一種機器人末端工具快換裝置及其仿真分析

（西南科技大學 特殊環境機器人技術 四川省重點實驗室，綿陽 621010）

0 引言

國際機器人聯合會（International Federation ofRobotics，IFR）將應用于特殊環境的機器人稱為特種機器人[1]。特種機器人的研究工作圍繞在核環境、海洋工程、太空、軍事應用展開[2]。特種機器人作業環境危險，所執行的任務通常具有多樣性，任務目標的質量、形狀和尺寸不盡相同。因此，僅使用單一的末端工具很難滿足復雜的任務要求。最好的解決辦法就是為機器人配備末端工具快速更換裝置與工具庫，使機器人能夠根據作業任務實際需要更換末端工具，提高機器人的作業能力與作業效率[3]。

國內外都對快換裝置進行了一定的研究。文獻[4]設計了一種用于焊接機器人的快換裝置，通過氣動的方式完成末端工具的切換，但其密封性要求很高。荷蘭為歐空局設計了一種小型快換裝置，其需要很高的定位精度[5]。哈爾濱工業大學在國內對快換裝置的研究比較多，主要針對太空環境，為了給末端工具提供轉矩，使得快換裝置的結構復雜化[6～9]。在前期設計工作中已經完成了一種螺母快換機構，其不能讓機械臂與末端工具實現電氣連接[10]。

針對以上問題，優化設計了一種機器人末端工具快換裝置，該裝置具有位姿容差能力，能承受大載荷，不僅可以實現機械臂與末端工具的機械連接，同時可以實現兩者的電氣連接。

1 總體方案

1.1 工作原理

如圖1所示，末端工具快換裝置主要分為兩部分，一部分為機械臂端，另一部分為工具端，機械臂端連接在機械臂上，工具端連接在末端工具上。快換裝置的機械臂端與工具端能夠實現機械上的連接與斷開。通過這兩者的連接與斷開，完成機械臂與末端工具的連接與斷開。

圖1 快換裝置工作原理

1.2 技術要求

本文設計的快換裝置應用于核應急機器人，快換裝置為機械臂與末端工具間的介質，用于實現機械臂對末端工具的更換，達到提高機器人工作能力與工作效率的目的。基于以上快換裝置的工作原理，設計的快換裝置應具有如下特點：

1）由于核環境屬于人不能到現場的危險環境，快換裝置的機械臂端與工具端的鎖緊與斷開需通過遙操作完成，人不能在現場進行操作；

2）機器人要控制末端工具工作需要向末端工具傳遞電流、電壓等信號，因此末端工具的機械臂端與工具端需要實現電氣的連接與斷開；

3）末端工具的動力驅動為單軸時，快換裝置可以為末端工具提供輸入轉矩。動力驅動不為單軸時，也可以為機器人提供一個轉動自由度；

4）快換裝置應具有故障保護功能，快換裝置的切換機構失效時，快換裝置應能保持鎖緊狀態，防止機械臂與末端工具斷開，造成不可預知的危險；

5）機械臂與工具架上的末端工具對準時會有一定的誤差，需要快換裝置的機械臂端與工具端在對接的過程中能進行誤差補償。

2 機械方案

快換裝置的機械結構如圖2所示，主要由鎖緊機構及切換機構組成。其中1、16為工具端，其余為機械臂端。

圖2 快換裝置機械結構

鎖緊機構包括錐柄、內殼、外殼、壓簧、圓柱銷、鋼珠球。機器人進行末端工具更換時，鎖緊機構的工作流程如下：切換機構推動外殼向下運動，壓縮壓簧，當鋼珠球與外殼上的錐形槽對準時，鋼珠球處于自由狀態。機器人控制機械臂使內殼與錐柄完成對接，此時鋼珠球被錐柄擠壓進入錐形槽，且鋼珠球與錐柄上的U型槽對準。切換機構反向運動，外殼由于壓簧的作用向上運動，錐形槽擠壓鋼珠球進入錐柄上的U型槽。外殼復位后，錐形槽與鋼珠球位置錯開，內殼對錐柄完成鎖緊即快換裝置完成鎖緊。當機器人使用完末端工具需要解鎖時，切換機構再推動外殼向下運動，錐柄及末端工具自重或機械臂向上運動即可擠壓鋼珠球進入錐形槽，快換裝置完成解鎖。該鎖緊機構只需切換機構在更換末端工具時運動，不依靠切換機構的工作來達到鎖緊的目的，當切換機構失靈時，不會對鎖緊狀態造成影響，具有一定的故障保護功能。

