多臂旋轉式搬運機器人結構設計與分析

張貴林，劉召柱，盛雪葦

ZHANG Gui-lin, LIU Zhao-zhu, SHENG Xue-wei

（安徽理工大學 機械工程學院，淮南 232001）

0 引言

目前，我國的食品、藥品、快遞等行業的后道工序一般都包括成型產品自動化包裝、分揀、裝箱、碼垛和儲運等工序，這些工序大多采用手工或半手工操作，生產效率低，勞動強度大、存在二次污染隱患[1～3]。除此之外，對于化工行業，其涉及石油、涂料、冶金、能源、輕工、環保等多個領域，許多產品具有易燃、易爆、有毒和腐蝕等特性，這類產品因其具有高危險性特點[3]，因此安全問題始終是化工行業工作的需要考慮的重點。

隨著時代的發展，高效、快速、安全是生產過程的主要要求，將更為先進、更為靈活、效率更高的搬運裝置運用到上述領域已是迫在眉睫[4]，然而目前我國市場上的搬運裝置多為單機械手臂工作的裝置，機械臂的數量嚴重影響到搬運裝置的工作效率，同時，由于待搬運物品的復雜性導致單機械手臂搬運裝置的工作效率進一步下降。

針對現有技術存在的不足，基于提高搬運效率的目的，設計出一種多臂旋轉式機器人，結構靈活、效率高，可以大批量食品、藥品、快遞等產品裝箱、分揀、碼垛等需求，自動化程度高。運用動力學原理計算機械臂動能、勢能及運動方程，運用ANSYS Workbench軟件創建多臂旋轉式機器人的仿真模型，對其進行靜力學分析，驗證結構設計的合理性。

1 多臂旋轉式搬運機器人總體方案設計

1.1 多臂旋轉式搬運器人結構組成

多臂旋轉式搬運機器人主要由機械臂、轉運裝置和多臂集成旋轉裝置[6]三部分組成。如圖1所示。其中機械臂包括六個平行同動式機械夾、六個球齒輪機械關節和六個伸縮式機械臂，平行同動式機械夾位于球齒輪機械關節的一個末端，且平行同動式機械夾與球齒輪機械關節的末端相固連，平行同動式機械夾可用于夾取與放置物體；球齒輪機械關節位于伸縮式機械臂與平行同動式機械夾之間，且球齒輪機械關節的另一個末端與伸縮式機械臂相固連，球齒輪機械關節可使平行同動式機械夾在抓取與放置物體時更加靈活；伸縮式機械臂安裝于多臂集成旋轉裝置上，且伸縮式機械臂與多臂集成旋轉裝置相固連；每個多臂集成旋轉裝置可使三個伸縮式機械臂繞旋轉中心進行旋轉運動，且伸縮式機械臂內部設置有剪叉式機構，該機構可根據要求而改變機械臂本身的長度；多臂集成旋轉裝置位于轉運裝置上，轉運裝置上設置有轉運導軌，旋轉裝置可沿轉運導軌進行移動。

圖1 多臂旋轉搬運機器人總體結構示意圖

1.2 控制系統

圖2為本控制系統的流程圖[7]。控制系統由SPSA100X-LAAS0401角位移位置傳感器、LE2直線位移傳感器、WSD系列硅壓阻式壓力傳感器、CCD圖像傳感器、STM32控制模塊伺服控制器等組成，具體工作原理如下：相應傳感器為控制系統提供測量信號，計算機通過以太網通訊將機械臂需要動作信息控制命令發送給stm32單片機，stm32單片機通過相關算法把相應的速度信息和位置信息傳遞給伺服控制器，伺服控制器通過驅動舵機而控制機械臂各關節角位移量，通過驅動電機而控制多臂集成旋轉裝置在轉運裝置上的線位移量。

