多臂旋转式搬运机器人结构设计与分析

2019-10-22张贵林刘召柱盛雪苇

制造业自动化 2019年10期

张贵林，刘召柱，盛雪苇

ZHANG Gui-lin, LIU Zhao-zhu, SHENG Xue-wei

（安徽理工大学机械工程学院，淮南 232001）

0 引言

目前，我国的食品、药品、快递等行业的后道工序一般都包括成型产品自动化包装、分拣、装箱、码垛和储运等工序，这些工序大多采用手工或半手工操作，生产效率低，劳动强度大、存在二次污染隐患[1～3]。除此之外，对于化工行业，其涉及石油、涂料、冶金、能源、轻工、环保等多个领域，许多产品具有易燃、易爆、有毒和腐蚀等特性，这类产品因其具有高危险性特点[3]，因此安全问题始终是化工行业工作的需要考虑的重点。

随着时代的发展，高效、快速、安全是生产过程的主要要求，将更为先进、更为灵活、效率更高的搬运装置运用到上述领域已是迫在眉睫[4]，然而目前我国市场上的搬运装置多为单机械手臂工作的装置，机械臂的数量严重影响到搬运装置的工作效率，同时，由于待搬运物品的复杂性导致单机械手臂搬运装置的工作效率进一步下降。

针对现有技术存在的不足，基于提高搬运效率的目的，设计出一种多臂旋转式机器人，结构灵活、效率高，可以大批量食品、药品、快递等产品装箱、分拣、码垛等需求，自动化程度高。运用动力学原理计算机械臂动能、势能及运动方程，运用ANSYS Workbench软件创建多臂旋转式机器人的仿真模型，对其进行静力学分析，验证结构设计的合理性。

1 多臂旋转式搬运机器人总体方案设计

1.1 多臂旋转式搬运器人结构组成

多臂旋转式搬运机器人主要由机械臂、转运装置和多臂集成旋转装置[6]三部分组成。如图1所示。其中机械臂包括六个平行同动式机械夹、六个球齿轮机械关节和六个伸缩式机械臂，平行同动式机械夹位于球齿轮机械关节的一个末端，且平行同动式机械夹与球齿轮机械关节的末端相固连，平行同动式机械夹可用于夹取与放置物体；球齿轮机械关节位于伸缩式机械臂与平行同动式机械夹之间，且球齿轮机械关节的另一个末端与伸缩式机械臂相固连，球齿轮机械关节可使平行同动式机械夹在抓取与放置物体时更加灵活；伸缩式机械臂安装于多臂集成旋转装置上，且伸缩式机械臂与多臂集成旋转装置相固连；每个多臂集成旋转装置可使三个伸缩式机械臂绕旋转中心进行旋转运动，且伸缩式机械臂内部设置有剪叉式机构，该机构可根据要求而改变机械臂本身的长度；多臂集成旋转装置位于转运装置上，转运装置上设置有转运导轨，旋转装置可沿转运导轨进行移动。

图1 多臂旋转搬运机器人总体结构示意图

1.2 控制系统

图2为本控制系统的流程图[7]。控制系统由SPSA100X-LAAS0401角位移位置传感器、LE2直线位移传感器、WSD系列硅压阻式压力传感器、CCD图像传感器、STM32控制模块伺服控制器等组成，具体工作原理如下：相应传感器为控制系统提供测量信号，计算机通过以太网通讯将机械臂需要动作信息控制命令发送给stm32单片机，stm32单片机通过相关算法把相应的速度信息和位置信息传递给伺服控制器，伺服控制器通过驱动舵机而控制机械臂各关节角位移量，通过驱动电机而控制多臂集成旋转装置在转运装置上的线位移量。

图2 多臂旋转搬运机器人控制系统流程图

1.3 工作原理

工作开始时，首先由平行同动式机械夹上的传感器检测待搬运物体的位置，将信号传给控制系统，然后由靠近待搬运物体的一组机械臂开始工作，由一个多臂集成旋转装置将该装置上的三个伸缩式机械臂沿直线滑台运送到直线滑台靠近待搬运物体的一端，然后由该多臂集成旋转装置上的一个伸缩式机械臂和其末端的平动式机械夹率先开始夹取物体，由压力应变片检测平行同动式机械夹所用的合适力度，待夹取物体完成后，该多臂集成旋转装置进行定轴转动，由另一个伸缩式机械臂和其上的平行同动式机械夹进行夹取工作，当多臂集成旋转装置上的所有平行同动式机械夹都完成抓取任务后，其沿着直线滑台运动到物体所需放置的地方进行物体放置工作，同样，旋转装置上的伸缩式机械臂和其末端的平行同动式机械夹依次轮流进行物体放置工作，与此同时，另一个多臂集成旋转装置上的一组伸缩式机械臂和平行同动式机械夹开始夹取物体，另外，根据实际情况，转运装置上的步进电机带动丝杆运动，从而可以改变两个直线滑台的位置，使得搬运工作更加方便，通过以上各个装置的配合，最终可以实现对物体的高效搬运。

