紗筒搬運機器人的設計

魏 哲，焦 航

(西安工程大學機電工程學院，陜西 西安 710048)

0 引言

紡織企業對紗筒的需求量巨大，紗筒在絡筒機上完成絡筒后，主要依靠人工進行收集、轉運、包裝等作業，作業過程中紗筒的搬運勞動強度高、效率低[1-2]。隨著機器人技術、自動控制技術的快速發展，機器人已經在越來越多的領域中廣泛應用。張若青等[3]設計了AGV與機械臂相融的移動裝配機器人，實現RV減速器支撐盤與針齒殼的抓取和裝配，代替人工完成裝配任務，裝配的間隙精度為1mm。金守峰等[4]通過單目視覺系統引導機器人完成筒子紗的抓取和上紗工序，降低了工人的勞動強度。李超等[5]利用PLC為控制器，通過工業無線通訊進行遠程監視，實現了智能搬運機器人在自動化線上對目標的抓取和搬運。焦玉成[6]等在碼垛操作中采用PLC與工業機器人進行以太網通訊,觸摸屏控制與監控，使機器人與供料系統相配合，實現了對動態物體的準確操作。張千等[7]通過構建抓取串類水果三維模型，獲取高精度、多信息的抓取位姿，引導并聯機器人實現了隨機放置的串類水果的抓取。Silwal等[8]實現了機器人代替人工完成了對水果的采摘作業。李海等[9]采用單片機為主控芯片、雙CPU串口通訊構建了智能分揀機器人，實現了對快遞包裹的快速分揀。黨宏社等[10]利用機器人視覺獲取目標的三維位姿，引導機器人實現了對復雜紋理的平面目標的抓取。郝大孝等[11]利用歐姆龍NJ控制器與Ether CAT的總線實現對Delta機器人動態目標抓取的精準控制與操控。王鵬等[12]利用多任務分配策略實現了多機械臂對煤矸石的快速、高效分揀。喬景慧等[13]通過開發機器人視覺伺服自適應控制系統，實現了對電視機背板的檢測與自適應抓取的功能。徐鳳強等[14]設計了短基線定位系統定位水下作業的機器人，通過多傳感器反饋信息融合來引導機器人，實現了對海產品的自主抓捕。劉漢偉等[15]提出了基于非規則物體基本形體組成的自主抓取方法，實現了非結構化環境下不同位姿、形狀等物體的自主抓取，抓取精度為93.3%。章林等[16]設計了藥袋自動分揀的機器人，利用Robot Control系統作為控制器，獲取藥袋位姿、運動速度等信息，實現對藥袋的視覺追蹤和高速分揀。張馳等[17]設計了用于多目標快速識別和抓取的機器人抓取系統，通過建立socket通信將工件的位姿信息傳遞給機械臂，引導其實現工件抓取。徐呈藝等[18]通過優化標定方程的求解，得到精確的手眼標定，實現了機器人對模板的精確抓取，抓取精度為96.2%。林強強等[19]針對零散工件的抓取，采用機器人視覺獲取目標的位姿，從而引導機器人完成對隨機擺放工件的準確抓取。喻群超等[20]借鑒人類的抓取機制，構建了卷積神經網絡抓取框架，在Youbot機器人上實現了對目標的高準確度的抓取操作。

針對紗筒作業過程中勞動強度大、效率低的問題，本文在分析紗筒結構和搬運作業特點的基礎上，設計開發紗筒搬運機器人，采用6自由度關節型機器人，設計具有雙內撐式抓取機構和推紗機構的末端執行器，實現單次抓取2個筒紗，降低了工人的勞動強度，提高了紗筒搬運工作效率和紡織裝備的自動化水平。

1 紗筒結構及作業分析

原紗作為紗筒生產時的原材料，將其經過絡筒機卷繞在中空的紗管上，形成圓筒形或圓錐形，且具有一定卷繞密度和纖維厚度的紗筒[1]。紗管為紙質或高分子材質，內表面中空且不光滑。筒紗的質量直接影響后道紡織工序的加工生產，并最終影響紡織品的質量。

絡筒機加工好的紗筒，主要通過人工搬運進行收集、轉運，將其放置在包裝機上或紗架上，為后續工序做準備。在紗筒搬運過程中，紗筒表面的纖維不能受到污染和破壞，紗線的卷繞密度不能降低，紗線結構不能破壞，因此要求作業過程主要受力點在中空的紗管內表面。

2 紗筒搬運機器人系統設計方案

根據紗筒的結構特征及人工搬運紗筒的作業特點，在分析企業的工作環境、紗架的位置等因素的基礎上，本文設計了如圖1所示的紗筒搬運機器人系統。

圖1 紗筒搬運機器人

紗筒搬運機器人以固定工作站的形式，主要由待搬運的紗筒、機器人和紗架構成。待搬運的紗筒隨機或整齊地擺放在機器人作業空間范圍內，紗架為多層的空間結構，均勻安裝有紗桿用于懸掛紗筒，機器人本體上安裝有專用的末端執行器，可以單次抓取2個待搬運的紗筒，再按設定好的路徑將紗筒放置在紗架的紗桿上，完成搬運作業。