根據上述鎖緊機構的工作流程，該快換裝置的切換機構需要完成的具體工作是為外殼的向下運動提供動力，因此選用兩個單作用液壓缸來作為動力源。其主要包括單作用液壓缸、襯套、外套、六角螺母、連接板、外殼板。液壓缸工作時即可推動外殼向下運動，外殼需要回位時，液壓缸停止工作，液壓缸內部的壓簧使液壓缸的活塞桿回位，外殼通過鎖緊機構的壓簧回位。

快換裝置的機械臂端與工具端的電氣連接通過電連接器實現。電連接器的插座固定在快換裝置的內殼，插頭固定在快換裝置的錐柄。快換裝置的機械臂端與工具端完成對接時，電連接器的插頭與插座也完成連接，此時機械臂即可向末端工具傳遞電流、電壓等信號。快換裝置斷開連接時，電連接器的連接也隨之斷開，電流、電壓等信號被切斷。

快換裝置的動力輸出機構通過液壓馬達來實現，液壓馬達安裝在連接板上，其傳動軸與快換裝置的內殼聯接，通過內殼上的圓柱銷可以帶動錐柄一起運動。

3 位姿誤差補償能力分析

3.1 理論分析

機器人在進行末端工具更換時，機器人首先需移動機械臂到末端工具正上方，使快換裝置的機械臂端與工具端對準，然后機器人控制機械臂向下運動，使末端工具的機械臂端與工具端完成對接。在快換裝置的機械臂端與工具端的對準過程中以及機械臂向下運動的過程中，機械臂端與工具端之間總會有一定的位置和姿態誤差。因此為了降低機械臂端與工具端的對接難度，提高機器人更換末端工具的效率，該快換裝置的機械臂端與工具端對接時需要具有一定的位姿誤差補償能力。

本文為快換裝置的工具端設計了導向錐面，機械臂端與工具端對接時其位姿誤差如果在一定范圍內，工具端的導向錐面即可進行誤差補償，使機械臂端與工具端完成對接。為了明確快換裝置的位姿誤差補償能力，對快換裝置的位姿誤差條件進行分析。由于機械臂端與工具端在對接時，機械臂豎直向下運動的位移不大，因此忽略機械臂向下運動時產生的位姿誤差，僅討論機械臂端與工具端在對準時的位姿誤差條件。

機械臂端與工具端對接前的情況如圖3所示。在工具端與機械臂端分別建立坐標系O1X1Y1Z1、O2X2Y2Z2，其中O1X1Y1平面為工具端圓盤的上端面，O1為端面圓心，O2X2Y2平面為機械臂端圓盤的下端面，O2為端面圓心，Z1軸沿工具端軸線方向向上，Z2軸沿機械臂端軸線方向向上，對接完成后，坐標系O1X1Y1Z1與O2X2Y2Z2完全重合。由于導向錐面的導向作用，若工具端A平面的邊界曲線沿O1Z1軸投影在O2X2Y2平面上的曲線在機械臂端B平面的邊界曲線內，可以認為機械臂端與工具端能夠成功對接。

圖3 機械臂端與工具端對接前示意圖

一個坐標系可以等價地用一個位置矢量和一個旋轉矩陣來描述。快換裝置工作時其工具端是固定不動的，將工具端上的坐標系O1X1Y1Z1作為世界坐標系。則坐標系O2X2Y2Z2為：

式中：

坐標系O1X1Y1Z1中的向量到坐標系O2X2Y2Z2的齊次變換矩陣為：

將機械臂端與工具端的位姿誤差作如下定義：位姿誤差分為位置和姿態誤差。機械臂端上的坐標系O2X2Y2Z2的原點在坐標系O1X1Y1Z1中的坐標設為（a，b，c）。將a，b，c作為機械臂端與工具端的位置誤差，即機械臂端沿O1X1軸移動-a，沿O1Y1軸移動-b，沿O1Z1軸移動-c，坐標系O2X2Y2Z2與坐標系O1X1Y1Z1的原點重合。此時，假設坐標系O1X1Y1Z1先繞O1Z1軸旋轉α角，再繞O1Y1軸旋轉β角，最后繞O1X1軸旋轉γ角，坐標系O2X2Y2Z2與坐標系O1X1Y1Z1完全重合。將α，β，γ作為機械臂端與工具端的姿態誤差，即機械臂端先繞O2X2軸旋轉-γ角，再繞O2Y2軸旋轉-β角，最后繞O2Z2軸旋轉-α角，機械臂端與工具端的姿態相同。則上述齊次變換矩陣為：

