柔性復合機器人的設計與應用

袁 明 （沈陽新松機器人自動化股份有限公司，遼寧 沈陽 110168）

輕載復合機器人是AGV自動導引車和柔性機械臂的融合體，在外觀上突破傳統機器設計概念，整體采用蝎形設計，為了突出七軸機械臂的機動靈活的特點，車體布局結構緊湊，外形設計柔和而堅實給人以靈敏，迅捷的感受突出了復合機器人迅捷、精準的工作模式。控制上采用AGV控制調度系統集中控制的方式，根據流程通知復合機器人到達指定站點隨后實現機械手臂執行指定動作，實現了完整的自動化流程。由激光導航實現自動行走，在保證了行走穩定的同時，又提高了速度和控制精度。基于關節力控技術的機械臂具有出色的牽引示教功能以及多機協調作業功能，極大地方便了客戶使用，同時，輕載復合機器人具備激光防碰與關節力控機械臂碰撞檢測技術，可以實現機器人與人之間安全、可靠的協同工作，機械手末端配有手眼視覺系統，可以實現機器人高精度二次定位抓取。

1 復合機器人的整體概述

機體主要由AGV車載控制器、AGV伺服驅動系統、AGV導航定位系統、柔性7軸機械臂、安全系統、供電系統、AGV通訊系統和手動維護系統等部分構成。在系統中，各個子系統與車載控制器的連接通過CAN總線的方式交換信息，既減少了AGV的線束，又便于系統的維護，同時系統可以很方便地進行裁減。各部分也都采有模塊化設計，便于維修及更換。無需用戶外接任何控制柜即可實現對復合機器人的行走以及抓取共9個自由度的協同控制。

復合機器人可以協調運行，完成整個工序的產品運輸工作。復合機器人采用差動輪驅動，隨動輪支撐，所有輪子外層使用樹脂橡膠材料制作，強度高、耐磨損、穩定性高，具有一定的彈性等優點。驅動輪需具有浮動功能，具備一定的路面面差能力，驅動機構和驅動輪采用集成模塊化處理，驅動輪使用安裝于車體左右兩側對稱布置，使之集成行駛單元，可滿足整車的行駛及轉向功能。保證AGV小車在運行過程中行駛平穩，不會對車間地面造成損傷。便于使用和維護；激光導引，具備前進后退和±180°轉彎等功能，滿足工位間交替、工件直線運行、分叉至支線運行等要求。復合機器人正常運行時，按照中央調度系統的預設路線運行。運行指令可由各工位操作者通過呼叫按鈕發出。正常運行時，按照中央調度系統的預設路線運行。運行指令由各工位操作者通過呼叫按鈕發出。此外機器人具備離線控制行進功能，方便人工應對AGV小車路線調整和故障維修。如圖1所示。

此款復合機器人采用激光導航，地面無任何誘導線，現場施工量很小，可比較靈活地改變路徑，使系統的柔性更大。AGV使用專用激光測量傳感器，該傳感器使用紅外波段，低能量脈沖式激光，且不使用傳統的點式光源的光路，激光的光路發散，可保證在任何情況下均不會對人眼造成傷害，該傳感器使用“測距＋測角”的測量算法，使用專用處理器計算位置信息，即保證了系統的測量速度，又提高了測量的可性和精度，位置測量精度最高可達3mm，角度精度為0.1°，可充分保證AGV的控制精度。采用激光導航的方法，反光板是其中的主要構成元素，反光板由平面反光膜或圓柱形反光膜構成，安裝在專用型材支架上。在使用過程中用其中的一臺AGV來測量反光板的位置，其他的AGV通過上傳和下裝的辦法來獲得反光板的位置信息，也稱做AGV的地圖。與AGV相一致，控制系統也有一張帶有全部反光板位置的場地布置圖—地圖。當某個特定的路徑被選擇時，調度系統通知AGV，AGV在自身的控制系統里也有地圖的信息。然后AGV將跟隨這個選定的路徑運行，并知道它沿著該路徑的絕對坐標，這個路徑也叫虛擬路徑。為了消除系統的測量誤差，經過多次測量后，系統會自動計算反光板的誤差方程，得出最優的反光板位置坐標。激光導航是一個位置的閉環，通過導航系統，AGV車實現修正自己的位置，可保證每臺小車到達目的地后的定位準確率達100%。復合機器人激光導航和反光板位置圖見圖2。

