平面并聯分揀機器人的原理和機械結構設計

黃澤浩

（華中科技大學，湖北 武漢 430074）

分揀機器人在各種加工工廠的生產線中，擔當著非常重要的任務，隨著市場需求的不斷的擴大，再加上相關行業，比如快遞行業的快速發展，分揀機器人正在朝著多元化、精準化、大眾化的方向發展。傳統的分揀機器人多為全鉸鏈平面并聯機構，在利用滾珠絲杠和桿組成的分揀機器人方面研究較少。因此，本文嘗試將由兩個移動副和三個轉動副組成的平面五桿并聯機構應用到分揀系統中，并具備初步的定點抓取和堆放能力。

1 平面并聯分揀機的原理

對于并聯機構的家族中，平面五桿并聯機構是自由度最少的機構，其中本文選擇平面3R+2P機構，其可在平面內定位一點。平面3R+2P機構有以下優點。

（1）采用兩個螺旋副加三個鉸鏈結構,轉動副和滾珠絲杠的制造技術相對比較成熟，并且易達到較高的精度。

（2）采用螺旋副作為驅動副,結構比較簡單，步進電機可以實現持續運動，減少斷斷續續的運動產生的震動。

（3）剛性比較好，累積誤差比較小。

圖1 平面五桿機構應用的形式

本文設計研究的平面五桿機構中有4個活動部件，5個低副，其中有兩個螺旋副三個轉動副，機構自由度可以由下式（1）計算。

式中，n為機構中活動桿件的數目；Pl為機構中的低副數目；Ph為機構中的高副數目。

2 運動系統方案設計

為了獲得結構簡單、經濟性好和符合本分揀機器人抓取和放置物體，以平面3R+2P機構為基礎，原理圖如下圖1a)所示，提出了如圖1b)所示的平面并聯機器人的運動系統方案設計。

圖1b)所示的形式末端執行器在平面五桿機構的運動平面內，末端執行器可以繞著Z軸進行旋轉，只要給末端執行器一個實時的角度，使它始終與目標平面即架子的安裝平面垂直，那么,就能保證本機構的最高點始終是機械手的頂點，這就避免了機械手由于相對于目標放置平面有傾斜角度而導致的碰撞，同時,也使得末端執行器的坐標比較方便求，降低了機構計算的復雜性，同時提高了可操作性。

3 平面并聯分揀機器人的機械結構設計

3.1 整體機械結構設計

平面分揀機械手具有平面二自由度，可以實現末端執行器在豎直平面內的運動，如果角度太大，要想達到預定的運動效果，就要增加桿子的長度，這樣就會增加機構的重量，降低靈巧度，并且會占用較大的空間，而角度太小，又會使得運動空間變小。因此，定為60度。

圖2a)為機器手的傳動臂部分，通過傳動臂1，傳動臂2，進行動力傳遞，維持末斷兩桿交點的運動，通過支持臂使得機械手上的突起的板子與滑臺平行，使得機械手始終維持與水平面垂直。這樣兩傳動桿的交點運動的軌跡就是機械手末端運動的軌跡，只不過，向下平移了一個機械手的長度。這樣只要求出兩傳動桿的運動學規律，機械手末端的運動規律也就自然知道了。

抓取部分是通過電機施加夾取所需要的力，電機安裝在架子上，通過繩子進行驅動。抓取動作執行部分及機械手采用兩個爪子夾取的結構，如圖2b)所示，一般情況下，爪子通過彈簧力的作用是閉合的，當繞線孔中的引線施加力的時候，由于中間的軸是固定的，故可以將爪子拉開。到達塔頂的位置后，繩子的力取消，進而可以抓取物體。

圖2 機器手的傳動臂和抓取機構部分示意圖

3.2 絲杠的選型計算

首先，進行力分析，運動空間內的受力情況較復雜，現以空間內的中線為例求取絲杠所受最大力，綜合考慮取最大值，可以得到當x為75時，有最大值37.8N。

取滾珠絲杠的使用壽命為T=15000h，n=210r/min；可以求得最大動載荷：

式中，L0=60nT/106，fw=1.15，fh=1。

根據最大動載荷查表，選擇恒銳精密機械制造有限公司的FL1208型滾珠杠，公稱直徑為12mm,基本導程為8mm。

3.3 電機選型和校核

控制電機中，人們用的最多的還是步進電機和伺服電機。其中，步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制元件。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度，稱為“步距角”。考本設計為小型數控設備，功率要求較小且空間有限，因此，選用步進電機作為驅動平面五桿機構的驅動元件。

已知滾珠絲杠的公稱直徑d0=12mm，總長l=300mm，導程Pn=8mm，材料密度ρ=7.85×10-3kg/cm3提拉重100N的物體。各零部件的轉動慣量如下，滾珠絲杠:

初選步進電動機型號為FY42FC220A,從表中查得，該電動機轉子轉動慣量為Jm為0.102kg·cm2。承重折算到絲杠上的轉動慣量Jw為0.081kg·cm2。

加在電動機軸上的等效負載轉矩

式中：

式中，Vmax為1800mm/min步距角α為1.8°；脈沖當量δ=0.01mm/脈沖；步進電機由靜止加速到nm速度所需時間tα=0.4s，傳動鏈總效率η=0.8。取安全系數K=4。

對于前面選的FY42EC220A，其最大靜轉矩滿足要求。

4 結語

本設計嘗試將由兩個移動副和三個轉動副組成的平面五桿并聯機構應用到分揀系統中，并具備初步的定點抓取和堆放能力。采用了兩滾珠絲杠和兩桿所構成的平面五桿并聯機構，設計了平面并聯分揀機器人，這樣能夠改善串聯分揀機械手的靈巧度低、關節累計誤差大等缺點。