一種瓶裝藥品抓取末端執行器的研究

姚志英，吳夢委,2，姚瀅瀅

（1.北京物資學院 物流學院，北京 101149；2.北京交通大學 機械于電子控制工程學院，北京 100044）

0 引言

隨著信息技術的發展，物流行業智能化程度越來越高，而行業對智能化提出了更高的要求，尤其是在物流生產過程中，對物流分揀速度和效率的要求越來越高。而影響物流分揀的最關鍵因素就是分揀執行機構的效率。為此有關分揀機械手末端執行器的研究成為一個熱點，大家都想方設法通過優化末端執行器的性能來提高其效率。目前國內外的學者在這方面已取得了一定階段性成果。鮑秀蘭和張磊等針對家禽靜膛操作空間小，操作要求靈活等特點，研究了三指三關節家禽自動靜膛末端執行器。權龍哲和趙琳等為了實現同一機械手柔性抓取各種形狀果蔬的目標，設計了一種基于仿生原理的多功能蜓爪式末端執行器。張建寶等應用氣動人工肌肉設計了一種結構簡單、運動靈活、柔性作業的多手指剛柔混聯的草莓采摘末端執行器。徐麗明等基于欠驅動原理設計了一種雙V型手指臍橙采摘機器人末端執行器，實現臍橙的無損傷采摘。張煒等針對穴盤移栽末端執行器存在夾持角度不可調、結構負載等問題，設計了一種三指式移栽末端執行器，通過理論仿真和實驗驗證了所設計的末端執行器可以滿足移栽運動的要求。劉佳等設計了一種以驅動位移控制進行夾取力控制的柔性機械手，并以不同尺寸的草莓為夾取目標，對柔性機械手的夾取過程進行動力學研究，研究夾取力的變化規律，驗證了所研究的機械手可實現目標的無損快速抓取。張炳超等針對番木瓜采摘機械化程度低、作業復雜等特點，設計了基于欠驅動原理的番木瓜采摘末端執行器。韓亮亮等針對中小型自移動空間機械臂在軌操作和“換位行走”的任務需求，研制了一種小型化、大容差、高剛度可靠連接的末端執行器，并通過ADMAS建立虛擬樣機，通過對樣機進行實驗，驗證了設計的可行性及仿真的準確性。肖英奎等研究了具有三個旋轉關節自由度的采摘機械臂用于農業果蔬采摘。邵鐵鋒等按照象鼻結構和運動仿生學原理，設計了一種象鼻型水果采摘機械手。事實上有關適合于不同場景、不同用途的機械手及末端執行器的研究成果還有很多，但總體而言需要針對不同具體的應用及環境進行設計，沒有一種可以應用于不同工況環境、不同用途的標準型末端執行器。

本文將研究一種適合于瓶裝類藥品自動分揀機械手的末端執行器；首先針對瓶裝藥的特點設計了柔性末端執行器，并構建了末端執行器的電機模型，設計了末端執行器的非光滑控制器，并進行了仿真實驗驗證，籍于此實現瓶裝類藥品的穩定分揀。

1 瓶裝類藥品分揀末端執行器設計

1.1 瓶裝藥分揀的影響因素分析

有關藥品分揀研究的文獻相對較少，僅有的幾篇文章也是針對盒裝藥品分揀的研究。事實上盒裝藥和瓶裝藥是截然不同的兩個分揀對象，眾所周知瓶裝藥比盒裝藥表面光滑，而且大部分情況下單瓶瓶裝藥比單盒盒裝藥的重量要重；同時瓶裝藥在分揀過程中必須要輕拿輕放，分揀過程瓶裝藥的振蕩幅度不能過大；此外在分揀抓取過程中，要求抓取設備必須不能因出現松懈打滑現象而導致瓶裝藥從抓取器中脫落。當然還有諸如藥瓶本身的抗壓能力、藥瓶的摩擦系數、瓶內藥物的重量等因素影響著瓶裝藥分揀末端執行器的設計。

