码垛机器人机械手臂部特征及运动空间的研究

第35卷第6期2014年11月

DOI:10.13733/j.jcam.issn.2095-5553.2014.06.014

中国农机化学报

Journal of Chinese Agricultural Mechanization Vol . 35No .6Nov. 2014

码垛机器人机械手臂部特征及运动空间的研究

董子房，尹成龙，李新红

(安徽农业大学工学院，合肥市，230036)

摘要：码垛机器人是自动化车间最常用的工业机器人之一。本文以某公司生产的四自由度码垛机器人的机械手为研究对象，就其运动原理、臂部结构特点及运动空间进行研究，并通过Matlab 对机械手的三维工作空间进行仿真分析，仿真结果与机械手实际运行结果完全符合，所做工作对开展新型工业码垛机器人理论研究与实际应用探索具有重要意义。

关键词：码垛机器人；末端执行器；自由度；位姿；运动空间；Matlab 仿真中图分类号：T-19

文献标识码：A

文章编号：2095-5553(2014)06-0053-05

董子房, 尹成龙, 李新红. 码垛机器人机械手臂部特征及运动空间的研究[J].中国农机化学报, 2014, 35(6):53~56，64

Dong Zifang, Yin Chenglong, Li Xinhong. Research on characteristics and movement space of palletizing robot mechanical arm [J].Journal of Chinese Agricultural Mechanization, 2014, 35(6):53~56，64

0引言

随着物流、食品和石化等行业的不断发展，码垛

机器人发挥着越来越重要的作用。根据工作环境的不同，机器人末端执行器可以有多种变化，在腕部安装相应的机械手爪，即可实现袋状物、箱形物、可吸取物、桶装物等的抓取和码垛功能。机器手爪把待取物品从输送线上逐个地抓取到托盘上，以便进行下一步处理。它不仅可以准确、高效地完成码垛作业，而且可以降低工人的劳动强度、提高生产效率，必将在更多的行业被更广泛的应用。针对此种结构的四轴混联的码垛机器人，就其机械构造、运行原理、结构特征、运动状态进行研究，将有助于后续的开发设计。

图1

码垛机器人各轴驱动系统图

2. Y 轴竖直运动伺服电机4. X 轴水平运动导轨6. θ轴腕部旋转伺服电机8. Y 轴竖直运动滑块

Fig. 1Shaft drive system of palletizing robot

1. X 轴水平运动伺服电机

3. X 轴水平运动丝杆5. X 轴水平运动导轨滑块

7. Y 轴竖直运动导轨9. Y 轴竖直运动丝杆

1码垛机器人运动机构原理

四自由度工业码垛机器人各轴系简图如图1所示。

该系统由机器人本体及电气控制部分组成，其腰部的旋转运动依靠伺服电机串联伺服减速器驱动机架本体旋转来实现；腕部的回转运动依靠伺服电机串联伺服减速器驱动末端执行器旋转来实现；水平方向的进给运动依靠伺服电机通过同步带驱动水平丝杆旋转，再由水平丝杆螺母驱动水平导轨滑块的水平位移来实现；竖直方向的进给运动依靠伺服电机通过同步带驱动竖直丝杆旋转，再由竖直丝杆螺母驱动竖直导轨滑块的竖直位移来实现。

收稿日期：2013年8月19日%%修回日期：2013年8月19日

10. α轴腰部旋转伺服电机

此处需要着重说明的是减速器及同步齿形传动带的设置，腰部主体机架的旋转由α轴旋转伺服电机经减速器驱动，减速比的设定需要根据所驱动的负载以及电机转子的转动惯量来确定，由于负载转动惯量相比电机转子转动惯量较大，相较于腕部设置的伺服电机减速器而言，此处在腰部旋转电机与主体机架负载之间设置一个减速比较大的齿轮减速机，

使得电机转子转动惯量与负

第一作者：董子房，男，1987年生，安徽毫州人，硕士研究生；研究方向为虚拟设计、创新设计。E-mail:[email protected]通讯作者：尹成龙，男，1965年生，安徽合肥人，教授，硕导；研究方向为虚拟设计、创新设计。E-mail:[1**********]@163.com

