機器人自動分揀試驗系統的手抓方案研究

王粲

摘要：隨著經濟的飛速發展，產品種類不斷增多，機械臂末端的傳統手抓已難以適應產品生產的需要，作為通用末端操作器的機器人手抓在現代工業生產領域將發揮重要作用。機器人自動分揀技術是實現企業節省人力成本的重要手段。依托于國產的工業機器人為基礎，本文闡述了機器人自動分揀的硬件組成方案，特別是機器人抓取裝置的方案研究，此項技術必定可以在船舶制造等重工領域得到廣泛推廣。

Abstract： With the constant development of economy， the increasing constantly of product category， the traditional grippers installed at the end of manipulator can't gradually meet the manufacturing requirement， the robotic hands as the universal end operator， will play an important part in the modern industrial production field. Robot automatic sorting technology is one of the most important means to save manpower cost for enterprises. Based on the domestic industrial robot， this paper expounds the hardware composition of robot automatic sorting， especially the research of robot grasping device. This technology is sure to be widely popularized in the field of shipbuilding and other heavy work.

關鍵詞：分揀；國產機器人；硬件；抓取裝置

Key words： sorting；homemade robot；hardware；grasping device

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）30-0149-02

0 引言

機器人分揀已在日本以及歐美一些發達國家的機械、食品、醫藥、化妝品等生產領域應用相當普及，而我國目前真正付諸實施的機器人分揀系統還幾乎是空白。根據目前我國的市場需求狀況和相關技術基礎，研究、開發和應用機器人分揀技術有著十分重要的意義[1]。機器人分揀與人工分揀作業相比，不但高效、準確，而且在衛生保障、質量保障等方面有著人工作業無法替代的優勢；與傳統的機械分揀作業相比，機器人分揀有著適應范圍廣和隨時能變換作業對象的優勢。

1 機器人自動分揀試驗系統的硬件組成

1.1 數據處理單元

數據處理單元硬件主要為：1臺PC機、2個掃描槍。PC機為普通臺式計算機，掃描槍為一維碼掃描槍。（圖1）

1.2 機器人執行單元

機器人執行單元的硬件組成主要包括：PLC控制器、工業機器人、快換裝置、機械手抓、手抓支架、安全圍欄及其它附件。

1.2.1 PLC控制器

PLC控制器采用德國西門子公司的300系列，主要實現與數據處理單元的TCP/IP通訊、與機器人Profibus通訊及邏輯處理功能，預留一部分IO接口用于后期外圍設備故障信號的接受和命令的發送。

1.2.2 工業機器人

根據工件（50-60kg）及末端手抓重量，機器人本體采用JARI-CP-160型工業機器人，其末端最大載荷為160kg。

機器人接口需求：根據設計要求，機器人最少能提供4路DO信號用于手抓的抓、放控制和快換工裝的控制；6路DI信號用于接收手抓和快換工裝的反饋；Profibus接口用于機器人與上位機的通訊。

1.2.3 快換裝置

為了實現兩種手抓的更換功能，需要引入快換裝置。結合本項目中手抓和物料的種類，選用ATI品牌的QC-110型號快換裝置。表1所示為QC-110快換裝置的性能指標。

1.2.4 機械手抓

為了配合客戶后期智能手抓的開發，設計采用電動伺服手抓，設計兩套手抓。手抓主要由夾持爪、傳動機構、控制器等構成，夾持爪是夾持被抓零件的結構件，傳動機構負責帶動夾持抓的運動，控制器功能與機器人進行電氣接口，完成指令的收發，狀態反饋，以及控制傳動機構電機運動。手抓的最大負重60kg（工業機器人運動加速度小于2g）。

2 手抓系統方案

手抓采用立式夾持抓夾，驅動機構以交流伺服電機驅動T型絲桿進行傳動，電機控制器控制夾持爪的夾持速度和力度。系統構成框圖如圖2所示。

2.1 結構組成

抓手結構部分主要由快接法蘭、電機、減速器、滑塊總成、導桿、抓手、絲桿、殼體等組成。

滑塊總成由滑塊、高精度滑動軸承、螺母組成。

滑動導桿為高精度、高強度耐磨光軸，限定滑塊總成的平動運動。

電機、減速機通過中間齒輪副驅動T絲桿機構正反旋轉，實現滑塊總成的相向、相背運動。

抓手是零件的夾持部件，由抓手主體、防滑釘組成。抓手采用模塊化設計，可方便快速通過螺釘與滑塊總成固定連接。

2.2 傳動機構設計

傳動機構采用交流伺服電機+減速機+絲桿+導軌傳動的形式，交流伺服電機輸出力矩恒定，且可以通過控制進行速度和力矩調節，電機通過減速機和絲桿將力矩放大且將轉動運動轉換成直線運動，通過導軌連接提高了抓手在機器人運動過程中的抗傾覆力矩。

傳動機構特點：

①采用交流伺服電機驅動，控制方式靈活、速度、力矩控制精度高。

②T型絲桿傳動靈活，穩定可靠，且具有自鎖功能。

③導軌滑動提高抓手抗傾覆能力，確保夾持穩定。

2.3 抓放零件過程

夾持爪采用45#優質碳素鋼材料，調質處理增強零件的強度、韌性及耐磨性能；并進行合適的電鍍處理提高零件的環境適應性能。

防滑釘選用高耐磨，與鋼材質具有較高摩擦系數的非金屬材料。較大的摩擦系數可以在一定程度上減小夾持力的要求，并可以降低系統功耗，減小系統尺寸及重量；同時非金屬材料的較低的表面硬度，可有效保護零件夾持面不受損傷。

釋放過程為抓夾過程的反過程。

抓手在抓取零件之前，按預定值張開抓手寬度，可以有效減小零件擺放空間，提高抓取速度。

2.4 夾取可靠性

抓手夾取零件的可靠性主要通過以下措施進行保證：

①抓手上的抓釘安裝與鋼材質摩擦系數大的非金屬材料，一方面可以保護被夾持零件表面，另一方可保證在一定夾持力的情況下，具有更大的摩擦力，從而提供更大的零件提升力；

②設計時將零件夾持力放大至4倍，使零件在小加速度提升時仍具有足夠的摩擦提升力，有效保證零件提升過程中不會下滑；

③T型螺紋絲桿機構設計，在零件夾持、提升、搬運整個過程中始終保持預設夾持力，提高使用可靠性；

④對于特殊形狀零件，還可以通過抓釘側面掛鉤零件，使零件夾持更加可靠。

3 結束語

機器人自動分揀試驗系統的手抓系統的設計，為更深一步的研究與設計奠定了基礎，為機器人分揀系統的手抓系統設計付諸實施提供了借鑒，其成功的應用也證明了本設計方案的正確性。由于機器人與手抓共同作業替代了人的體力勞動，提高了自動化水平和工作完成質量，機器人分揀將會越來越廣泛地應用于各個生產領域[2]。

參考文獻：

[1]王田苗，陶永.我國工業機器人技術現狀與產業化發展戰略[J].機械工程學報，2014，50（9）：1-13.

[2]焦恩璋，杜榮.工業機器人分揀技術的實現[J].組合機床與自動化加工技術，2010，2：84-87.

[3]宋召衛.我國自動分揀技術及其應用[J].中國物流與采購， 2003（06）.