2 机器人工作臂的设计

2.1 多臂的结构设计

在搬运机器人实现物体搬运工作任务时，需要完成物体搬运的所有步骤，包括位置识别和物体抓取、物体转运、放置物体等；多臂旋转式搬运机器人的工作臂包括多臂集成台、工作臂、球齿轮机构、电机和平行同动式机械夹，用于实现多臂搬运机器人的搬运作业[8]。如图3所示。

图3 多臂旋转式机器人臂部结构示意图

2.2 机器人工作臂动力学分析

拉格朗日方程是基于能量的观点来建立的，其优点是便于程序化对正逆动力学问题都容易建立模型并且可以实现逆推形式的建模还可以方便地加入控制反馈采用拉格朗日方程建模的方法较为成熟[9]。拉格朗日函数为：L=K-P，其中，L是拉格朗日函数，K是系统动能，P是系统势能。因此拉格朗日方程为：

其中，τi为机械臂关节i的力矩，i和θi为关节位置和速度。

2.2.1 动能

通过对刚体三维运动的动能分析，可得多自由度机械臂Uip的某一连杆的动能[10]为：

其中Ki为某一连杆动能；ri为连杆质心所处坐标；i和p代表不同的关节编号；Uip为i连杆上某点相对于基坐标的变换矩阵仅对一个θp求导。

由于ri=[xi，yi，zi，1]T，则：

又由于2x2=x2+x2+y2-y2+z2-z2；x2=(1/2)[-（y2+z2）+（x2+z2）+（x2+y2）]；

因此，式(4)可表示为：

因为ji与关节角速度无关，所以机械臂的动能只需计算计算一次，即将式(4)代入式(2)得：

2.2.2 势能

系统的势能等于各连杆势能总和。

2.2.3 运动学方程

对拉格朗日函数求导得到机械臂运动学方程[11,12]：

式(14)中，Dij为角速度惯量，Dijk为科里奥利力和向心力，Di为重力。

3 静力学仿真分析

运用ANSYS Workbench对多臂旋转式搬运机器人抓取产品时应力和变形进行分析和优化，将多臂旋转式搬运机器人三维实体简化模型导入ANSYS Workbench中，并在其中定义单元属性，设置机器人的材料性能参数[13]，最后，计算求解应力和变形。

3.1 有限元模态分析理论

根据弹性力学有限元理论，任何结构系统的运动，都可以表示为外力的平衡方程[14,15]：

式中，[M]、[C]和[K]分别为质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；{X”}、{X’}、{X}和{F(t)}分别为结构的加速度向量、速度向量、位移向量和激励力向量。

由于外部载荷对系统的固有频率和振型参数可忽略不计，有{F(t)}={0}；同时由于阻尼系数对计算结果影响不大，可以忽略，可得系统无阻尼自由振动的运动方程为：

其对应的特征方程为：

式中，w为系统固有频率。

求解式(17)即可得到机器人整体结构的固有频率和振型。

3.2 仿真分析与优化设计

对多臂旋转式搬运机器人进行静力学求解计算，通过添加Total Deformation和Equivalent stress查看机器人结构的整体变形和应力分布情况，如图4所示。

图4 多臂旋转式搬运机器人整体变形分析结果图

从图4可以看出多臂旋转式搬运机器人的可知机械臂强度最薄弱的部分是机械夹，且机械臂结构整体的最大变形量为25.151mm，鉴于此，笔者因此进行了结构的优化设计[16]，在机械夹两壁外侧设计有加强筋结构，以此来增强机械夹的结构强度。该机器人机械夹内壁使用橡胶材料，该机构可抓起最大棱长为20cm的箱子，所抓货物的质量可达4kg，使得在不损坏物品和不增加机械夹动力的情况下，所转运的物品重量达到了最大。

3.3 科学性分析

3.3.1 转运装置科学性分析

直线导轨电动滑台利用丝杆具有定位精度高，摩擦力小，刚性高，负载能力强等特点，可实现滑块的精准定位。速度方面，取决于电机的转速和丝杠导程的大小，丝杠导程越大，相同的电机输出速度下单轴机械手滑块移动的速度也越大。直线滑台模组中同步齿形带传动是由电机驱动同步带的主动轮转动，进而有皮带带动直线导轨上的滑块前后移动，同步齿形带具有噪音低，移动速度快，成本较低等特点。速度方面，一般可以实现比滚珠丝杠更高的速度。同时没有临界速度的限制，在长行程传送方面具有更加的性价比。转运装置结构示意图如图5所示。

图5 转运装置结构示意图

3.3.2 球齿轮机械关节科学性分析

对于完成抓取货物的过程，为了保证运动的灵活性，对机械臂的关节提出了较高的要求。为此，笔者在搬运机器人机械臂的关节处采用渐开线求齿轮机构[17]，如图6所示。其工作原理如下：以左边的驱动电机为例，电机带动丝杠旋转，丝杠推拉固定在球齿轮上的支架来带动球齿轮运动。相比传统齿轮机构只具备一个传动自由度的特点，渐开线球齿轮机构具有两个传动自由度，球齿轮的轮齿分布在球面上，运动特征表现为一对节球作纯滚动，因此可以满足仿生机械运动关节的要求，通过两个球面运动之间的变换，即可实现一对球作精确地定传动比球面运动。在所述球齿轮机构中，上面两个步进电机负责带动球腕旋转，通过球齿轮实现一个全方位的输出，从而完成空间指向。