运动求解
为 了 准 确地 对 执 行 末 端 进 行 分 析 求 解 ，便 于
系统对 电机 的控制 ，需要对机器人臂部进行运动
收稿 日期 ： ２ ０ １ ３ － ０ １ － ２ ６ 作者简介： 孙浩 （ １ ９ ８ ８ 一 ），男 ，山东淄博人 ，硕士研究生 ，研 究方 向机构创新与机器人技术 。
积 小 ，并 能 够 同时处 理 多种 物料 和垛 型 ，越 来越 受 到企 业 的青睐并 广泛 应用于 码垛 作业 中 。
的设计有较高要求。
１ 码垛机器人结构设计
传 统 的码垛 机器 人 多采用 串联 机构 ，虽然 结构 简 单 ，控 制 方便 ，但是 由于 系统 刚性 差 ，难 以满足
（ ４ ）
分析 。笔者在前人研究推导的基础上【 ，提出了一
种简单直观的求解方法 。如图２ 所示 ，在机器人大 小 臂组 合 旋 转 的 主 剖 面 内设 置 一个 固 定 的 坐 标 系 ＸｏＹ，其 中 ，Ａ点为 码垛 机器 人Ｙ轴丝 杠 滑座 与 后 大 臂 的 铰 接 点 ， 在 电 机 带 动 下 沿 Ｙ轴 方 向垂 直 运
分为Ａ ＢＤ、Ｂ Ｃ、Ｄ Ｅ、Ｃ Ｅ共 同组 成 的平 行 四连 杆 机 构 ，其 中Ａ、Ｃ分 别 为垂 直 方 向跟 水 平 方 向驱 动
装置。
联 机构 ，不仅 刚性 强 ，控 制精度 也有 所提 高 。
本课 题 组设 计 码垛 机 器 人 的结 构 如 图 １ 所示，
主 体 结 构 是 四边 形 的 连 杆 结 构 ， 由４ 个 自 由度 组 成 ，其 中 包括 ２ 个旋转副和２ 个 移动 副 。机 器 人 的 执 行 末 端通 过 腰 部 的旋 转 运 动 ，前 大 臂 的水 平 运 动 ，后 大 臂 的垂 直 运 动 ，抓 手 的旋 转 运 动 相 互组 合 ，共 同完 成对物 品 的码垛 作 业 。
Ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ Ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ９ － ０ １ ３ ４ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ７ （ 下） ． １ ９
化 的先进 水平 。 所 谓 码 垛 就 是 按 照 集 成 单 元化 的 思 想 ，将 一
辅助
件 件 的 物 料 按 照 一 定 的 模 式 堆 码 成垛 ， 以 便 使 单 元 化 的 物 料 实 现 搬 运 、 存 储 、 装 卸 、 运 输 等 物 流 活动 。近年 来 ，国内外码 垛 机器 人技 术 获得 了前 所 未 有 的发展 ，码 垛 机器 人 的吞 吐量 、柔性 、处理 速 度 以及抓 取 载荷 在不 断 的升 级 ，适 应场 合也 在 不断
［ ６ ６ １ 第３ ５ 卷 第７ 期 ２ ０ １ ３ — ０ ７ （ 下）
Ｉ
Ｙ
ｌ ｌ ５ ０
訇 化
致末 端 运 动 的 不确 定 性 ， 而 且 容 易 使 系统 产 生 振
动。
为 了 消 除 以上 影 响 ， 我 们 取 连 杆 长 度 满 足 以 下 条件 ：
（ Ｌ ｃ Ｅ －Ｌ Ａ Ｄ ） ＋ Ｌ ｃ Ｅ ＝Ｏ
Ｉ － ￣ Ｄ Ｅ
பைடு நூலகம்
（ ３ ）
Ｂ
２ ０ Ｏ
＾
取 图２ 中参数 ，此时得 到Ｆ 点运动 方 程为
图２ 臂 部结 构简图
１ ｆ ｘ ： １ ６ ２ ０ ＋ ６ ． ７ ５ ｘ Ｙ Ｆ ＝ １ １ ５ ０ ＿ ５ ． ７ ５ ） ，
务ｌ
匐 出
码 垛机器人结构设计 与运 动分析
Ｔｈｅ ｓｔ ｒ ｕｃ ｔ ｕｒ ａｌ ｄｅｓｉ ｇｎ ａｎｄ ｍ ｏｔ ｉ ｏｎ ａｎａｌ ｙｓ ｉ ｓ ｏ ｆ ｐａｌ ｌ ｅｔ ｉ ｚ ｉ ｎｇ ｒ ｏｂｏｔ
孙 浩 ，赵玉刚 ，姜文革 ，谷 萌
