卸磚碼垛重載機器人的機構設計和運動學分析

2013-03-16 12:21:34李躍劉知貴譚明中

機床與液壓 2013年3期

李躍，劉知貴，譚明中

(1.西南科技大學制造學院，四川綿陽621010;2.西南科技大學研究生部，四川綿陽621010;3.資陽市精工磚機有限公司，四川資陽641301)

隨著機器人技術的發展，機器人的應用范圍越來越廣泛，應用于自動化生產線的碼垛機器人就是其中的一個例子[1]。工業碼垛機器人屬于典型的機電一體化高科技產品，對企業提高生產效率、增長經濟效益、保證產品質量、改善勞動條件、優化作業布局貢獻巨大，其應用的數量和質量標志著企業生產自動化的先進水平[2]。目前，常用的碼垛機器人類型有直角坐標型、圓柱坐標型、水平關節型、垂直關節型。文獻[3－5]所描述的碼垛機器人均采用垂直關節型平行四連桿機構，采用該結構使控制算法簡單，機器人定位精度高，但由于該結構無法裝載緩沖裝置，抗沖擊性差，因此不能夠承受大于5 000 N的重型負載。而現代制磚生產線要求卸磚碼垛設備能夠承受超過6 000 N的負載，一般的碼垛機器人不能滿足要求。因此，在國內卸磚碼垛設備的研發仍處于初級階段。

作者及其團隊和相關企業合作，經過攻關，利用視覺伺服技術，成功研制出適合磚窯卸磚碼垛的重載機器人的實驗樣機。下文對該機器人結構和運動學進行介紹。

1 機器人結構設計

機器人工作要求:將磚從位于回車道上的某一指定位置的窯車上逐層卸載。卸載過程中，將間隔排列的磚合攏后堆在指定位置的指定型號的貨車上，完成一次卸裝任務，之后進行下一次工作循環，直到此次裝卸任務完成。以目前最小規格2 500 mm的窯車為例，其磚堆為9 垛，每一垛為3×8 縱橫交錯排列，磚的規格為2.5 kg/塊，按此計算，機器人一次卸磚碼垛的負重需要達到5 400 N，因此該機器人采用帶氮氣緩沖裝置、抗沖擊能力強的鉸鏈式四連桿結構。其結構如圖1所示。

圖1 機器人結構圖

該機器人主要由底座、腰部、臂部、手腕組成。底座為整個機器人本體的安裝基礎，腰部由一個軸線垂直于水平面的旋轉關節與底座聯接，為機器人臂部、手腕提供支撐和整體旋轉驅動力。臂部主要包括大臂回轉支承、短臂回轉支承、大臂、小臂、長臂和短臂。大臂回轉支承包括支承架、減速器和交流伺服電機，它為大臂提供支撐和旋轉驅動力矩。短臂回轉支承和大臂回轉支承具有相似的結構，它為短臂提供支撐和驅動力矩。大臂和短臂的回轉中心重合，大臂和小臂相互平行且長度相等，從而保證了大臂、小臂、長臂鉸接部分和短臂一同構成平行四邊形。該結構增加了整個臂部的剛度，且具有行程放大功能，即以較小的驅動行程實現機器人末端較大的工作行程，從而可以滿足卸磚碼垛作業對大工作空間的性能要求。氮氣緩沖裝置的一端鉸接在大臂上，另一端鉸接在腰部回轉支承座上，為大臂的速度突變提供緩沖，使整個鉸鏈四連桿機構的抗沖擊性能大大加強。整個鉸鏈式四連桿結構是該機器人的關鍵部分，直接決定了該機器人的承載能力，各連桿參數的選擇及其安裝的相對位置將直接影響機器人的工作空間范圍。手腕與長臂采用鉸鏈式連接方式，并且通過一個特別設計的七連桿吊環平衡裝置實時保持對地水平。手腕處對地垂直安裝一個減速器和交流伺服電動機，為手爪的旋轉提供驅動力矩。手腕對手爪采用預留法蘭盤接口，方便手爪的安裝和維修。

2 機器人運動學分析

2.1 運動學正解

文中所研究的機器人由4個旋轉關節和4個連桿組成，故為4 自由度機器人。對該機器人的描述采用傳統的D-H 方法[6]。用D-H 法建立的各連桿坐標系如圖2所示，D-H坐標系對應的參數如表1所示。

圖2 機器人D-H坐標系

表1 機器人桿件參數

首先根據坐標系建立的方法和各參數的意義，建立i 系和i－1坐標系的齊次變換矩陣[7]

式中:θi為關節i的旋轉角;αi為關節i 和i+1的扭角;di是關節i的偏距;Li是桿i的長度;i=1，2，3，4。

將表1中的參數一次代入式(1)，得到

式中:si=sinθi，ci=cosθi，以下同樣。則

其中:

這樣由T可以得到機器人末端的位置和姿態，T中只包含變量θi，其中θ1、θ2、θ3控制機器人末端位置，θ1、θ4控制機器人末端姿態。

2.2 運動學逆解

運動學逆解問題是已知機器人末端的位姿，求出相應的關節變量。機器人運動學逆解常規方法是采用paul的代數法進行求解[8]，該方法的主要思想是:在等式兩邊同時乘以前一個變換矩陣的逆矩陣求出一個未知參數，即A－11 T=A2A3A4，求出θ1，然后利用求出θ2，以此類推，求出θ3、θ4。采用此方法，雖然思路簡單，但是需要多次求逆矩陣，過程較為繁雜。作者提出一種避免多次逆矩陣相乘的新方法，減少了求逆次數和計算量。具體方法為:用左乘T后再右乘即