快遞柜存件六自由度機械臂設計

王桂香　何全燕　李為端　張浩　宗潤峰　王晨

摘要：為實現快遞的智能分揀裝柜，設計了一款可在小型快遞收發站應用的快遞柜自動存件的六自由度機械臂。該機械臂通過掃描裝置識別快遞上的條形碼，按照快件的質量、體積等因素進行分類，再進行存件工作。該機械臂采用球坐標形式，使用全液壓驅動方式，模仿人的手臂和手腕運動，通過手部結構、腕部結構、臂部結構的設計，各部分缸體的設計計算，實現預定的功能。

關鍵詞：快遞柜;機械臂;六自由度;液壓驅動

中圖分類號：TP241 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）03-0006-02

0 引言

隨著越來越多的人選擇網上購物，快件數量日益增加，在各大高校及社區雖然快遞柜的應用緩解了取快遞的壓力，但是仍需要通過人工來實現快遞的分揀裝柜，通過對快遞分揀人員的采訪了解到快遞的分揀和裝柜需要大量人力和時間，這導致快遞在派件后較長時間才能獲得快遞到達的信息，導致消費者收到快件的時間嚴重滯后。通過市場調研，機械臂雖然應用廣泛，但還未在小型快遞收發站應用。為實現快遞的智能分揀存件，設計一款可在小型快遞收發站應用的快遞柜自動存件的機械臂，它克服傳統快遞員手動存件快遞中耗時、耗力等問題，可實現智能存儲、快速分揀、準確投放等功能，此技術可在全國推廣。

1 機械臂的總體設計

1.1 設計方案

該機械臂應具有智能分類、快速存件的功能。為實現智能分類，需在機械手上安裝攝像頭掃描裝置，通過掃描快遞上的二維碼（包含快遞的體積、質量等信息）對快遞進行分類，然后機械臂快速抓取地面上的目標快遞將其存入指定的空閑快遞柜。同時，機械臂應具有記憶存儲功能，可以迅速判斷空閑快遞柜的位置。

為實現上述過程，該機械臂采用全液壓驅動方式，并采用球坐標形式，模仿人的手臂和手腕運動，采用六個自由度：Z方向的升降運動;繞Z方向的回轉運動;手臂的仰俯運動，上仰為30°，下俯30°;X方向的伸縮運動;手腕的仰俯運動;繞X方向的回轉運動。手臂的仰俯運動能抓取地面上的物體，手腕上下擺動可以使手部適應被抓快遞的方位并保持目標姿勢。該坐標式的機械臂具有靈活性高、體積小、工作范圍大等優點[1]。

1.2 運動分析

機械臂機構可以簡化為由許多關節連接起來的連桿機構。把構件的坐標系（如圖1所示）應用于機械臂的每一個連桿中，便于準確的描述一個連桿與下一個連桿之間的關系。

齊次的變換是描述這些坐標系之間的相對位置與方向的一種通用方法，把齊次變換記為A矩陣。A矩陣用來描述第k個連桿相對于第k-1連桿的位置，對于本設計的六自由度機械臂，則第六個連桿相對于基座的位姿可用以下式表示：Tn=A1A2A3A4A5A6。

1.3 機械臂的組成

機械臂主要由控制系統、驅動系統、執行機構等構成。通過控制系統，利用液壓驅動，按動作順序，在規定的時間和速度下完成機械臂結構的運動，且傳感器采集機械臂關鍵位置的速度和位移，超出最大誤差時發出信號并及時采取應急動作，這樣可在順利完成抓取動作情況下保證精度。