54

中国农机化学报2014年

载转动惯量相匹配，可以选择空心轴减速器将电缆从中贯穿，这样可以防止腰部旋转时电缆缠结。另一方面，使用同步带轮驱动同步齿形带来实现X 轴、Y 轴滚珠丝杆的旋转运动，从而带动梁臂实现上下、伸缩运动，这样既可以做到隔离电机旋转所来到的振动，又可以使得整体机架结构紧凑、内部的电机安装位置更加紧凑合理。

F =3n -2P L -P H =3×6-2×8-0=2%（1）

由于机构具有确定运动的条件是自由度数等于原动件数，可知要保证末端执行器有确定的运动轨迹，就必须在X 、Y 方向上分别给出两个位移。

下面就机器人运动空间轨迹进行求解，注意坐标原点的选定直接影响到矩阵方程计算的难易程度。依照图3中各杆件的几何关系，建立如图3所示的坐标系，用坐标表示出A 、B 、C 、D 、E 、F 各关节点的坐标分别是：

2机器人臂部结构的设计

机器人臂部机构由机器人位置机构和腕部姿态调

整机构组成，如图2所示。两者虽在关节旋转处结合，但是两者的运动互不干涉。[x A y A ]T =[0y ]T %

[x B y B ]T =[l AB cos βy +l AB sin β]T %%%%%%[x C y C ]T =[x 0]T %%%%%%%%%%%%[x D y D ]T =[l AD cos βy +l DA sin β][x E y E ]T =[x +l CE cos βl CE sin β]

l EF （x E －x D ）/l DE +xE x F =%%%%%y F l EF （y E －y D ）/l DE +yE

T T

（2）（3）（4）（5）（6）（7）

%%%%%

%%%%%

式中：x ———水平滑座X 轴坐标；

——竖直滑座Y 轴坐标。y —

结合几何图形的三角关系，可得出D 、E 、F 三点

机械手臂结构图

Fig. 2Structure of robot ’s mechanical arm 1. 手腕2. 拉杆手腕连接件3. 小臂4. 长拉杆

5. 三角支架9. 竖直滑座

6. 短拉杆

7. 长大臂

8. 拉杆平衡连接件

12.

短大臂

10. 水平滑座

11. 大臂连杆

图2

之间满足关系式：

222

x E －x E +y F －y D =L DE %

可将点F 的坐标简化为：

x F =-1x +（l CE -l AD ）+l CE cos β

l DE l DE

y F =－l y +（l CE -l AD ）+l CE sin β

l DE DE

·

··················

（8）

机器人位置机构是由长大臂、短大臂、小臂和大臂连杆组成的四连杆机构。腕部姿态调整机构由长拉杆、手腕、小臂、三角支架，短拉杆、短大臂、三角支架、拉杆平衡连接件分别组成的两个平行四边形连杆机构。腕部姿态调整机构使得机器人运动时保持腕部安装座始终保持水平位姿。

（9）

2222

y β=arccosl -x -y -（l -l ）－arcsin

2（l CE -l AD ）姨姨由此分析可知，机器人臂部连杆机构是一个复杂的、非线性的动态系统，其末端执行机构的位姿受到x 、y 、β的综合影响。在实际运行过程中，伴随着X 方向的水平位移，会牵引连杆机构在Y 方向做附带运动，使得臂部的运行轨迹具有不确定性，甚至会使得臂部执行机构震荡，造成机器损坏和人员伤害。因此，在设计时，应当考虑到给此机构施加一个线性约束条件，对其水平与竖直方向的两个相关运动进行解耦，将复杂的非线性运动转化为确定的线性运动，亦即将末端执行器的联合运动分解为X 、

