基于高速重載碼垛機器人的機構優化及運動軌跡優化

吳剛

摘要：高速重載碼垛機器人具有人工碼垛所無法比擬的快速性、準確性、持續性和一致性.隨著高速重載碼垛機器人在汽車、冶金、物流等行業的廣泛應用，日益加快的工業生產節奏和不斷提高的碼垛質量要求（如定位精度、堆放平穩度等），對高速重載碼垛機器人的機構優化提出了更為苛刻的要求.針對高速重載碼垛機器人高速、高精度、大負載的工作特性，有必要從高速重載碼垛機器人的工作特性出發，對高速重載碼垛機器人的大小臂、腰部以及腕部等重要構造進行機構優化[1].

關鍵詞：高速重載;碼垛機器人;機構優化

中圖分類號：TP242? 文獻標識碼：A? 文章編號：1673-260X（2019）06-0072-02

1 引言

本文以高速重載碼垛機器人的工作特性為切入點，主要分析如何優化高速重載碼垛機器人的的大小臂、腰部以及腕部等機構.通過機構優化減輕高速重載碼垛機器人本體的重量，使機器人在運動過程中更加平穩，使機器人的柔性性能有所提高，更好地實現高速重載碼垛機器人能夠在低能耗、最優化的基礎上，提高末端執行機的操作速度，完成各種各樣具體操作任務的功能性運動.

2 高速重載碼垛機器人的機構優化

本文針對高速重載碼垛機器人的機構優化，主要對其大臂和小臂、腰部以及腕部等組成部分來進行優化分析.高速重載碼垛機器人的簡化結構圖如圖1所示.底座是高速重載碼垛機器人的安裝固定部分，執行機構和驅動裝置都安裝在底座上.大臂和小臂是執行機構中的主要運動部件，用來支撐腕關節和手部，并使它們在工作空間內運動.腕部是聯結臂部與手部的部件，用于調整手部的方向和姿態.

2.1 大臂和小臂優化

高速重載碼垛機器人的重要組成部分之一是其機構的大臂和小臂，高速重載碼垛機器人的剛度受其大臂和小臂的剛度決定，機構整體的柔韌度受其大臂和小臂的柔韌度決定，因此高速重載碼垛機器人的大臂和小臂在很大程度上直接影響機器人的性能[2].大臂主要做前后的擺動動作，通過與腰部連接的電機實現，大臂的受力圖及彎矩圖如圖2所示.

大臂的橫截面為矩形.在優化高速重載碼垛機器人的大臂后端部分時可以設置通孔，將其后端部分的通孔從后端機構中導入，導入后就可以與其前端的連桿進行連接，通過這樣的方法來減輕前端的受力程度，進而維護機構的剛度.機構的大臂一面與腰部相連，一面與小臂相連.在與小臂的連接處舵機裝在大臂上，方便控制小臂的運動.小臂的機構相較于大臂稍簡單，兩端呈對稱機構，機器人小臂的前段機構變形不明顯，受力不大，后段機構變形明顯，受力較大，小臂的受力圖及彎矩圖如圖3所示.在優化高速重載碼垛機器人的小臂后端部分時，可以在機構小臂的前端機構部分設置通孔，再將其后端部分的通孔從前端機構中導入，導入后保證與其后端機構部分的連桿連接，以此種方法來減輕后端機構部分的受力程度，進而維護機構的剛度[2].

2.2 腰部優化

高速重載碼垛機器人的腰部承載著大臂、小臂以及其他部件的重量，安裝在腰部一側的舵機用來實現大臂的前后運動.腰部的旋轉靠安裝在底座中的舵機完成，舵機與腰部間的聯軸器通過鍵連接與腰部聯結.在優化高速重載碼垛機器人的腰部機構時，中間部分設計成部分中空，目的是減輕機身重量.

