重載水平多關節裝卸機器人設計與研究

［摘 要］文章針對安裝高度空間有限的重型貨物搬運問題，設計了一種重載水平多關節裝卸機器人。為減小高度空間占用，該機器人結構采用大臂小臂等高串聯的形式和鋼絲繩卷揚形式的升降軸；為擴大小臂的回轉范圍，設置了隨動傳動機構的輔助臂。同時，對裝卸機器人的控制系統進行了設計，并根據不同極限工況下的受載情況，對整機進行了有限元分析。結果表明，最大應力發生在工況一時輔助臂上，最大值為199.8 MPa。最大變形量發生在工況一時，節點最大綜合位移為35 mm，機器人結構設計合理。

［關鍵詞］重載；多關節機器人；機械結構；有限元

［中圖分類號］TH24 ；TP24 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）05–0081–03

關節機器人在智能制造業裝卸作業中的應用，不僅可以提高勞動生產率，保證產品質量，而且能夠縮短生產準備周期和改善勞動條件，逐漸成為高端裝備的重要組成部分及未來發展趨勢[1-2]。水平關節機器人是一種圓柱坐標型的特殊類型的工業機器人，傳統的水平關節機器人結構輕便、響應快，適用于較小負載的平面定位、垂直方向進行裝卸作業[3]。機器人I 軸、II 軸一般在高度方向疊加布置，需要在高度上占用一定空間。當在需要進行重型貨物搬運且安裝高度空間有限的應用場合，如車載環境、空間較小且高度有限的車間環境等，傳統的水平關節機器人、搬運機器人等均難以適應。針對此問題，文章設計了一種重載水平多關節機器人。

1 裝卸機器人結構和原理

操作人員可以通過手持機器人操控終端控制機器人的裝卸作業。機器人使用了重載水平關節機器人多軸復合運動控制算法，可以實現展臂、尋找倉位、直線出倉、直線入艙、姿態切換、收臂等自動流程，卷揚機構則由操作人員通過操控終端上的手柄進行手動控制。

圖1 為裝卸機器人主要結構原理圖。裝卸機器人主要由立柱、大臂、輔助臂、小臂、吊具5 個部分組成。其中立柱為機器人的基座，承載機器人自重及機器人末端所抓取的負載重量；大臂安裝于立柱之上，可繞立柱旋轉，此旋轉軸定義為機器人I 軸；輔助臂一端與大臂相連，可繞大臂旋轉，此旋轉軸定義為機器人II 軸；小臂與輔助臂另一端相連，可繞輔助臂旋轉，此旋轉軸定義為機器人III 軸；吊具位于小臂末端下方，通過鋼絲繩與小臂內的卷揚機構相連，可在豎直方向上升降。

其中，機器人大臂主要由大臂結構件、I 軸電機及減速機、II 軸電機及減速機、機器人驅動箱等組成。機器人驅動箱內含機器人濾波器和驅動機器人I 軸、II 軸、卷揚機構伺服電機的電氣元件，腔體可靠密封，且兼顧電磁屏蔽設計。輔助臂主要由輔助臂結構件、傳動齒輪機構等構成，用于連接III 軸與II 軸，并實現III 軸與II 軸的隨動。其中傳動齒輪采用1 ∶ 1 傳動比傳動，連接II 軸與III 軸轉軸，當II 軸在伺服電機控制下回轉時，III 軸將隨II 軸做同向、等速回轉。輔助臂結構在不增加機器人伺服軸的前提下，大幅增加大臂、小臂間運動的靈活度，使大臂、小臂間夾角可擴展至±180°，同時降低了II 軸轉速，有利于其延長減速機壽命。小臂由小臂結構件、卷揚伺服電機及減速機、鋼絲繩卷揚機構、鋼絲繩張緊機構、吊具自動釋放觸發機構、二級制動器等構成。其中，卷揚伺服電機及減速機、鋼絲繩卷揚機構用于實現吊具的升降，并通過鋼絲繩張緊機構保證鋼絲繩工作過程中有序纏繞在卷筒之上。除伺服電機自身制動器外增設的二級制動器，用于提高卷揚機構的安全性，該制動器控制與電機自身制動器相獨立，可更加有效地防止重物失控下滑。吊具自動釋放機構與機器人小臂內部的吊具自動釋放觸發機構配合，實現倉內自動釋放功能。吊具同時具備連接狀態指示標識，可便于操作人員判斷吊具狀態。