圖2 多臂旋轉搬運機器人控制系統流程圖

1.3 工作原理

工作開始時，首先由平行同動式機械夾上的傳感器檢測待搬運物體的位置，將信號傳給控制系統，然后由靠近待搬運物體的一組機械臂開始工作，由一個多臂集成旋轉裝置將該裝置上的三個伸縮式機械臂沿直線滑臺運送到直線滑臺靠近待搬運物體的一端，然后由該多臂集成旋轉裝置上的一個伸縮式機械臂和其末端的平動式機械夾率先開始夾取物體，由壓力應變片檢測平行同動式機械夾所用的合適力度，待夾取物體完成后，該多臂集成旋轉裝置進行定軸轉動，由另一個伸縮式機械臂和其上的平行同動式機械夾進行夾取工作，當多臂集成旋轉裝置上的所有平行同動式機械夾都完成抓取任務后，其沿著直線滑臺運動到物體所需放置的地方進行物體放置工作，同樣，旋轉裝置上的伸縮式機械臂和其末端的平行同動式機械夾依次輪流進行物體放置工作，與此同時，另一個多臂集成旋轉裝置上的一組伸縮式機械臂和平行同動式機械夾開始夾取物體，另外，根據實際情況，轉運裝置上的步進電機帶動絲桿運動，從而可以改變兩個直線滑臺的位置，使得搬運工作更加方便，通過以上各個裝置的配合，最終可以實現對物體的高效搬運。

2 機器人工作臂的設計

2.1 多臂的結構設計

在搬運機器人實現物體搬運工作任務時，需要完成物體搬運的所有步驟，包括位置識別和物體抓取、物體轉運、放置物體等；多臂旋轉式搬運機器人的工作臂包括多臂集成臺、工作臂、球齒輪機構、電機和平行同動式機械夾，用于實現多臂搬運機器人的搬運作業[8]。如圖3所示。

圖3 多臂旋轉式機器人臂部結構示意圖

2.2 機器人工作臂動力學分析

拉格朗日方程是基于能量的觀點來建立的，其優點是便于程序化對正逆動力學問題都容易建立模型并且可以實現逆推形式的建模還可以方便地加入控制反饋采用拉格朗日方程建模的方法較為成熟[9]。拉格朗日函數為：L=K-P，其中，L是拉格朗日函數，K是系統動能，P是系統勢能。因此拉格朗日方程為：

其中，τi為機械臂關節i的力矩，i和θi為關節位置和速度。

2.2.1 動能

通過對剛體三維運動的動能分析，可得多自由度機械臂Uip的某一連桿的動能[10]為：

其中Ki為某一連桿動能；ri為連桿質心所處坐標；i和p代表不同的關節編號；Uip為i連桿上某點相對于基坐標的變換矩陣僅對一個θp求導。

由于ri=[xi，yi，zi，1]T，則：

又由于2x2=x2+x2+y2-y2+z2-z2；x2=(1/2)[-（y2+z2）+（x2+z2）+（x2+y2）]；

因此，式(4)可表示為：

因為ji與關節角速度無關，所以機械臂的動能只需計算計算一次，即將式(4)代入式(2)得：

2.2.2 勢能

系統的勢能等于各連桿勢能總和。

2.2.3 運動學方程

對拉格朗日函數求導得到機械臂運動學方程[11,12]：

式(14)中，Dij為角速度慣量，Dijk為科里奧利力和向心力，Di為重力。

3 靜力學仿真分析

運用ANSYS Workbench對多臂旋轉式搬運機器人抓取產品時應力和變形進行分析和優化，將多臂旋轉式搬運機器人三維實體簡化模型導入ANSYS Workbench中，并在其中定義單元屬性，設置機器人的材料性能參數[13]，最后，計算求解應力和變形。

3.1 有限元模態分析理論

根據彈性力學有限元理論，任何結構系統的運動，都可以表示為外力的平衡方程[14,15]：

式中，[M]、[C]和[K]分別為質量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣；{X”}、{X’}、{X}和{F(t)}分別為結構的加速度向量、速度向量、位移向量和激勵力向量。

