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1、第2 4 卷第1 期 2 0 1 1 年2 月 山东科学 S H A N D O N GS C I E N C E V 0 1 2 4N o 1 F e b 2 0 l l 文章编号：1 0 0 2 - 4 0 2 6 ( 2 0 1 1 ) 0 1 - 0 0 9 7 - 0 5 四轴码垛机器人的机构设计及运动分析 孙洁，李倩，刘广亮，葛兆斌，李向东 ( 山东省科学院自动化研究所，山东济南2 5 0 0 1 4 ) 摘要：针对物流自动化对高速码垛的需求，基于平衡吊原理设计了一种四轴码垛机器人，并对机器人臂部进行 了运动学分析，得到了连杆机构参数优化关系式。该机器人在满负载运动下，垂直方向运动
2、6 0 0m i l l ，水平方 向运动1 6 0 0m m ，腰部旋转6 0 。时，工作能力可达8 0 0 回小时，重复定位精度可达0 3 5m m 。实验结果证明， 机器人能够满足物流自动化的需求。 关键词：码垛机器人；机构设计；运动学分析 中图分类号：T P 2 4 2文献标识码：A M e c h a n i s md e s i g na n dk i n e m a t i c s a n a l y s i so faf o u ra x i ss t a c k i n gr o b o t S U NJ i e ，L IQ i a n ，L I UG u a n g - l
3、 i a n g ，G EZ h a o b i n ，L IX i a n g d o n g ( I n s t i t u t eo f A u t o m a t i o n ，S h a n d o n gA c a d e m yo f S c i e n c e s ，五m n2 5 0 0 1 4 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：W ed e s i g naf o u r - a x i sb a l a n c eh o i s tb a s e dp a l l e t i z i n gr o b o tt os a t i s f yt h
4、 er e q u i r e m e n to f l o g i s t i c sa u t o m a t i o nt or o b o tp a l l e t i z e r W ea n a l y z et h ek i n e m a t i cc h a r a c t e r i s t i c sf o rt h ea r t n so ft h e r o b o ta n df u r t h e ro b t a i na n o p t i m a le q u a t i o no fi t sl i n k a g em e c h a n i s m E
5、 x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a ts u c har o b o tc a ns a t i s f yt h er e q u i r e m e n to fl o g i s t i c sa u t o m a t i o n K e yw o r d s ：s t a c k i n gr o b o t ；m e c h a n i s md e s i g n ；k i n e m a t i c sa n a l y s i s 码垛是物流自动化技术领域的- r 新兴技术，是按照一定模式，将物料堆积成垛，以便使单
6、元化的码垛 实现物料的搬运、存储、装卸运输等物流活动。随着企业的集团化以及生产能力的规模化的发展，对码垛机 工作能力的要求不断提高，同时，企业生产正在向着多品种少批量的方向发展，这就要求作为后处理设备的 码垛机，必须具有处理多种产品的能力以j 。目前国外码垛机器人在码垛市场的占有率已经超过9 0 ，绝 大多数码垛作业由机器人完成。国外码垛机器人的最大负载能力已经达到1 0 0 0k g ，定位精度0 0 8m m ， 工作循环周期达到1 6 0 0 回J J , 时。与此相比，国内的码垛技术在处理速度、载荷能力和系统町靠性上还存在 较大差距。因此开发高性能、低成本、人性化的码垛机器人将有广阔的
7、市场前景M “J 。 本文主要研究了码垛机器人的机构设计并对连杆机构进行了运动学分析。 1 机器人总体结构 我们研制的工业码垛机器人( 如图l 所示) ，其主体机械结构足基于平衡吊原理一“o 的连杆机构，具有 收稿日期：2 0 1 0 - 0 7 - 2 2 作者简介：孙沽( 1 9 7 7 一) 。男硕士，研究方向为机器人技术、机械设计。 通讯作者，E m a i l ：s u n j i e k e y l a b n e t 万方数据 9 8 山东科学 2 0 1 1 年 承载力大、稳定性好、结构紧凑、节省能耗等特点。机器人具有 4 个自由度，2 个旋转副和2 个移动副，运动由四台交流伺