圖1 復合機器人整體外形

圖2 復合機器人激光導航和反光板位置圖

在復合機器人的前部和后部分別安裝有激光防碰傳感器，傳感器設置為兩個區域，一個是減速區，一個是停車區。當傳感器減速區被激活時，首先機器人減速直至停車，當障礙離開后，機器人可自動恢復運行。當傳感器停車區被激活時，AGV車立即急停，此時需人工按到AGV車的復位按鈕后，AGV車才能恢復運行。減速區與停車區可在4米半徑內，180度角度內任意設置。急停距離小于200mm。在復合機器人后面板及左右兩側設有緊急停車按鈕，當緊急情況按下后，復合機器人立即急停。并且后側設置轉向指示燈，前部設有運行指示燈，并具備聲光報警功能。激光導航傳感器見圖3。

復合機器人設有軟件保護，當發生導航故障（導航丟失或偏離過大）、通訊故障、伺服故障等，軟件立即停車。一旦計算機系統發生故障，離線保護單元、防撞安全單元、應急開關將控制AGV停車或完成基本操作。當發生故障或急停時，復合機器人自動用聲光報警。同時通過無線通訊系統通知監控系統。監控系統在控制臺上顯示當前狀態和文字提示。監控人員可以根據提示的信息，指揮現場人員排除故障。發生故障的復合機器人可以使用手控操作器操縱它離開工作區到安全位置。激光防碰示意圖見圖4。

圖3 激光導航傳感器

圖4 激光防碰示意圖

復合機器人使用鋰電池充電電池作為供電電源，使用專用的充電站停車進行自動在線充電，補充損失的電量。在機器人路線的充電位置上安裝有地面充電連接器，機器人車體裝有與之配套的充電連接器，復合機器人運行到充電位置后，充電連接器與地面充電接器的充電滑觸板連接。整個充電過程是全自動的，整個過程無需人工干預，充電過程中，操作者可正常作業系統中使用受AGV控制臺監控的自動充電機對復合機器人進行充電，當復合機器人的電池電壓沒有通過充電連接器傳送給充電機時，充電機不會向外輸出電壓，可確保在地面的充電連接器在非充電狀態時，極板不帶任何電壓。

充電機單獨進行控制，通過相應的觸摸屏實現參數的設定和狀態信息（如電量等）顯示，并且有快速充電模式、均衡充電模式、自動化模式等可供選擇，可與AGV管理系統通信。復合機器人具有電量智能檢測功能，在電池電量低于某一值（用戶自定義）時自動進行在線充電，電量充至某一值（用戶自定義）以上后，如有臺位呼叫，可隨時停止充電進入工作狀態。

2 復合機器人機械臂傾覆計算

為了保證復合機器人取料時平穩不傾覆，設計時針對傾覆做了專門計算，圖5為在機械臂達到極限位時的傾覆計算。

圖5 復合機器人傾覆計算分析圖

經機械臂末端加取貨最大重量F1=210N距離隨動輪支點960mm，F2為機械臂的重心為F2=200N距離隨動輪支點480mm，車體重心G距離隨動輪支點距離370mm。

假設車體自重為G，要想車體保持平衡：Ma（G）＞Ma（F1）+Ma（F2）

再乘以一個安全系數：Gmin＞G*1.2 Gmin＞980N

3 結束語

隨著輕載復合機器人在工博會和物流展上的首發亮相，這種像人一樣到某特定場所進行高精度拿放物品，可快速布局于自動化工廠、倉儲分揀、自動化貨物超市，實現物料自動搬運、物品上下料、物料分揀機器人產品，將會朝著有更先進性、實用性、經濟性、安全性、可靠性、大承載能力等方向快步應用與發展。

[1]成大先.機械設計手冊（第一卷）[S].北京：化學工業出版社，2007.

[2]濮良貴，紀名剛.機械設計[M].北京：高等教育出版社，2006.