码垛机器人结构设计和仿真分析

第３４卷㊀第２期２０１９年４月

北京信息科技大学学报

ＪｏｕｒｎａｌｏｆＢｅｉｊｉｎｇＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅ＆ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ

Ｖｏｌ.３４㊀Ｎｏ.２Ａｐｒ.２０１９

文章编号:１６７４－６８６４(２０１９)０２－００８７－０５ＤＯＩ:１０ １６５０８/ｊ.ｃｎｋｉ.１１－５８６６/ｎ.２０１９ ０２ ０１７

码垛机器人结构设计和仿真分析

王哲哲ꎬ张志强

(北京信息科技大学机电工程学院ꎬ北京１００１９２)

摘㊀㊀㊀要:针对国内生产线传统码垛作业存在的不足ꎬ设计了一种四自由度串并混联式圆柱坐标型机械结构的码垛机器人ꎮ仿真分析了该机器人运动学模型ꎬ验证了其结构设计的合理性ꎮ分析并绘制了该机器人的工作空间ꎬ为机器人的动力学研究奠定了基础ꎮ建立了该机器人主杆机构的力学模型ꎬ通过对主杆机构进行静力学分析ꎬ得出该机器人具有良好的平衡性能等结构特点ꎮ通过对主杆机构进行动力学分析ꎬ为机器人进一步优化和控制系统的设计提供了参考依据ꎮ

关㊀键㊀词:码垛机器人ꎻ结构设计ꎻ运动学ꎻ工作空间ꎻ力学分析中图分类号:ＴＰ２４２㊀㊀㊀文献标志码:Ａ

Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｅｓｉｇｎａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓｏｆｐａｌｌｅｔｉｚｉｎｇｒｏｂｏｔ

ＷＡＮＧＺｈｅｚｈｅꎬＺＨＡＮＧＺｈｉｑｉａｎｇ

(ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＳｃｈｏｏｌꎬＢｅｉｊｉｎｇＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅ＆ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＢｅｉｊｉｎｇ１００１９２ꎬＣｈｉｎａ)

Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ａｆｏｕｒ￣ｄｅｇｒｅｅｏｆｆｒｅｅｄｏｍ(ＤＯＦ)ｓｅｒｉａｌ￣ｐａｒａｌｌｅｌｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ

ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｐａｌｌｅｔｉｚｉｎｇｒｏｂｏｔｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄｉｎｖｉｅｗｏｆｔｈｅｓｈｏｒｔｃｏｍｉｎｇｓｏｆｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｐａｌｌｅｔｉｚｉｎｇｏｐｅｒａｔｉｏｎｉｎｄｏｍｅｓｔｉｃｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｌｉｎｅ.Ｔｈｅｋｉｎｅｍａｔｉｃｓｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｒｏｂｏｔｗａｓｓｉｍｕｌａｔｅｄａｎｄａｎａｌｙｚｅｄꎬａｎｄｔｈｅｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙｏｆｔｈｅｒｏｂｏｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｅｓｉｇｎｗａｓｖｅｒｉｆｉｅｄ.Ｔｈｅｗｏｒｋｓｐａｃｅｏｆｔｈｅｒｏｂｏｔｗａｓａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｄｒａｗｎꎬ

ｗｈｉｃｈｌａｉｄａｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅｋｉｎｅｔｉｃｓｔｕｄｙｏｆｔｈｅｒｏｂｏｔ.Ｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｍａｉｎｒｏｄ

ｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｔｈｅｒｏｂｏｔｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄａｎｄｔｈｅｓｔａｔｉｃａｎａｌｙｓｉｓｗａｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ.Ｉｔｉｓｃｏｎｃｌｕｄｅｄｔｈａｔｔｈｅｒｏｂｏｔｗｉｔｈｔｈｉｓｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｈａｓｇｏｏｄｂａｌａｎｃｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｏｔｈｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ.Ｔｈｅｋｉｎｅｔｉｃｓｔｕｄｙｏｆｔｈｅｍａｉｎｒｏｄｍｅｃｈａｎｉｓｍｐｒｏｖｉｄｅｓａｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｔｈｅｆｕｒｔｈｅｒｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎａｎｄｃｏｎｔｒｏｌ

ｓｙｓｔｅｍｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｒｏｂｏｔ.

