循環箱體的拆跺機器人末端執行器設計研究

王波+余仁聰+何珣

摘 要：針對循環煙箱的性能特點，設計了氣動吸盤與機械夾具相結合的拆跺機器人末端執行器，并構建了相配套的真空發生系統和自閉吸盤系統，確定了該機器人末端執行器能夠實現對循環煙箱的穩定高效拆跺，探索了機器人技術在綠色包裝中的實際應用。

關鍵詞：機電；循環紙箱；末端執行器；拆跺

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.16.129

“機器人的末端執行器是安裝在移動設備或者機器人手臂上，使其能夠拿起一個對象，并且具有處理、傳輸、夾持、放置和釋放對象到一個準確的離散位置等功能的機構” [1]。僅煙草行業每年回收利用的循環煙箱總量超過2千萬個，由于循環煙箱已經歷了多個周期的運輸、擠壓以及瓦楞紙板本身的強度衰減，其抗壓強度以及接觸面的平整性等都已降低，這也對循環煙箱的拆跺機器人末端執行器的應用性能提出了更高要求。

1 總體分析

循環煙箱的拆垛機器人末端執行器，不僅需要實現對煙箱的穩定吸取、放置，還應克服循環煙箱惡劣的接觸表面性能（封合不嚴密、灰塵等），以及人工碼垛帶來的位置偏差吸取、移動過程中的晃動等，因此除了采用合適的氣動吸取結構外，還應輔以合理的夾具機構，以雙重保障來實現末端執行器的穩定工作。既利用吸盤系統取放動作的高效性，又借助夾具機構的穩定性，最終確保整套末端執行器穩定高效。

2 機械結構設計

拆跺機器人末端執行器的機械結構設計要點包括：一是適應上下升降、左右旋轉、前后移動六個基本動作；二是適應各種外形尺寸的循環煙箱；三是能夠承載至少50kg 以上的物體的靜態和動態重量；四是整個機械結構重量要輕量化，降低機器人本體的運行負荷；五是機械結構應適應氣動驅動的需求，與氣動元件能夠良好配合，并為氣動元件提供必要的安裝空間；六是整套機械結構牢固穩定。

針對設計要點，提出如上圖的機械結構設計方案：一是上部夾板配合吸盤結構，實現吸盤系統的上下提降動作；左夾板進行限位固定，確保前后移動中箱體的穩定；底部托叉在循環煙箱提起后進行托舉，使旋轉中的煙箱保持穩定；二是夾具結構基本采用不銹鋼型材，主體使用鏤空板材和柱狀桿進行結合，并利用鈑金彎管和加強筋結構，提高夾具的整體強度；三是為上部整體采用輕量鋁合金材料構成環形框架，框架上部采用方形板進行連接，既加強框架穩定性，同時為上部的氣動元件安裝提供支撐平臺；四是底部托叉為配合滾軸傳輸機構，采用柱狀結構，托叉直接可放置在滾軸安裝間隙中，實現了拆垛后煙箱與輸送機構的無縫對接，并對底托在整體彎折后進行拋光、倒圓處理，使進叉動作更加平順。

3 氣動機構設計分析

氣動機構的設計要點包括：一是可適應不同表面質量的循環煙箱；二是可適應由人工堆垛及長途運輸后造成的跺形位置不準確；三是由于煙箱多次重復使用，紙箱表面質量嚴重下降，紙箱表面材質變軟，而且還會有部分煙箱封口處破損，機器人在吸取時煙箱上表面時變形會很大，嚴重影響煙箱的抓取，氣動系統要克服循環煙箱的此類不良狀態；四是煙箱由于長途運輸及循環利用，表面附著有大量灰塵，容易堵塞吸盤及真空發生器，從而影響煙箱的抓取，應對氣源系統的前端和后端均進行徹底過濾，確保氣動系統的穩定；五是由于煙箱為豎直放置抓取，煙箱重心偏下，當機器人抓取煙箱做水平移動時，煙箱會有明顯的晃動，會導致吸盤與煙箱分離，煙箱掉落。

一是使用帶自閉閥的吸盤。當煙箱與夾具發生位置錯位或是有部分吸盤與煙箱分離時，吸盤部分吸孔發生真空泄漏，夾具系統能自動關閉已泄露的吸孔，不至于影響其它吸孔的吸取，真空度始終保持在較高的水平上，保證了搬運過程中煙箱不掉落；二是夾具吸盤采用多褶皺吸盤，彌補紙箱的變形，使吸盤與紙箱在抓取過程中始終緊密的貼合；三是在儲氣罐后端加入各類過濾裝置，并在吸盤前端加裝過濾網，同時采用大流量的真空發生器，可以將灰塵直接排出，確保抓取中動作穩定性。

4 關鍵結構的設計

（1）真空吸附系統的基本設計。循環煙箱拆跺中的提升需要真空負壓產生的吸附力，由于循環煙箱表面平整度不良，灰塵、毛刺及刮痕多，對真空吸附能力提出了更高的要求，選用可靠性高、反應快速、高效低噪、振動極小的真空發生器，利用其高速射流卷吸走負壓腔內的氣體，使腔內形成很低的真空度，再在真空口處接上真空吸盤，靠真空壓力和吸盤吸取物體。具體設計方案如下圖2。

（2）自閉功能吸盤系統的設計。在個體吸盤的選用上，針對循環煙箱粗糙不平的表面對局部個體吸盤的影響，采用長波紋吸盤并加入自閉閥進行配合，構成特有的帶自閉功能的長波紋吸盤個體。當循環煙箱上表面的局部位置無法與吸盤個體良好貼合，或者由于人工碼垛造成煙箱位置偏差，使吸盤作用位置為兩件煙箱縫隙當中時，此吸盤個體的自閉閥自動關閉，不對整個單元的真空度構成影響。

通過與某機械手制造公司進行聯合開發，在武漢煙草卷煙物流配送中心對設計的末端執行器機構進行了實際應用，經過對循環煙箱的自動拆跺測試，該套末端執行器的基本性能穩定，拆跺效率可達850件/小時，能夠適應表面性能比較惡劣的各類循環煙箱。

5 總結

本文通過對循環箱體的自動拆跺機器人末端執行器的應用研究，分析形成了特有的氣動吸盤與機械夾具相結合的末端執行機構，并構建了相配套的真空發生系統和帶自閉功能吸盤系統經過實際制造使用，確定了該機器人末端執行器能夠實現對循環煙箱的穩定高效拆跺，本文是機器人末端執行器機構在綠色包裝領域的一次成功應用研究，對回收紙箱、循環紙箱、廢料制箱體等重復利用型箱體實施自動拆跺技術均具有良好的借鑒意義。

參考文獻：

[1]李曉剛，劉晉浩.碼垛機器人的研究與應用現狀問題及對策[J].包裝工程，2011，32（03）：96+102.

[2]楊傳民，田少龍，楊錳，侯紅紅.碼垛機器人的研究與應用現狀問題及對策[J].包裝工程，2014，35（03）：60-62.

[3]劉宏偉，王效杰，梁艷陽，張健.機器人末端執行器姿態軌跡規劃研究[J].機械設計與制造，2015（04）：28+34.

作者簡介：王波（1967-），男，碩士學位，中共黨員，高級工程師，主任，從事卷煙物流管理與技術工作。endprint