機器人立柱下方還設有傾角傳感器，用于實時監測整車傾斜角度，控制系統將根據當前傾角，通過坡度自適應算法，對機器人的相關示教點位、自動運行軌跡及運行速度進行自動修正，實現了裝卸機器人對于地面不水平度的智能適應。機器人主要性能參數見表1。

2 控制系統

機器人控制系統結構如圖2 所示，由計算機、操控終端（機器人操作終端及應急操作面板）、電機軸伺服單元（包括伺服電機及驅動器）、傾角傳感器、電動推桿及推桿傳感器、卷揚到位傳感器組成。計算機用于采集操作終端、驅動器及傳感器信號，經過內部系統控制算法建模運算，輸出有效控制信號，控制伺服電機和推桿電機動作，完成貨物裝卸任務。系統對裝卸機器人設置運動機構安全互鎖，對于運動機構相互之間可能會出現機械位置干涉或發生危險的情況，系統會自動規避或不響應運動指令，并報警提示以保證機械結構及運動安全。如機器人運動半徑限制、防止機器人碰撞前后箱體限制等。裝卸機器人操作終端用于將操作人員的指令傳遞給計算機，同時顯示系統工作狀態信號。應急操作面板用于切換裝卸機器人的運動狀態及工作模式。伺服單元中，1 軸伺服單元控制裝卸機器人的大臂動作；2 軸伺服單元控制裝卸機器人的小臂動作；卷揚伺服單元控制裝卸機器人的卷揚升降動作。伺服單元控制方式采用前饋加位置、速度、電流三閉環控制方式，此種控制方式使得電機軸的運動平穩，加減速響應快，定位準確，穩態誤差小，保證了機器人運動的直線度及關節旋轉精度，降低了重復定位誤差。傾角傳感器用于檢測裝卸機器人底座與地面之間的夾角值，通過串行通訊總線發送給計算機，對吊裝位置進行角度補償。電動推桿及推桿傳感器用于裝卸機器人吊具的自動解鎖，當裝卸機器人吊裝箱/ 架完成且滿足解鎖條件時，推桿自動伸出觸發吊具機構解鎖。

裝卸機器人控制系統接收機器人操作終端發出的控制命令，經計算機對機器人模型正反解控制算法進行計算，規劃出機器人的運動速度和路徑，并將其轉化為驅動單元可識別的控制信號，發送至伺服驅動器，伺服驅動器對伺服電機進行調速和定位控制，完成貨物的裝卸任務。

3 仿真分析

根據機器人工作實際情況，在兩極限工況下（工作點位一，機器人工作在最大工作幅度，額載630 kg，承受28.3 m/s 的風載，工作在6°坡度；工作點位二，機器人工作在折臂位，所承受額載、風載及工作坡度與點位一相同）進行有限元分析。為保證受力過程中各部件之間載荷傳遞的準確性，采用整體受力分析，其有限元模型如圖3 所示。材料物理特性為：彈性模量2×1011 Pa、泊松比為0.3、密度為7.85×103 kg/m3。有限元模型單元采用具有適用于不規則形狀、計算精度高的C3D10單元（3 維10 節點實體）。

圖4 和圖5 為仿真應力及綜合位移結果。根據不同工況下的分析結果可知，機器人結構在工況一下應力值最大為199.8 MPa，此處材料采用的是HG785E材料， 其他采用Q345E 材料的位置強度均低于160 MPa，整體在工況一下變形量最大，節點最大綜合位移為35 mm。機器人整體安全系數大于2。

4 結論

文章將傳統水平關節機器人大臂小臂疊放串聯布置的形式改變為等高串聯的形式，減小了高度空間占用，更加適應有限空間內重載搬運的使用場景，動作靈活且平穩快速；通過設有隨動傳動機構的輔助臂的設置，該設計擴大了小臂的回轉范圍，解決了大臂與小臂直接等高串聯導致的回轉范圍受限問題；同時，通過將傳統水平關節機器人的升降軸由絲杠絲母形式改變為鋼絲繩卷揚形式，進一步減小了高度空間占用，增大了起升行程。在不同極限工況下，機器人機械結構的有限元仿真分析驗證了機器人機械結構設計的合理性。

參考文獻

[1] 高斌，費繼友. 基于機器視覺的多關節機器人智能裝配系統設計[J]. 機床與液壓，2021，49（21）：28-32.

[2] 曹小華，彭帥宇. 基于數字孿生的多關節機器人實驗平臺搭建方法[J]. 實驗室科學，2023，26（3）：73-75，79.

[3] 佚名. 臺達PC-Based 運動控制器AX864E 系列、水平關節機器人DRS80LC 系列喜提年度創新大獎[J]. 林業機械與木工設備，2019，47（11）：49.