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ＰａｌｌｅｔｉｚｉｎｇｒｏｂｏｔꎻＳｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｅｓｉｇｎꎻＫｉｎｅｍａｔｉｃｓꎻＷｏｒｋｓｐａｃｅꎻＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓ收稿日期:２０１８￣０９￣１４

第一作者简介:王哲哲ꎬ女ꎬ硕士研究生ꎻ通讯作者:张志强ꎬ男ꎬ副教授ꎮ

０㊀引言

目前ꎬ国内大部分生产线上的码垛作业是利用传统码垛机或人工实现ꎮ传统码垛机存在占地尺寸大㊁程序不易更改(甚至不能更改)㊁高耗电量等缺点ꎻ人工作业效率不高㊁作业质量很难保证ꎮ码垛机器人尺寸设计具有灵活性ꎻ可以通过在码垛机器人末端设计各种形式的手爪ꎬ使其适用于多种物品的码垛操作ꎻ选择合适的驱动方式ꎬ可以保证作业效率和质量ꎻ并且码垛机器人具有简单的人机交互界面ꎬ便于操作ꎮ

国外如欧洲㊁美国㊁日本等发达国家自动化生产

线已经广泛使用码垛机器人[９]ꎮ随着智能制造时代的到来ꎬ我国已有很多企业积极推进工厂自动化生产线改造ꎬ如美的㊁格力等ꎮ未来码垛机器人的普及是必然的趋势ꎮ

结合目前我国自动化生产线的传统码垛作业情况ꎬ以５０ｋｇ袋装大米码垛作业为例ꎬ本文研发出一种具有高效㊁稳定㊁结构简单㊁易于维护㊁多适用性的码垛机器人ꎮ

１㊀结构设计

根据码垛机器人结构坐标特性的不同ꎬ码垛机器人的构型可分成以下４种:直角坐标型㊁圆柱坐标

㊀北京信息科技大学学报第３４卷

型㊁球坐ꎻ标型和多关节型[１０]ꎮ其中球坐标和多关节型结构较复杂ꎬ直角坐标型安装尺寸较大ꎬ而圆柱坐标型具有结构较为简单ꎬ易于维护和制造加工ꎬ精度较高ꎬ工作范围较大ꎬ且工作范围内无奇异点等优点ꎬ所以本文选用圆柱坐标型ꎮ结合码垛机器人的工作方式ꎬ设计码垛机器人机械结构为４自由度串并混联式圆柱坐标型ꎮ其结构简图如图１所示

ꎮ

图１㊀码垛机器人机械结构简图

码垛机器人的三维模型图如图２所示

ꎮ

图２㊀码垛机器人机械结构三维模型图

该机器人的机械结构采用ＲＰＰ(１个转动副ꎬ２个移动副)形式ꎬ腰部为１个转动副ꎬ主杆机构有２个移动副ꎬ腕部设计为转动副ꎮ为了保障物料在搬运过程中在竖直方向不发生倾斜ꎬ设计了一组平行四边形拉杆机构ꎬ依靠腕部水平运动ꎬ让机构能调整腕部的姿态ꎮ该机器人具有４个自由度ꎬ其中主杆机构和腕部绕垂直轴旋转是依靠腰部关节带动的ꎻ机器人末端在水平面内的位姿由腰部和腕部的２个回转副确定ꎻ主杆机构分为４个部分ꎬ分别是前大臂㊁后大臂㊁大臂连杆以及小臂ꎬ采取平行四边形结构ꎬ前大臂和后大臂２个移动副相互垂直ꎬ确保机械手末端在竖直平面内能够具有要求的运动范围ꎮ

２　运动学仿真分析

码垛机器人的主传动系统机构运动简图如图３所示

ꎮ

图３㊀码垛机器人主传动系统机构运动简图

其中各关节坐标为:

Ａ(０ꎬΖΑ)㊁Ｂ(ＸＢꎬＺＢ)㊁Ｃ(ＸＣꎬ０)㊁Ｄ(ＸＤꎬＺＤ)㊁

Ｅ(ＸＥꎬＺＥ)㊁Ｆ(ＸＦꎬＺＦ)ꎻ

各参数为:ａ＝２４０ｍｍꎬｂ＝１０８０ｍｍꎬｃ＝２６０ｍｍꎬｄ＝１１７０ｍｍꎬｄ１＝１７０ｍｍꎬｄ２＝４００ｍｍꎬｄ３＝１５０ｍｍꎬｄ４＝３００ｍｍꎻ

输入速度为:ＸＣ＝３０ｍｍ/ｓꎬＹＡ＝５０ｍｍ/ｓꎻ

腰身转动角速度:θ

１＝０ ５ｒａｄ/ｓꎻ输入加速度:

Ｘ㊆Ｃ＝Ｙ㊆Ａ＝０ｍｍ/ｓ２ꎬθ㊆

１＝０ｒａｄ/ｓ２ꎻ

初始位置为:

ＸＣ＝２６０ｍｍꎬＹＡ＝２４０ｍｍꎬθ１＝０ʎꎻ运动时间为５ｓꎮ

进行运动学仿真分析时ꎬ首先在ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ中将机器人的三维模型另存为Ｐａｒａｓｏｌｉｄ格式ꎬ再导入

ＡＤＡＭＳ(ａｕｔｏｍａｔｉｃｄｙｎａｍｉｃａｎａｌｙｓｉｓｏｆｍｅｃｈａｎｉｃａｌ

ｓｙｓｔｅｍｓ)中ꎬ对不存在相对运动的构件选择布尔并操作ꎬ在铰接处添加约束和驱动力ꎮ获得的该机器人运动学仿真模型如图４所示

ꎮ

图４㊀码垛机器人运动学仿真模型图

最后对该模型进行运动学仿真ꎬ输出码垛机器

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