2.3 腕部優化

高速重載碼垛機器人的腕部的主要作用是利用舵機控制手爪的工作，并有自己的工作范圍.高速重載碼垛機器人的腕部一般主要由以下幾個零部件組成，分別是用于固定高速重載碼垛機器人腕部的固定鉸鏈、滑桿、幾何體以及彈性支撐架等4個零部件組成.受其組成結構的影響，各個零部件的剛度是不能通過公式進行直接計算的，腕部的各個零部件中的缺陷只能通過靜力分析這種方法來進行查找.要想維持高速重載碼垛機器人腕部的剛度，可以在腕部的滑桿與幾何體之間加上一個加強筋，合理縮短位移距離，從而達到優化效果[3].

3 高速重載碼垛機器人的運動軌跡優化

非線性系統的最優控制問題是高速重載碼垛機器人運動軌跡優化問題的本質所在.鑒于最優控制問題引申出的解決方法有古典變分法以及軌跡優化等方法.最優控制問題的公式如（3-1）所示.

一些研究人員在對高速重載碼垛機器人的運動軌跡優化的研究過程中，在現有研究成果的基礎上不斷總結和深化，陸續提出了路徑最短、時間最短以及能量最優等運動軌跡優化的性能要素.高速重載碼垛機器人的最優運動軌跡優化的積分公式如（3-2）所示.

Ei=ψi（t）|dt，i=1，2，…，n? ?公式（3-2）

Ei表示進行運動軌跡優化時第i個關節從起始點運行到終止點所消耗的能量，tg表示進行機器人運動軌跡優化時運行的總時間，ψi（t）表示機器人進行運動軌跡優化時第i個關節的力矩隨時間變化的函數，n表示機器人進行運動軌跡優化時的關節數.

在進行高速重載碼垛機器人的運動軌跡優化時，首要目標就是要控制好目標點的移動.在控制目標點移動的過程中，可以通過電機來控制其移動方向以及運動速度.

目標點的選定要考慮兩個方面：一方面，在選定重物拿起點與碼垛點時要事先控制好試教點的位置;另一方面，在選定重物拿起準備點與碼垛準備點時要事先進行精確地計算，并且在選定碼垛準備點時要以重物的堆放類型為依據.在進行高速重載碼垛機器人的運動軌跡優化時要滿足如下四個方面：

（1）高速重載碼垛機器人在實際工作時的運行軌跡一定要包含四個目標點;

（2）在進行高速重載碼垛機器人的運動軌跡優化時，其運動軌跡的運行中不僅要包括轉角行程，而且還要包括曲線行程;

（3）在實際運行軌跡中包含的四個目標點之間的間隔距離要保證相等;

（4）使用插補法實現高速重載碼垛機器人的運動軌跡進行的最優化[4].

在滿足上述四個方面的基礎上，高速重載碼垛機器人的運行軌跡優化中包含的四個目標點如圖4所示.

4 結束語

本文除了介紹高速重載碼垛機器人的機構優化，還在此基礎上進而提出運動軌跡的優化，使機器人的各部分機構在強度和剛度上能夠滿足工作的要求，更好地控制機器人的移動方向以及運動速度的前提下確定好移動的目標.

參考文獻：

〔1〕馬清伍.高速重載碼垛機器人動態特性分析及機構優化研究[D].哈爾濱工業大學，2015.

〔2〕楊天存.重載碼垛機器人前臂有限元分析及拓撲優化[J].機械，2017，44（1）：51-54.

〔3〕夏正亞.碼垛機器人動力系統控制與軌跡優化研究[D].南京理工大學，2017，19（2）：123-123.

〔4〕郭瑞峰，李巖鶴，史世懷.關節型碼垛機器人軌跡規劃及運動學研究[J].機械設計與制造，2017，12（1）：76-78.

〔5〕郭大寶，梅濤，駱敏舟，馮寶林，趙江海.老人服務機器人機械臂的動力學分析與輕量化設計研究[J].中國機械工程，2012（10）.

〔6〕李偉平，王世東，周兵，張利軒，馬義超.基于響應面法和NSGA-Ⅱ算法的麥弗遜懸架優化[J].湖南大學學報（自然科學版），2011（06）.