1.2 瓶裝藥分揀末端執行器的設計

根據設計的結構和原理，機械手的末端執行器一般分為機械夾持式、吸附式末端執行器和特種工具三種類型，其中機械夾持式末端執行器一般為兩指或多指手爪型；而吸附式末端執行器一般適應于體積規則、重量輕的分揀場合；特種工具是即在特殊場合下使用的執行器，如焊槍、噴嘴、電磨頭等。在充分考慮了瓶裝藥自身的特性、瓶裝藥分揀過程的工況環境以及分揀抓取過程特性，我們研究設計夾持式的末端執行器，具體如圖1所示。其中仿生手指1是執行瓶裝藥物抓取的執行單元；主體壁2是保護仿生手指，阻止仿生手指在橫向方向的運動；銷軸3用于將仿生手指和連接桿相連，同時連接桿和滑動主體之間也通過銷軸相連；支架4是末端執行器構件的支撐載體，也是末端執行器與機械臂連接的載體；驅動電機5是末端執行器縱向運動的驅動部件；頂蓋6是固定滑動主體縱向移動的部件，限定滑動主體縱向移動過程中最大行程；滑動主體7是末端執行器縱向移動的部件，便于在實際使用中根據藥品的情況調整仿生手指的張度；連接桿8一端與仿生手指相連，一端與滑動主體相連；電機軸9一端連接電機，另一端連接滑動主體。

圖1 末端執行器的結構示意圖

1.3 瓶裝藥分揀末端執行器的運動分析

為了方便分析，根據末端執行器的設計原理及結構，我們將模型簡化滑塊連桿結構，具體如圖2所示。其中1為電機輸出軸，2為滑動主體，3為連接桿，4為仿生手指，5為銷軸。根據圖2可知，活動構件數目為3，底副的數目為4，高副數目為0，故所設計末端執行器機構的自由度為1，當電機輸出軸驅動滑動主體向上運動時，可實現手指的張開運動，當電機輸出軸驅動滑動主體向下運動時，可實現手指的閉合，這樣通過滑動主體的運動實現仿生手指的張開與閉合。

圖2 末端執行器運動分析簡化模型

1.4 所研究瓶裝藥分揀末端執行器的特點

1）所設計的末端執行器屬于指尖抓取器，利用三個指尖進行抓取，為了保證在抓取過程中減少藥品的振蕩，所設計的手指成爪型，且手指關節不能進行運動，這樣保證抓取中手指形狀穩定不變，在一定程度上避免了抓取過程中振蕩；

2）為了避免在抓取過程中指尖和瓶體之間出現松動打滑的現象，在手指的表面增加了一層橡膠顆粒材料，通過橡膠顆粒來增加手指的摩擦系數，增大手指和瓶體間的摩擦力。

3）為了控制手指的張度和保證在抓取過程中手指張度的穩定性，采取了通過銷軸死鎖和頂蓋限制的方式，確保在抓取過程手指的張度不變。

4）所設計的末端執行器可抓取實現不同直徑瓶裝藥的柔性抓取，我們通過ADAMS軟件研究仿生手指的抓取軌跡，如圖3所示，由圖3可知所設計的末端執行器可以抓取直徑為74毫米到145毫米的藥瓶。

圖3 瓶裝藥分揀末端執行器

5）所設計的末端執行器可對不同重量的瓶裝藥實現柔性抓取。按照直徑為90毫米、容量為100毫升、玻璃材質的藥瓶，設液體的密度與水的密度相當，那么裝滿藥的藥瓶總重量約為1.5千克，通過ADAMS構建了圖4所示的末端執行器抓取力學仿真模型，然后通過不斷調節電機轉速來控輸出軸的位移，進而控制手指的夾取力，畫出手指接觸點的力曲線如圖5所示。由圖可知指尖接觸最大可達40N，而測試對象的重量為14.7N，仿生手指完全可以實現對測試對象的抓取，同時佐證了手指可以抓取重量為40N內的瓶裝藥。

圖4 模型執行抓取力學模型

2 瓶裝類藥品分揀末端執行器控制

瓶裝藥瓶分揀末端執行器的控制主要圖5手指接觸點的力曲線是對仿生手指的控制。根據本文前面的研究可知，仿生手指的控制采取電機控制，因此本部分內容主要是電機控制，擬以非光滑控制理論為基礎，設計一種快速穩定的非光滑控制器進行電機的控制。