8、服电 机控制，手臂末端的抓手通过绕机座垂直轴的旋转运动( 腰部 运动) 、前大臂的水平运动、后大臂的垂直运动和绕抓手转轴的 旋转运动( 腕部运动) 4 种运动的组合完成对物品搬运码垛的3 维空间作业。 为提高码垛机器人机械系统的控制性能，要求机械传动部 件的转动惯最小、摩擦小、阻尼比合理、刚度大，并满足小型、重 量轻、高速、低噪声和高可靠性等要求。所以合理地设计驱动 方式和机械传动是保证整个机器人伺服控制性能的基本要 求9 | 。 1 1 腰部结构设计 图1 工业码垛机器人 F i g 1P a l l e t i z i n gr o b o t 机器人腰部旋转时的转动惯量为f = Z 。+
9、 Z 2 + Z 。，式中，Z 。到z 。为运动负荷相对转轴的惯性矩。由上式 可知机器人腰部旋转运动克服的负载转动惯量很大，所以在负载和伺服电机之间需要有大传动比的减速装 置。考虑到机器人体积结构、传动精度等因素，减速装置采用行星齿轮减速器。伺服电机采用空心轴机构， 机械臂的布线从中穿过，当腰部旋转运动时不会产生线缆缠绕。机器人的腰部结构如图2 所示。 腰部结构为：伺服电机和减速器通过连接法兰固定在机座上，转台轴承的外圈与机鹰固定，轴承内圈通 过连接板与焊接底座相连接。伺服电机减速器驱动连接法兰，进而带动机座实现腰部的旋转运动。转台轴 承具有高轴向和径向承载能力、高倾斜刚度的特点，能够满足码垛
10、的现场工作需求。 1 2 水平垂直运动机构设计 水平和垂直运动机构如图3 所示。运动机构固定在机座上，由腰部机构带动整体旋转。图中所标注的 为石轴运动机构，Y 轴机构原理同戈轴机构。伺服电机通过齿形同步带、同步带轮带动滚珠丝杠旋转，固定 在水平滑座的丝杠上的滑块在力的作用下沿直线导轨做水平运动，继而带动机械臂做相应运动。 图2 腰部结构简图 F i g 2D i a g r a mo fw a i s tm e c h a n i s m 1 3 臂部结构设计 图3 水平和垂直运动机构简图 F i g 31 ) h g r a m0 fh o r i z o n t a la n dv e r
11、 t i c a lm o t i o nm e c h a n i s m 万方数据 第1 期 孙洁，等：四轴码垛机器人的机构设计及运动分析 图4 机械臂结构简图 F i g 4D i a g r a mo fr o b o ta r l nm e c h a n i s m 机械臂机构由机器人位置机构和机器人腕部姿态调 整机构组成，两者相互关联但互不影响，见图4 。位置机 构是由主臂、前臂、后臂和前后臂连杆组成的网连杆机 构，当水平滑座带动前臂做水平运动，垂直滑座带动后臂 做垂直运动时，在连杆机构的作用下主臂相应运动。腕 部姿态调整机构由两个平行四边形连杆机构和一个三运 动副杆( 三角支架
12、) 组成，主臂、腕部安装座、辅助连杆l 和三角支架组成第一个平行四边形连杆机构；前臂、连杆 基座、辅助连杆2 和三角支架组成第二个平行四边形连 杆机构。腕部姿态调整机构使得机器人运动时保持腕部 安装座始终水平，即运动时机器人末端执行器的工作位 姿保持不变0 | 。 2 机器人臂部运动学分析 机器人的机械臂的位置机构可简化为图5 所示的四 图5 臂部连杆机构简图 F i g 5D i a g r a mo fl i n km e c h a n i s m D 连杆机构。图中O 为机器人腰部中心，坐标系X O Y 为设定坐标系。c 点为机器人茗轴丝杠滑座与杆E c ， B C 的铰接点，在伺服电
13、机的驱动下沿z 轴方向作水平运动；A 点为机器人Y 轴丝杠滑座与杆A D 的铰接点， 在伺服电机的驱动下沿Y 轴方向作垂直运动。0 为杆E C 与石轴的夹角。分析各点位置： c 点位置：盱嘲 B 点位置：盱 o 】 ( 1 ) ( 2 ) 万方数据 1 0 0 山东科学 2 0 1 1 年 E 点饵睁峨x 缸+ n c E C p O S 口】 D 点位置： F 点饵盱 = 暇A D C O S 扣0 n 日】 ， 惹 z 叫。) + x s 甚E F ( y 。一，。) + y 。 ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) ( 菇E 一戈D ) 2 + ( Y F Y D ) 2 = Z D E
14、2 ( 6 ) 由式( 3 ) ，( 4 ) ，( 5 ) ，( 6 ) 可解得臂部末端F 点的运动方程为： 石F = ( 等+ 1x “笋( f c E l A D ) + z c E c o s0 D ED E ，F = 一+ 笋( z c E l a y ) + z c E s i l l0 ( 7 ) o D Eo D E 细酬2 兰豢笋h s 州南，( z c E z D ) 髫2 + y 2 戈2 + ) ，2 由式( 7 ) 可以看出：机器人臂部连杆机构是2 输入2 输出的非线性系统，机械臂末端抓手的位置、速度 变化相当复杂。当戈轴伺服电机驱动点C 作水平运动时，末端点F 作水平
