吸盤機械手機構設計與運動學分析

徐佳偉，王收軍，葛為民，王肖鋒，丁躍達

（1.天津市先進機電系統設計與智能控制重點實驗室，天津 300384；2.天津理工大學 機電工程國家級實驗教學示范中心，天津 300384；3.中國汽車工業工程有限公司，天津 300110）

0 引言

隨著勞動力成本的不斷上升，工業自動化設備在很多領域正越來越多地被廣泛使用，其中工業機械手憑借其穩定性好、適應面廣、效率高等特點，成為工業自動化生產的理想工具。與人相比，機械手可以在有毒、有害、危險的環境下連續工作，比如焊接、噴漆等；也可以完成頻繁、單調、重復的勞動、比如上下料、搬運等[1]。在產品包裝、物體的傳輸和機械裝配等自動化作業線上，使用真空吸盤來抓取物體的案例越來越多[2]。國內外多數生廠商已經使用了這種吸盤式機械手，比如上海漢爾得工廠，特斯拉無人工廠等。

柔而有彈性的吸盤可以很方便地實現諸如工件的吸持、脫開、傳遞等搬運功能，并確保不損壞其作用對象?，F有的吸盤機械手只能對形狀比較簡單規則零件進行搬運放置，因為玻璃板是光滑的平面，所以這種吸盤機械手主臂只需要1～2自由度安裝多個吸盤頭就能滿足工作要求，比如最常用的盤式機械手只使用在對玻璃板的夾取和搬運。但在汽車焊裝生產線中，白車身是有很多薄板件組合而成并且形狀不規則，對吸盤機械手要求更復雜且需要更多的自由度，多自由度吸盤機械手將成為焊裝生產線上設備制造研究的重點。

本文研究的龍門架懸掛式吸盤機械手主要通過四個多自由度的吸盤機械手和兩個輔助吸盤機械手對零件的搬運，不僅滿足對不規則零件搬運要求，而且擁有超大行程、高負載、高效率，簡單經濟、壽命長等特點，具有廣闊的應用前景[3,5]，所以吸盤機械手的研究尤為重要。龍門架懸掛式吸盤機械手機構進行設計和運動學分析通過對龍門架懸掛式機械手的機構設計、運動學建模及工作空間的分析展開吸盤機械手的研究：首先，建立吸盤式機械臂的三維模型，基于旋量理論[6]建立吸盤機械臂的運動學模型，得出吸盤機械臂的末端位姿方程，然后利用MATLAB基于蒙特卡洛數學分析方法[7]得出單臂吸盤機械手的最大工作空間和在某一位置四個吸盤機械手的協同工作空間，最后把三維模型導入ADAMS中，得到吸盤機械手虛擬樣機，使用STEP函數對虛擬樣機的工作域進行求解分析，并對四臂吸盤機械手工作空間進行分析[8]，為以后吸盤機械手的尺寸調整對薄板件的吸持點及軌跡跟蹤打下堅實的基礎。

1 吸盤搬運機械手機構設計

吸盤機械手采用懸掛式結構安裝于龍門架上，沿著三個相互獨立垂直的坐標軸（即X軸、Y軸、Z軸）運動，最終使吸盤機械手到達設定的位置，該機械手適用于物品長距離的搬運、抓取。電控箱獨立設計，與機械手分離，操作方便。圖1為吸盤機械手搬運零件工作原理圖，圖2為龍門架懸掛式裝吸盤機械手示意圖。

圖1 功能原理圖

圖2 龍門架懸臂式吸盤機械手

圖3 局部放大圖

圖4 四臂吸盤機械手

在SolidWorks中建立三維模型，圖4四臂吸盤機械臂模型。每個吸盤機械臂有五個自由度，前兩個關節（轉動關節序號1和移動關節序號2）屬于聯動機構，根據被抓取零件的尺寸快速調整機構的空間位置，其中轉動關節1為四個吸盤機械臂的共同關節，移動關節2為兩兩吸盤對稱移動自由度，后三個自由度（序號3、4、5）屬于獨立的自由度用于調整不規則零件被吸持位置也稱定位點的位置。伺服電機驅動雙搖桿機構帶動轉動關節序號5工作，能使末端吸盤達到前后水平位置，極大的提高了吸盤工作空間。序號6為真空吸盤機構。圖3為吸盤機械臂的局部放大圖，其中吸盤機械臂采用模塊化設計[9,10]可以根據零件的形狀和尺寸設計，當超過吸盤機械手自身調節范圍時，切換成其他尺寸的吸盤機械手。此種結構變換屬于局部改變，主要機構模塊都保持不變，可以節約制造成本，實現快速切換功能，滿足現代化設計需求。另外輔助吸盤機構的主要作用防止大跨度薄板類的零件在搬運過程中不因自身的重量而發生彎曲變形。

2 吸盤機械臂的運動學分析

吸盤機械臂有四個軸對稱吸盤小臂組成，只需分析一組機械臂運動學。吸盤機械臂運動學就是建立在各個運動關節和末端執行器（即末端吸盤）的空間位姿之間的關系，為系統的控制提供分析的手段和方法?；谏鲜鼋Y構建立各關節運動參數，其機構簡圖如圖5所示。

