基于混聯機構的新型物流分揀機器人機構研究

曹中浩，劉劍，劉俊辰，李希文，張輝，曹毅

(江南大學 機械工程學院 江蘇 無錫 214122)

0 引言

隨著物流分揀技術要求愈來愈高，傳統的物流分揀機器人漸漸不能滿足現代分揀工作需求，設計研發具有新型物流分揀功能的機器人將成為發展方向[1-2]。其核心內容就是分揀機器人機構本身的設計。

目前，機器人機構主要有串聯機構、并聯機構和混聯機構三大類。其中，串聯機器人工作空間大，結構簡單，但不適用于要求高速度、高準確度的工作環境。并聯機構在應用上彌補了串聯機構的不足，但由于并聯機構工作空間小，不能廣泛應用?；炻摍C構可避免串、并聯機構的缺點，同時又能綜合它們各自的優點，具有實用意義[3]。劉辛軍[4]提出了五軸聯動混聯銑床的機構設計方法及應用并通過理論研究及應用試驗促進了少自由度并聯機構的應用發展。夏紅梅[5]提出一種由1R2P串聯機構和球面2自由度冗余驅動并聯機構串聯組成的混聯構型方案用于菠蘿采摘。高峰[6]將混聯機構應用于四足機器人的構型設計，為四足混聯腿機構機器人的后續研究奠定理論基礎。沈惠平[7]針對大型扁平型立方體工件的噴涂工藝特點，設計了一種控制解耦性很好的五軸混聯噴涂機器人。相關的混聯機構還包括其他構型設計及應用[8-13]。

隨著我國物流產業的迅速發展，研發具有自主知識產權的低成本物流分揀機器人產品己成為我國機器人領域亟待解決的問題。本項目致力于設計和研發基于混聯機構的新型物流分揀機器人機構，兼具并聯機器人和串聯機器人機構的優點。針對快遞等行業物流分揀實現自動化、高效率的研發需求，研制出具有創新型的分揀機器人機構，可降低工人的勞動強度，提高效率。該項目側重于基于混聯機構的物流分揀機器人結構設計，對相關混聯機構的研究具有參考意義。

1 結構設計與分析

所設計的基于混聯機構的新型物流分揀機器人機構構型如圖1所示，該混聯機構由三自由度的并聯機構(3T)和二自由度的串聯機構(2R)組成，其末端運動輸出為三移動兩轉動。機械手為螺紋連接，可拆卸，替換不同規格的機械手，適用于多種類物品的分揀。滾珠絲杠用于自鎖，防止裝置因重力作用導致下滑。傾斜桿14可繞水平桿13滑動，使機械手沿x軸方向運動；斜桿12可帶動機械手沿y軸方向運動；x,y軸方向桿件均可沿螺紋桿9上下運動，即帶動機械手沿z軸方向運動；連接副將軸承與橫桿7以下部分相連接，使機械手繞軸承轉動，即繞y軸轉動；同時，整個裝置懸掛在固定圓桿3上，可繞固定圓桿轉動，帶動機械手繞x軸方向轉動，即三移兩轉運動。

1—底板；2—支架；3—固定圓桿； 4—豎桿；5—滾動軸承；6—轉動桿；7—橫桿；8—連接副；9—螺紋桿；10—方桿；11—滾珠絲杠；12—斜桿；13—水平桿；14—傾斜桿；15—機械手圖1 混聯機構構型圖

2 自由度分析

為進行自由度約束分析，對該機構進行簡化，其空間機構簡圖如圖2所示。

圖2 混聯機構空間機構圖

由于該裝置的空間結構具有對稱性，故其空間自由度的計算僅以右半部分為例即可。該機構中，固定桿件為x軸方向橫桿，套筒A可以在固定圓桿上繞x軸轉動，具有5個約束；套筒A與B通過滾動軸承相連，使得套筒B可繞y軸方向轉動，具有5個約束，套筒C可以沿z軸方向移動，具有5個約束；套筒D可以沿y軸方向運動，具有5個約束；滑塊E沿桿在x軸方向運動，具有5個約束。

空間機構的自由度=所有活動構件自由度-所有運動副引入的約束數，其公式為:

F=6N-5P5-4P4-3P3-2P2-P1-K

其中：N為 活動構件的個數，P5為具有5個約束的構件個數，P4為具有4個約束的構件個數，P3,P2,P1分別為具有3,2,1個約束的構件個數,K為虛約束的個數。其中機構的組成部件個數為5，即N=5。

具有5個約束數的機構為5，即P5=5；其余約束數的機構為0，即P4=P3=P2=P1=0。

所以，該混聯機構的自由度為：

F=6N-5P5-4P4-3P3-2P2-P1-K=

6×5-5×5-4×0-3×0-2×0-1×0-0=5

可以證得，該混聯機構具有五自由度，三移動兩轉動。

3 空間運動分析

該混聯機構可實現空間的三移兩轉運動(圖3)，對其進行動力學仿真，使用UG仿真軟件，在機構的可運動構件上添加驅動，其余部分相對固定，分別得到機械手沿x,y,z軸移動和繞x,y軸轉動的位移、速度、加速度曲線。

圖3 混聯機構三維模型

該裝置整體尺寸分別設計為：長為150cm,寬為120cm,高為150cm。

假設所分揀的物品長L=6cm,寬d=5cm,高h=8cm，質量m=0.5kg。

1) 機械手沿x方向移動，得出5s內移動80cm的位移、速度、加速度曲線如圖4所示。

圖4 沿x方向位移、速度、加速度曲線

2) 沿y軸方向移動，得出5s內移動80cm的位移、速度、加速度曲線如圖5所示。

圖5 沿y方向位移、速度、加速度曲線

3) 沿z軸方向移動，得出5s內移動80cm的位移、速度、加速度曲線如圖6所示。

圖6 沿z方向位移、速度、加速度曲線

4) 繞x軸轉動，得出5s內轉動90°的角位移、角速度、角加速度曲線如圖7所示。

圖7 繞x軸90°的角位移、角速度、角加速度

5) 繞y軸轉動，得出5s內轉動50°的角位移、角速度、角加速度曲線如圖8所示。

圖8 繞y軸50°的角位移、角速度、角加速度

通過仿真，再次驗證該機構的輸出為三移動兩轉動。

4 結語

為解決現有分揀機構精度不足效率較低等問題，提出了具有五自由度的混聯機構，以物流分揀為載體，將該裝置應用于物流行業，提高工作效率，降低工人勞動強度，具有實用意義和實際價值 。同時，本項目基于目前物流分揀機器人機構的研究現狀提出了明確的研究目標和具體的研究內容，為混聯機器人應用于人們的生產生活奠定了基礎，具有廣闊的應用前景。

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