15、运动的同时，还在因子C O S0 影响 下在Y 轴方向运动；当Y 轴伺服电机驱动点A 作垂直运动时，点F 作垂直运动的同时，还在因子s i n0 影响下 在戈轴方向运动。这种附带运动容易引起机械臂抓手的振动，加剧机械的磨损。 当杆长参数满足条件z 盯f 。( Z 。一l A o ) + z 。= 0 时，式( 7 ) 转化为： f x F = ( Z E F Z D E + 1 ) 石 ( 8 ) 【Y F = 一Z E F l D E Y 此时，机器人末端F 点的运动为菇，Y 的线性函数，即戈轴丝杠的水平运动引起末端F 点的水平运动，放 大映射系数为z 。，z D 。+ 1 ；) ，轴丝杠的
16、垂直运动引起末端F 点的垂直运动，放大映射系数为一Z 。，以。，此时机 器人运动平稳，振动最小，因此在设计中杆长需要按上述条件确定，且根据戈轴、Y 轴丝杠的行程和腰部的旋 转角度可以很方便的确定出机器人手臂末端的工作空间。 3 试验验证 基于上述设计，我们制造了码垛机器人功能样机。在控制上采用工控机+ 多轴运动控制卡作为硬件平 台，以W i n d o w s 系统为软件平台，采用P T P 点位控制方式，实现机器人的码垛作业1 1 。样机参数见表1 。 表1 码垛机器人功能样机参数 T a b l elP a r a m e t e r so fs t a c k i n gr o b o
17、tp r o t o y p e 万方数据 第1 期 孙洁，等：四轴码垛机器人的机构设计及运动分析 1 0 1 经试验，在满负载运动下，垂直方向运动6 0 01 1 1 1 1 1 ，水平方向运动1 6 0 0m m ，腰部旋转6 0 。时，工作能力可 达8 0 0 回小时，重复定位精度可达0 3 5m m ，试验结果表明机器人能够满足生产的需求。 4 结语 针对企业现代化生产的需求，设计了一种四自由度搬运机器人。该机器人机械结构设计合理、负载能力 大，通过对附加抓手形式的改变可以满足对多种物料的搬运码垛要求。在实体运行中，该机器人动作运行平 稳可靠，可广泛应用于物流自动化行业中的物料搬运、分
18、拣等领域，具有广阔的市场前景。 参考文献： 1 曾孔庚，王宏庆，丁原彦高速机器人搬运码垛系统构成及技术特点 J 机器人技术及应用，2 0 0 1 ( 4 ) ：3 9 4 2 2 胡洪国，高建华，杨汝清码垛技术综述 J 组合机床与自动化加工技术，2 0 0 0 ( 6 ) ：7 9 3 陈辉浅析全自动包装码垛机器人 J 科协论坛，2 0 0 9 ( 1 0 ) ：7 8 7 9 4 李正杰全自动称重包装机器人码垛成套设备介绍 J 机器人技术与应用，2 0 0 7 ( 5 ) ：2 1 2 3 5 毕胜国内外工业机器人的发展现状 J 。机械工程师，2 0 0 8 ( 7 ) ：5 7 6 杨汝清
19、，高建国，胡洪国高速码垛关键技术研究 J 高技术通讯，2 0 0 4 ，1 4 ( 2 ) ：6 7 7 0 7 闰爱和，焦希润，张素青平衡吊的运动分析及平衡方法 J 太原重型机械学院学报，2 0 0 0 ( 4 ) ：2 9 5 3 1 0 0 8 王知行，刘廷荣机械原理 M 北京：高等教育出版社，1 9 9 9 9 朱世强，王宣银机器人技术及其应用 M 杭州：浙江大学出版社，2 0 0 0 1 0 蔡自兴机器人学 M 北京：清华大学出版社，2 0 0 0 1 1 杨更更，叶佩青，杨开明，等基于P C + N C 型体系结构的高性能数控系统的研究 J 机床与液压，2 0 0 3 ( 3 )
20、：4 4 4 6 万方数据 四轴码垛机器人的机构设计及运动分析四轴码垛机器人的机构设计及运动分析 作者：孙洁， 李倩， 刘广亮， 葛兆斌， 李向东， SUN Jie， LI Qian， LIU Guang-liang， GE Zhao-bin， LI Xiang-dong 作者单位：山东省科学院自动化研究所,山东,济南,250014 刊名： 山东科学 英文刊名：SHANDONG SCIENCE 年，卷(期)：2011,24(1) 参考文献(11条)参考文献(11条) 1.杨更更;叶佩青;杨开明 基于PC+NC型体系结构的高性能数控系统的研究期刊论文-机床与液压 2003(03) 2.李正杰 全
21、自动称重包装机器人码垛成套设备介绍期刊论文-机器人技术与应用 2007(05) 3.闫爱和;焦希润;张素青 平衡吊的运动分析及平衡方法 2000(04) 4.杨汝清;高建国;胡洪国 高速码垛关键技术研究期刊论文-高技术通讯 2004(02) 5.胡洪国;高建华;杨汝清 码垛技术综述期刊论文-组合机床与自动化加工技术 2000(06) 6.曾孔庚;王宏庆;丁原彦 高速机器人搬运码垛系统构成及技术特点期刊论文-机器人技术与应用 2001(04) 7.王知行;刘廷荣 机械原理 1999 8.毕胜 国内外工业机器人的发展现状期刊论文-机械工程师 2008(07) 9.陈辉 浅析全自动包装码垛机器人期刊论文-科协论坛 2009(10) 10.蔡自兴 机器人学 2000 11.朱世强;王宣银 机器人技术及其应用 2000 本文链接：