圖5 手指接觸點的力曲線

2.1 末端執行器的電機

根據本文的研究對象，結合直線直流電機運行效率高、控制方式簡單靈活、可與閉環控制系統組合實現位移、速度和加速度的精確控制等特點，我們選擇了永磁式直線直流電機，電機的型號為AUM2-S4，電機的部分參數如表1所示；通過計算，直線電機的最大推力45N，持續推力為29.4N，完全滿足本文所研究末端執行器的負載要求。

表1 電機的部分參數

2.2 電機的數學模型

根據電機的電壓方程和機械動力方程，得到如公式1所示的電機二階控制模型，其中Ce為電機電勢系數，Tm為機械時間常數，Ta為電氣時間常數。結合所選擇電機的使用手冊和參考文獻[14]中相關內容，電機的數學模型為式(2)。

2.3 電機非光滑控制器

與線性控制技術和非線性控制技術相比，非光滑控制技術具有無可比擬的快速性、穩定性和強擾動抑制性，為此在課題組前期相關研究成果的基礎上，結合電機的控制模型，我們設計如圖6所示的電機非光滑控制器，由圖可知電機非光滑控制器由非光滑PID控制器和非光滑負反饋控制器組成。其中非光滑PID控制器的數學表達式為式(3)，式中kp為比例系數，kd為微分系數，0＜2αp+1=np/mp＜1，np為奇數，mp為正數，np與mp為互質數，0＜αd＜1；非光滑負反饋控制器的表達式為公式(4)，式中kf1和kf2為反饋系數，y為電機的輸出可測量,0＜2α1f+1=n1f/m1f＜1,n1f為奇數，m1f為正數，n1f與m1f為互質數，0＜αf＜1。

圖6 電機非光滑控制器

應用MATLAB構建的末端執行器電器非光滑控制器仿真模型，進行性能測試，并比較其與線性PID控制器對階躍信號的響應結果，其結果如圖7所示，性能如表2所示，測試過程中各個參數值如表3所示。由測試可得所設計的非光滑PID控制器具有較好的控制性能，可實現末端執行器的快速穩定控制。

表2 非光滑PID控制器的性能

表3 各個參數值

由于在實際使用過程中，末端執行器易受到外界干擾的影響，通過進一步研究，將擾動分為兩種類型，一種擾動為常值擾動，在分揀過程中由分揀傳輸帶的振動等原因所引起的擾動，在某一時段內持續存在，我們將其近似為常值擾動；另一種擾動為隨機擾動，這種擾動是在分揀過程中隨機出現的一些白噪聲擾動。為了進一步驗證所研究的非光滑控制器的擾動抑制能力，我們分別將式(5)所示的常值擾動和圖8所示的隨機擾動疊加到控制器的輸入中，檢驗其擾動抑制性能，其結果分別如圖9和圖10所示，由圖9可知對于常值擾動非光滑PID控制器的擾動抑制率可到92%，而線性PID控制器的擾動抑制率接近92%；由圖10可知所研究的非光滑PID控制器對隨機擾動抑制率可達95%以上，而普通PID控制器對隨機擾動抑制率低于90%。總之非光滑PID控制器具有較好的擾動抑制率。

圖7 階躍響應

圖8 隨機擾動

圖9 常值擾動下的階躍響應

圖10 隨機擾動下不同控制器的階躍響應

通過上述研究可知，所設計的末端執行器非光滑PID控制器具有響應時間快、擾動抑制率高等特點，可以很好地實現對瓶裝藥分揀末端執行器的快速穩定控制。

3 結論

本文針為瓶裝藥自動分揀生產線研究了一種末端抓取執行器。在分析影響瓶裝藥分揀因素的基礎上，設計了一種仿生手指型夾持式的瓶裝藥瓶抓取末端執行器；分析了末端執行器的運動和特征，研究證實這種執行器可實現直徑74mm～145mm、重量在40N以內瓶裝藥的柔性抓取，從機械特性保證了藥瓶抓取過程的末端執行器的穩定性；研究了末端執行器的非光滑控制；在選擇控制電機的基礎上，研究了電機的數學模型；基于非光滑控制理論設計了模型執行器非光滑PID控制器，并通過MATLAB仿真，比較了非光滑PID控制器和線性PID控制器的性能以及對藥瓶抓取過程中不同擾動的抑制情況，驗證了非光滑PID控制器可實現末端執行器的快速、穩定控制，并可以很好地抑制藥瓶抓取過程中各種擾動。