水泥裝車機器人結構設計與分析

李凱

摘 要：以往在裝卸袋裝水泥時，常常需要大量人力，并且勞動強度非常大，還需要耗費較多時間。目前很多水泥廠商開始應用機械化裝車設備，不僅減輕了工人的工作量，還在很大程度上提高了裝車效率。文章對水泥裝車機器人的工作原理進行了闡述，對水泥裝車機器人的結構設計進行了論述，并對裝車機器人的機械臂運動學進行了分析，以供相關人員參考。

關鍵詞：水泥裝車機器人；結構設計；吊架；機械臂；運動學分析

1.水泥裝車機器人工作原理

第一步，在水泥袋順著皮帶滑動過程中，撥板會朝左側搬運箱方向移動，水泥袋就順著這個方向滑進此搬運箱。第二步，左側機械臂移動到第一袋部位，與此同時，撥板朝右側搬運箱方面移動，第二袋水泥滑進右側搬運箱。第三步，左側機械臂返回過程中，右側機械臂朝第二袋水泥原先所在位置移動，此時撥板朝左側搬運箱移動。按照這個流程循環往復，指導整排袋裝水泥碼放完成。在碼放每一層水泥袋時，移動天車在導軌上不斷勻速移動，當碼完一層后，吊架部分的電動缸會向上提升，持續碼放下一層[1]。

2.水泥裝車機器人結構設計

2.1機械臂設計

為保證迅速將袋裝水泥碼放到位，機器人從支架撥盤位置將水泥袋接收并碼放到制定位置，這要求機械臂應擁有大小臂以及搬運箱3個可轉動關節，以便于接取和平移等各種動作的實施。大小臂以及搬運箱可利用減速電機實現轉動，減速電機的傳動比較高，并且傳動精度以及傳動效率也非常高，傳統部件大都采用通用標準，并且市場售價相對較低，購買與安裝都很容易。由于水泥裝車機器人的機械臂關節重量及其扭矩是逐步傳遞的，所以大臂力矩必須最大化。本機器人采用大力矩伺服電機為機械臂提供力矩。

2.2吊架設計

水泥裝車機器人的吊裝結構的上下移動是利用電動缸的伸縮作用來實現的，以有效調整水泥裝車時的高度，達到逐層碼放水泥袋的目的，并合理消除斜皮帶左右搖擺對裝車作業造成的影響。在吊架結構中，上面部分有效連接移動天車，并加強固定。下面部分連接電動缸末端關節軸承以及支架。

2.3搬運廂設計

將機器人搬運箱結構中的伺服電機連接到減速器之后，同時又經底座裝設在機器人的小臂結構的關節位置，減速器軸與中心軸在A型普通平鍵的基礎實現連接，中心軸插裝在小臂關節中的圓錐滾子軸承內圈，利用50型氈圈油封將下端軸承密封起來。相比于機器人的大臂結構，中心軸下端通過16x100型帶孔銷與法蘭盤實現連接，法蘭盤通過若干個螺栓與搬運箱外殼實現連接，搬運箱底部安裝有24V電動滾筒，能夠有效調節速度[2]。電機軸旋轉過程中，中心軸受減速器作用而發生旋轉，進而促使搬運箱進行轉動。同時周邊裝設有接近式傳感器，能夠將搬運箱的轉動速度控制在合理范圍內，從而有效保證裝車過程中對碼放方向的要求。

3.機械臂運動學分析

水泥裝車機器人的設計，涵蓋了諸多運動學分析相關內容，尤其是機械臂運動學分析方面，其重點分析內容在于機械臂關節變量與末端執行器位姿的關系，主要包括運動學正解問題與運動學逆解問題等。機械臂運動學正分析是在機械臂各關節位移量或轉角的基礎上，對其末端執行器的位姿進行推算。而其運動學逆分析是在機械臂末端位姿的基礎上對各關節位移量或轉角進行計算。下面以機械臂運動學的正解為例，進行分析。

機械臂正解分析的主要內容是通過機械臂的運動學方程的建立，對末端執行器位姿圍進行求解。從3自由度的機械臂方面出發，可得出相應的運動學方程：

（1）

該公式中：A1、A2、A3表示不同矩陣，是第m個連桿相對于第m-1個連桿的齊次變換。字母p表示末端點的位置矢量。字母n、字母o以及字母a，分別描述了相應姿態的3個相垂直的單位向量。

從這里可以得出：

（2）

在計算過程中應當對正解進行充分驗證，以保證其正確性。當初始位置θ1=900，θ2=00，θ3=900時，將這些數據代入公式（2），可得出機械臂運動學方程結果：

此次計算結果與機械臂的具體位姿一致。

當大臂旋轉900時，θ1=00，θ2=00，θ3=900，將這些數據代入公式（2），可得出機械臂運動學方程結果：

此次計算結果與機械臂具體位姿相一致。

從機械臂的運動學正解分析過程，可以發現，末端執行器位姿向量與其關節轉角θ之間，存在一定的函數關系，若得知機械臂3個關節的轉角θ1、θ2、θ3的確定值后，就能將其代入到公式（2）中，從而準確得出末端執行器位姿，以及相應位置的矢量，進而末端執行器坐標系相對于基坐標系的位姿也就得以確定，最后求得機械臂運動學正解。