由此可以得到O2X2Y2平面在坐標系O1X1Y1Z1中的方程：

工具端上A平面的邊界曲線在坐標系O1X1Y1Z1中的方程為：

式中：

r為A平面邊界曲線的半徑；

h為錐柄的頂端到其圓盤上端面的距離。

A平面的邊界曲線沿O1Z1軸在O2X2Y2平面上的投影曲線可以看作兩個平面的交線，其中一個平面為O2X2Y2平面，另一個平面為經過該邊界曲線且沿O1Z1軸方向的柱面。則其投影曲線為：

將其寫成參數形式：

再根據齊次變換矩陣，將曲線方程AO1變換到坐標系O2X2Y2Z2中，由此可以得到A平面邊界曲線沿O1Z1軸投影在O2X2Y2平面上的曲線在坐標系O2X2Y2Z2中的曲線方程AO2：

變換后的曲線投影方程應在B平面邊界曲線內，即：

式中：

R為B平面邊界曲線的半徑；

由此得到快換裝置位姿誤差補償的條件。若機械臂端的位姿誤差滿足該條件，則說明機械臂端與工具端可以完成對接。

3.2 仿真分析

基于上文的設計方案，運用動力學仿真軟件ADAMS模擬快換裝置機械臂端與工具端的實際對接過程，驗證設計的合理性。由于該仿真試驗是針對對接過程，因此僅將內殼、錐柄、圓柱銷、電連接器的模型導入到軟件中。建立好的虛擬實驗平臺如圖4所示。

圖4 對接實驗虛擬平臺

對接實驗針對機械臂端不同的位姿誤差情況進行測試，具體的位姿誤差情況如表1所示。

表1 對接實驗位姿誤差情況

將表格中的位姿誤差數據代入上述的位姿誤差條件，用MATLAB繪制出曲線方程AO2與B平面邊界曲線的函數圖像，若曲線方程AO2在B平面邊界曲線內，則說明滿足位姿誤差條件。具體結果如圖5所示，圖中紅線為曲線方程AO2，黑線為B平面的邊界曲線。

根據不同的位姿誤差情況，在虛擬實驗平臺中調整機械臂端的初始位姿，進行仿真實驗。仿真時長設置為10s，仿真步數設置為1000步，得到的仿真結果如圖6及圖7所示。

圖5 AO2曲線與平面B的邊界曲線函數圖像

圖6 第一組數據仿真結果

圖7 第六組數據仿真結果

從第一組數據的仿真結果可以看出，x、y、z軸的位姿誤差最終趨于零，只存在一點誤差，且保持穩定，表明機械臂端與工具端成功完成對接。從第六組數據的仿真結果可以看出，其x、y、z軸位姿誤差的曲線圖像是發散的，說明機械臂端與工具端對接失敗。其中第二、三、四組數據的仿真結果與第一組數據的仿真結果曲線圖類似，機械臂端與工具端也成功完成對接。第五組數據的仿真結果與第六組數據的仿真結果類似，機械臂端與工具端對接失敗。

根據以上幾組位姿誤差數據代入位姿誤差條件繪制出的函數圖像可以看出，幾組數據都為比較極限的誤差情況，并且位姿誤差條件計算出的對接結果與仿真結果吻合，說明位姿誤差條件是合理的。

結合位姿誤差條件與仿真結果，可以知道機械臂端與工具端位置誤差a、b在其中一個的值為0的情況下，另一個的值可以達到±5mm，姿態誤差β，γ的值可以達到±20°。因此該快換裝置在對接時，其位置誤差補償能力是比較弱的，姿態誤差補償能力是比較強的，機器人在進行機械臂端與工具端的對準過程中，應優先保證位置的對準，再考慮姿態的誤差。

4 實驗樣機

根據以上的設計與仿真分析，加工出了快換裝置的實驗樣機，如圖8所示，其基本參數如表2所示。經過實驗驗證該快換裝置能夠完成對機器人末端工具的切換工作，且能夠在機械臂端與工具端有一定誤差的情況下完成對接。證明了設計、理論分析與仿真分析的正確性與合理性。

圖8 快換裝置試驗樣機

表2 快換裝置的基本參數

5 結論

本文設計了一種機器人末端工具快換裝置，針對特殊環境機器人的要求，使其具有大載荷、位姿容差、電氣連接、故障保護等特點。闡述了該快換裝置的機械結構。從理論上分析了該快換裝置的位姿誤差補償能力，通過ADAMS對其對接過程進行了仿真分析。通過理論分析與仿真結果的對比，證明了該快換裝置能夠成功完成對接。最后加工了快換裝置的試驗樣機，證明了設計的合理性，為快換裝置的后續研究提供了依據。