2 機械臂的執行機構設計

機械臂的設計自由度為6個，旨在使其運動靈活，當某方向的運動不宜過大時，為滿足運動要求可通過與其相關的自由度來補充，這更有利于機械臂的穩定。執行機構包括手部、腕部、臂部等機構。其中手部是直接與目標物接觸的部分;本機械臂采用滑槽式手部結構，驅動桿向下推動手指夾緊，向上拉時則手指張開。手腕是聯接手部和手臂的部件，用來調整目標物的方位;臂部是支撐手部、腕部的主要部件，手臂設有3個自由度（繞橫軸旋轉、上下擺動和左右擺動），采用關節式坐標。該坐標下的結構易優化，有利于提高機械臂的動態操作性能[2]。

3 機械臂的驅動系統設計

本機械臂采用全液壓驅動，采用3個回轉缸，2個伸縮缸和1個俯仰伸縮缸。其中3個回轉油缸實現了2個腕部回轉和一個大臂回轉;2個伸縮缸分別實現大臂和小臂的伸縮運動。

3.1 驅動方案

方案設計如下：機械臂動作從原位開始，順序依次為大臂下降→手指夾緊→ 大臂上升→底座回轉→手腕回轉→小臂伸出→手指松開→小臂縮回;待快遞順利放置到快遞柜中后，小臂伸出→手指夾緊→小臂縮回→底座回轉→底座滿退→手腕回轉→小臂下降→手指松開→大臂上升至原位停止→準備下次快遞裝柜。

3.2 油缸選擇

為實現腕部的回轉與仰俯運動，采用裝有軸線互相垂直的回轉油缸的雙腕部結構;采用單葉片回轉油缸驅動手腕擺動運動。為實現沿X軸伸縮的自由度要求，小臂的驅動機構設計成雙作用油缸。手臂俯仰運動，采用活塞缸與連桿機構聯用來實現的。手臂俯仰運動用的活塞缸位于手臂的正下方，其活塞桿和手臂用鉸鏈連接。機械臂的大臂是支撐手臂的部件，主要實現臂部的升降、回轉、仰俯等運動，采用回轉缸置于升降缸之上導向桿布置在活塞缸內部的機身結構。大臂伸縮油缸對于機械臂起傳動件、導向桿和定位件的作用，布置要合理，以減少對升降支撐軸線的偏心矩，防止卡死現象。

4 仿真分析

采用Pro-E軟件進行了底座、大臂、小臂、手腕、手指等部件的三維建模，最終完成了機械臂的三維建模圖及運動路線分析，結果顯示了該機械臂機構的運動動態性能，同時檢驗了機械臂的裝配與其運動過程中的干擾，有利于發現設計中的問題并進行調整。三維建模圖如圖2所示。

5 結語

本文對應用于快遞柜的六自由度機械臂進行一定的理論研究，包括機械臂運動方程建立、油缸計算，建立機械手零件模型庫，通過仿真完成六自由度機械臂的設計。仿真結果顯示其結構剛度高，位姿調整靈巧，可實現現實工況下的搬運任務。同時，為六自由度工業機械臂后續研究提供了基本數據，對物流行業發展也起到促進作用。

參考文獻

[1] 李海龍.六軸工業機械臂的結構設計與軌跡規劃[D].安徽理工大學，2018.

[2] 郎霞俊.全液壓巖心鉆機提下鉆機械手的設計[J].機械管理開發，2018，33（10）：9-10.

Design of a 6-DOF Manipulator for Express Cabinet

WANG Gui-xiang，HE Quan-yan，LI Wei-duan，ZHANG Hao，ZONG Run-feng，WANG Chen

（Hebei University， Baoding Hebei? 071002）

Abstract：In order to realize intelligent sorting and storing of express delivery， a 6-DOF manipulator for automatic storage of express cabinet which can be used in small express delivery stations is designed. The manipulator recognizes bar codes on express delivery through the scanning device， and classifies and store them according to mass， volume and other factors of express delivery. The manipulator uses the spherical coordinate and full hydraulic drive to imitate the movement of human's arm and wrist. By structure design of hand， wrist and arm， the design and calculation of the 6-DOF manipulator can realize the predetermined function.

Key words：express cabinet; mechanical arm; six degrees of freedom; hydraulic drive