ＳＵＮ Ｈａ ｏ， ＺＨＡＯ Ｙｕ － ｇ ａ ｎ ｇ， Ｊ Ｉ ＡＮＧ Ｗｅ ｎ － ｇ ｅ ， ＧＵ Ｍｅ ｎ ｇ
的扩大 口 ， ２ 】 。码 垛机 器人 以其 柔性 工作 能力 和 占地 面
图 １ 码 垛 机 器 人 整 体 结 构 图
码 垛 机 器 人 的 工 作 过 程 要 求 实 现 高 速 、高 效 、稳 定 的 搬 运 和 码 垛 ，各 个 关 节 电机 必 须 严 格 按 照 自 己 的关 节 路 径 运 动 ，并 且 能 够协 调 准 确地 停 止 在 预 定 位 置 ，这 就 对 其 驱 动 方 式 和 传动 机 构
摘
（ 山东理工大学 机 械工程学院 ，淄博 ２ ５ ５ ０ ０ ０ ） 要 ：针对工业要求 ，设计了一台四 自由度并联码垛机器人 ，并提出一种新的计算 方法对其进行了主 体 结构 的数学计 算和运 动学分析 ，依据工 业现场要 求 ，规划码 垛运动轨 迹 ，最 后根据结 构分
析结果 利用ｍ ａ ｔ ｌ ａ ｂ 软件 对工作 空间模拟仿真 。结果表 明 ，所设 计机 器人完全满 足工业现 场的
长 期 、稳 定 的码垛 要 求 。新型 的码 垛机 器 人采 用并
２ 机构运 动学分析
本 码 垛 机 器 人 主 体 结 构 采 用 类 平 衡 吊原 理 的
连 杆 机 构 ，该机 构 具 有 结构 简单 、维 护 方 便 、性 能稳 定 等优 点 Ｈ 】 。其 结构 简 图如 图 ２ 所 示 ，核 心 部
０ 引言
码 垛 机 器 人 是 当 今 机 电 一 体 化 的 高 科 技 产 品 ， 在现 代 企 业 物 流 管理 中 占有重 要地 位 ， 它对 于 企 业提 高 生 产 效 率 、增 进 经济 效 益 、 保 证 产 品 质量 、 改 善 劳 动 环境 、优 化 作 业布 局 有 着 突 出 的 贡 献 ，其 应 用 的数 量 和 质 量 标 志 着企 业 生 产 自动
２ ． １机器人臂部运动求解
为 了 准 确地 对 执 行 末 端 进 行 分 析 求 解 ，便 于
系统对 电机 的控制 ，需要对机器人臂部进行运动
收稿 日期 ： ２ ０ １ ３ － ０ １ － ２ ６ 作者简介： 孙浩 （ １ ９ ８ ８ 一 ），男 ，山东淄博人 ，硕士研究生 ，研 究方 向机构创新与机器人技术 。
积 小 ，并 能 够 同时处 理 多种 物料 和垛 型 ，越 来越 受 到企 业 的青睐并 广泛 应用于 码垛 作业 中 。
的设计有较高要求。
１ 码垛机器人结构设计
传 统 的码垛 机器 人 多采用 串联 机构 ，虽然 结构 简 单 ，控 制 方便 ，但是 由于 系统 刚性 差 ，难 以满足
（ ４ ）
分析 。笔者在前人研究推导的基础上【 ，提出了一
种简单直观的求解方法 。如图２ 所示 ，在机器人大 小 臂组 合 旋 转 的 主 剖 面 内设 置 一个 固 定 的 坐 标 系 ＸｏＹ，其 中 ，Ａ点为 码垛 机器 人Ｙ轴丝 杠 滑座 与 后 大 臂 的 铰 接 点 ， 在 电 机 带 动 下 沿 Ｙ轴 方 向垂 直 运
分为Ａ ＢＤ、Ｂ Ｃ、Ｄ Ｅ、Ｃ Ｅ共 同组 成 的平 行 四连 杆 机 构 ，其 中Ａ、Ｃ分 别 为垂 直 方 向跟 水 平 方 向驱 动
装置。
联 机构 ，不仅 刚性 强 ，控 制精度 也有 所提 高 。
本课 题 组设 计 码垛 机 器 人 的结 构 如 图 １ 所示，
主 体 结 构 是 四边 形 的 连 杆 结 构 ， 由４ 个 自 由度 组 成 ，其 中 包括 ２ 个旋转副和２ 个 移动 副 。机 器 人 的 执 行 末 端通 过 腰 部 的旋 转 运 动 ，前 大 臂 的水 平 运 动 ，后 大 臂 的垂 直 运 动 ，抓 手 的旋 转 运 动 相 互组 合 ，共 同完 成对物 品 的码垛 作 业 。