3 機器人本體的選型

3.1 結構形式與自由度

由于紗筒是隨機擺放或整齊擺放，且層高也不一致，這就需要機器人本體具有較高的靈活性和較大的活動空間[21-22]。本文的紗筒搬運機器人以固定式工作站形式進行工作，因此選用關節型機器人。自由度數關系到機器人末端執行器所能到達紗筒放置的位置，自由度的數目越多就表示機器人越靈活，為了能盡可能使機器人的作業空間覆蓋到紗筒所在的任意位置，本文選取6自由度的機器人本體。

3.2 驅動方式的選用

機器人各關節處的驅動方式主要有液壓驅動系統、氣動驅動系統和電動驅動系統等方式[23]，本文中紗筒抓取機器人的主要任務是完成對紗筒操作，而紗筒的質量為1.6～3.8 kg，負載相對來說比較小。機器人需將紗筒抓取后再放置到紗架的紗桿上，要保證有較高的精度和較大的輸出力，因此機器人的驅動方式選用了電動驅動。

3.3 機器人本體的選型

根據機器人機構形式、自由度數和驅動方式等性能參數的選取，本文選用UR10人機協作機器人作為紗筒搬運機器人的本體，其性能參數如表1所示。

表1 機器人的性能參數指標

4 機器人末端執行器的結構設計

紗筒搬運機器人的作業過程為抓取紗筒，并將其放置在紗架上。為了提高紗筒的作業效率，本文設計了單次抓取2個筒紗的末端執行器，并采用SolidWorks進行末端執行器的結構建模。如圖2所示為紗筒搬運機器人的末端執行器，主要由抓取機構、推紗機構和其他連接零件構成。

圖2 末端執行器

4.1 抓取機構的設計

抓取機構為直接接觸紗筒的機構，根據紗筒的結構和搬運特點，本文設計了如圖3所示的平移內撐式的雙抓取機構，由手指、連接件和驅動氣缸構成。3個手指上部通過連接件均勻分布地安裝在驅動氣缸上，手指采用碳纖維材料，手指的下部與紗筒內表面接觸起到支撐的作用；在氣缸的驅動下連接件可以沿氣缸直徑方向往復移動，帶動3個手指完成紗筒的內撐式抓取動作。

圖3 抓取機構

圖4 推紗機構

4.2 推紗機構的設計

抓取機構將紗筒抓起來后，通過機械人的運動軌跡規劃，將紗筒放置在紗架上。為了實現自動放置紗筒，本文設計了如圖4所示的推紗機構，該機構由推板、驅動氣缸和連接板構成。推板的中心孔與抓取機構的驅動氣缸有同軸度裝配精度要求，推板在圖5驅動氣缸的驅動下，可以上下移動，從而使紗筒從內撐式手爪上推入到紗架上。

5 實驗分析

5.1 實驗平臺及參數設置

為了驗證本文設計的紗筒搬運機器人性能的穩定性，搭建了如圖5所示的實驗平臺，將本文設計末端執行器安裝在UR10的腕關節3的位置，氣動壓力范圍為0.4～0.6 MPa。

圖5 實驗平臺

實驗用的紗筒規格如表2所示，按2層、每層8個的規則擺放，機器人1次抓取2個紗筒。

表2 紗筒規格

5.2 實驗分析

實驗中，紗筒搬運機器人利用示教器進行示教方式來操縱機器人運動，紗筒搬運的過程為：

a.紗筒搬運機器人在初始位置開始移動到紗筒上方。

b.機器人的肩關節和肘關節帶動腕關節運動，使末端執行器的抓取機構進入到紗管中，氣缸驅動末端夾持器的手爪張開，如圖6a所示，完成抓取。

c.機器人的機座關節旋轉，肩關節和肘關節帶動腕關節運動，腕關節3旋轉90°帶動末端執行器由圖6a所示的垂直狀態旋轉為圖6b所示的水平狀態，并向紗架運動。

d.在紗架的放置位置上，推紗機構在氣缸的驅動下向外伸出，使紗筒掛到紗架上，如圖6b所示，完成推紗后，機器人返回到初始位置。

e.若要連續搬運紗筒，則返回步驟a；否則，結束搬運任務。

本文對表2中的2種形狀不同的紗筒進行了搬運實驗，得到的實驗結果如表3所示。

表3 實驗結果

圖6 紗筒搬運機器人工作狀態

由表3可知，2種紗筒在搬運過程中均100%完成工作，沒有出現紗筒掉落、放置錯位等事故。直筒形紗筒的重量大于錐形紗筒，故單次平均耗時和總耗時上直筒形紗筒耗時較多，在機器人有效載荷的范圍內，隨著紗筒重量的增加，搬運速度會下降。在相同條件下，搬運機器人與2個人工相當，且是在長時間連續搬運時，機器人具有明顯的優勢，能夠代替人工完成對紗筒的操作，效率高，性能安全穩定。

6 結束語

針對勞動密集型為主的紡織企業人工搬運紗筒的效率低、強度大等問題，在對紗筒結構和操作工藝分析的基礎上，對機器人本體進行自由度、結構和驅動方式的參數選型，選用6自由度的UR10人機協作機器人作為紗筒抓取機器人的本體。為了提高紗筒搬運機器人的工作效率，設計開發了具有平移內撐式的雙抓取機構和推紗機構的末端執行器，采用SolidWorks對手指、連接件、推板等關鍵零部件進行建模，并進行了末端執行器的裝配。通過對2種不同形狀的紗筒進行的搬運實驗表明，該機器人可同時完成2個紗筒的抓取和推紗的工作循環，連續工作效率高，工作安全，性能穩定。