圖5 吸盤機械手機構簡圖

表1 吸盤機械臂的參數表

由于四臂吸盤機器手采用相同的結構布局，故只需要分析單臂的運動學即可。由于圖形5機構緊湊，圖中只標注左1臂初始位形的的參數。已知S是基礎坐標系，T是末端工具坐標系，從基礎坐標系開始對各桿件和關節編號，各關節的運動由位于各關節軸線產生。初始位置工具坐標系與基礎坐標系的變換為：

同理其他三只機械手初始位形和同一個慣性坐標系，可以得出吸盤末端點的位姿。

3 工作空間

利用Matlab軟件對吸盤機械臂工作空間進行求解。根據蒙特卡羅數值分析法，建立此機械手的工作空間云圖。在Matlab環境下，利用rand()函數，產生各個變量在在定義的區間的隨機值，即將其帶入式(2)x,y,z表達式中，就可以得出單只機械臂的工作空間云圖，如圖6(a)、6(b)、6(c)、6(d)為左1機械手工作空間云圖，其他三只機械手也具有相同的空間工作云圖，表示龍門架在機器視覺和位置傳感器的引導下到達指定的位置，單只吸盤機械手工作范圍。圖6(e)為不考慮1θ關節的作用時，四個小臂機械手同時工作的空間云圖，該圖相對于單只吸盤機械手工作空間云圖可以更加直觀方便地觀察出四只機械手同時工作所能夾取零件尺寸范圍，同時也能判斷待夾取的零件控制點是否在吸盤機械臂工作范圍內，為后續根據零件的大小調節可重構機械手的尺寸給出依據。

圖6 空間工作云圖

通過仿真圖6(a)可得單臂吸盤機械臂在1θ旋轉過程中末端吸盤所能達到的工作間，得出單臂末端點的運動范圍內徑為1.008m，外徑為3.012m的圓環。圖6(e)四小臂協同工作吸盤空間云圖，要求滿足被抓取的零件的幾何尺寸至少能落在圖中的四個不同顏色的區域內，才能被吸盤抓取。通過對工作空間的分析，為后續在零件上確定被抓取點的研究對在搬運過程中對零件產生的變形具有重要的意義。

4 虛擬樣機的建立

利用ADAMS對吸盤機械手進行虛擬仿真測試，能夠快速的查找問題，發現問題，能避免吸盤機械手在制造過程中出現不必要的問題。吸盤機械手由四個小機械手組成，前后左右機構對稱，相互配合工作。在導入ADAMS中在不影響結果的前提下在進行適當簡化，圖7所示為簡化流程圖。

圖7 流程圖

圖8 導入ADAMS中三維模型

將吸盤機械手模型導入ADAMS中，如圖8所示，導入后對各個零件進行重新命名，設置相應的材料屬性，賦予質量，對吸盤機械手相應的關節施加運動副，然后對每個關節施加相應的驅動函數，完成相應的動作，得出吸盤機械手運動曲線。

由于吸盤機械手是軸對稱模型，以其中一個吸盤機械手為分析對象，其他機械臂通過ADAMS布爾操作合成一體，再刪減不需要的零件。然后對其分析，根據吸盤機械手的參數和基本設計指數對虛擬樣機中一個臂進行仿真可以得出吸盤機械手的運動數據及軌跡曲線。

在吸盤機械手單條機械手五個關節，根據運動方式，輸入STEP驅動函數，如下：

關節1：STEP（time，1，0d，5，360d）+STEP（time，15，0d，20，-360d）

關節2：STEP（time，1，0，5，332）+ STEP（time，15，0，20，-332）

關節3：STEP（time，1，0d，5，145d）+STEP（time，20，0d，25，-145d）

關節4：STEP（time，1，0，5，-120）+STEP（time，15，0，20，120）

關節5：STEP（time，1，0d，5，90d）+STEP（time，15，0d，20，-90d）

在單吸盤機械手的仿真過程中，對末端吸盤標記mark點進行軌跡繪制從而得出單吸盤機械手在空間內理論工作區域如圖9所示。

圖9 單只吸盤機械手理論工作區域

圖10 單吸盤機械手每個關節的角度θ曲線

圖11 吸盤末端標記點X、Y、Z位置仿真曲線

在仿真完成后，按F8進入ADAMS/POSTPROSS界面對仿真結果進行數據分析，如圖11所示為末端吸盤標記點的XYZ三個方向的位置曲線輸出測量值，圖10為單吸盤機械臂每個關節的角度曲線輸出測量值。由圖11仿真結果可知在單吸盤機械手旋轉360度過程中，若以初始時刻吸盤為0位置，則吸盤能向前最大1.741m，向后最大0.879m，與吸盤機械手在MATLAB仿真中的位形空間尺寸極其吻合。從而驗證了建立運動學的正確性。由圖10關節角度運動曲線可知，在給定的驅動要求下，單吸盤機械手具有相對穩定的運動形式，符合設計者的要求。

5 結論

以自行設計的吸盤機械手為研究對象，首先以旋量坐標確定各個關節參數，求解運動學正解，然后在MATLAB中編程繪制單只吸盤機械手的工作空間，分析吸盤機械手可達到最大和最小的工作范圍。然后在以關節1θ停止轉動，分析四只機械手協同工作時吸盤抓取的工作范圍。通過ADAMS虛擬樣機的仿真，更加直觀的描述吸盤機械手的運動參數。通過以上的分析，確定吸盤機械手抓取零件尺寸范圍和運動參數，同時也為后續的協調控制和軌跡跟蹤做好基礎。

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