由于外部載荷對系統的固有頻率和振型參數可忽略不計，有{F(t)}={0}；同時由于阻尼系數對計算結果影響不大，可以忽略，可得系統無阻尼自由振動的運動方程為：

其對應的特征方程為：

式中，w為系統固有頻率。

求解式(17)即可得到機器人整體結構的固有頻率和振型。

3.2 仿真分析與優化設計

對多臂旋轉式搬運機器人進行靜力學求解計算，通過添加Total Deformation和Equivalent stress查看機器人結構的整體變形和應力分布情況，如圖4所示。

圖4 多臂旋轉式搬運機器人整體變形分析結果圖

從圖4可以看出多臂旋轉式搬運機器人的可知機械臂強度最薄弱的部分是機械夾，且機械臂結構整體的最大變形量為25.151mm，鑒于此，筆者因此進行了結構的優化設計[16]，在機械夾兩壁外側設計有加強筋結構，以此來增強機械夾的結構強度。該機器人機械夾內壁使用橡膠材料，該機構可抓起最大棱長為20cm的箱子，所抓貨物的質量可達4kg，使得在不損壞物品和不增加機械夾動力的情況下，所轉運的物品重量達到了最大。

3.3 科學性分析

3.3.1 轉運裝置科學性分析

直線導軌電動滑臺利用絲桿具有定位精度高，摩擦力小，剛性高，負載能力強等特點，可實現滑塊的精準定位。速度方面，取決于電機的轉速和絲杠導程的大小，絲杠導程越大，相同的電機輸出速度下單軸機械手滑塊移動的速度也越大。直線滑臺模組中同步齒形帶傳動是由電機驅動同步帶的主動輪轉動，進而有皮帶帶動直線導軌上的滑塊前后移動，同步齒形帶具有噪音低，移動速度快，成本較低等特點。速度方面，一般可以實現比滾珠絲杠更高的速度。同時沒有臨界速度的限制，在長行程傳送方面具有更加的性價比。轉運裝置結構示意圖如圖5所示。

圖5 轉運裝置結構示意圖

3.3.2 球齒輪機械關節科學性分析

對于完成抓取貨物的過程，為了保證運動的靈活性，對機械臂的關節提出了較高的要求。為此，筆者在搬運機器人機械臂的關節處采用漸開線求齒輪機構[17]，如圖6所示。其工作原理如下：以左邊的驅動電機為例，電機帶動絲杠旋轉，絲杠推拉固定在球齒輪上的支架來帶動球齒輪運動。相比傳統齒輪機構只具備一個傳動自由度的特點，漸開線球齒輪機構具有兩個傳動自由度，球齒輪的輪齒分布在球面上，運動特征表現為一對節球作純滾動，因此可以滿足仿生機械運動關節的要求，通過兩個球面運動之間的變換，即可實現一對球作精確地定傳動比球面運動。在所述球齒輪機構中，上面兩個步進電機負責帶動球腕旋轉，通過球齒輪實現一個全方位的輸出，從而完成空間指向。

圖6 球齒輪機械關節結構示意圖

4 結論

1）針對現有機械臂搬運效率的問題，基于提高搬運效率的理念設計一種多臂旋轉式搬運機器人，該機器人能夠克服現有搬運機器人存在的技術缺陷，結構更加靈活，可以大批量食品、藥品、快遞等產品裝箱、分揀、碼垛等需求，自動化程度高。

2）運用ANSYS Workbench軟件對多臂旋轉式搬運機器人進行靜力學分析，得到機器人在極限載荷下的變形云圖，對不合理部分進行了結構改進和重新設計，從而得到滿足工作需求的機器人結構，為相關數據的設計提供了依據[18]，也為多臂旋轉式搬運機器人樣機的設計與制造提供了依據。

3）對多臂旋轉式搬運機器人某些部件進行科學性分析，為多臂旋轉式搬運機器人樣機設計精度、速度、穩定性、經濟性等提供科學依據。