2.1机器人位置机构的设计及运动范围的求解机械臂部的位置结构如图3所示，对此机构进行

自由度求解：

Y 方向单独的运动。可以施加边界条件l EF /l DE =l BD /l AB ，

将式9转化为：

·

············

x F =

+1

·x l

DE

y F =－l EF y DE

%%%%%%（10）

图3机械臂位置机构简图

Fig. 3Position mechanism diagram of mechanical arm

对此式物理意义的理解是，X 轴方向水平滑座的

第6期董子房等:码垛机器人机械手臂部特征及运动空间的研究55

运动将单独引起末端执行器F 的水平运动，以比例因子l EF /l DE +1放大末端F 的水平位移，Y 轴方向竖直滑座的运动将单独引起末端执行器F 的竖直运动，以比例因子-l EF /l DE 放大末端执行器F 的竖直位移。结合腰部α轴、腕部θ轴转过的角度，即可求出机器人臂部运动空间。

果如表1、表2和表3所示。

2.2

分析

运用Matlab 对机械手的三维工作空间进行仿真针对2.1的分析结果，我们设定l EF =1250mm 、l DE =

250mm ，那么-l EF /l DE =-5、l EF /l DE +1=6。注意，此处的

比例因子的选取，过小的取值不仅会缩减码垛机的运动范围，而且容易产生干涉，导致运行轨迹的不确定，过大的取值会使得来自滑座移动的误差逐步放大并累加到执行末端，使得往复码放精度降低。

末端执行器的水平和竖直位移由水平滑座、竖直滑座的行程来响应确定，给出水平滑座的有效行程

Tab.1

x /mm140.3158.5189.7212.6254.7286.8

图4码垛机器人工作空间Matlab 仿真图

Fig. 4Matlab &Simulating-working space of palletizing

robot

表1

水平方向运动参数表

x F /mm824.6935.21134.41264.91530.71740.8

l EF /l DE +15.895.905.985.956.016.07

Horizontal movement parameters

X =300mm，竖直滑座的有效行程Y =500mm，机座有效旋转角度330°，运行Matlab 程序对机械手的运动空

间进行仿真，设定程序如下：

h =2500; ra =1800;

tht =linspace (-15/16*pi,15/16*pi,100); z =linspace (0,h,20);

xa =repmat (ra*cos(tht),20,1) ; ya =repmat (ra*sin(tht),20,1) ; za =repmat (z',1,100);

X =[xa*0;flipud (xa); (xa(1,:))*0]; Y =[ya*0;flipud (ya); (ya(1,:))*0];

Z =[za;flipud (za); za (1,:)];

[TRI,v]=surf2patch (X,Y,Z,'triangle');

patch ('Vertices',v,'Faces',TRI,'facecolor', [0.50.80.8],'facealpha',0.8) ;

view (3);

grid on;

title ('Matlab仿真-码垛机器人工作空间图','Font -Size',12) ;

axis ([-25002500-[1**********]00]); xlabel ('X/mm')mm') ;

完全吻合。

基于以上机构设计原理，辅以软件系统、电气控制系统，自行研制出了一种码垛机器人。现在就其原始设计参数与实测参数列表给出，所测数据结

表2

y /mm135.7167.3249.1312.6431.7476.1

竖直方向运动参数表

y F /mm663.6819.81240.61547.42145.62385.3

l EF /l DE 4.894.904.984.954.975.01

Tab. 2Vertical movement parameters

表3码垛机器人综合实测运动参数表

α轴/°

Tab. 3Integrated actual movement parameters of palletizing robot

Y 轴/mmX 轴/mm

设计值实测值

β轴/°330327

本体重量/kg抓取能力/kg

25002489

18001786

330329

80

900

80

在忽略次要因素的影响下，此码垛机可以1200包/h的码垛能力运行，往复精度达到±2.5mm ，连续8h 无故障运行，完全满足生产实际要求。

,ylabel ('Y/mm'),zlabel ('Z/

仿真分析结果如图4所示，仿真结果与理论结果2.3对机器人腕部姿态调整机构的研究

在图5所示的腕部姿态调整机构中，A 关节处随

水平滑座移动，则无论水平滑块移动到哪个位置，A 点始终在竖直方向上保持固定，长拉杆两端通过左旋、右旋两反向螺栓连接手腕A 关节和三角支架D 关

节，短拉杆两端通过左旋、右旋两反向螺栓连接三角拉杆C 关节和拉杆平衡件B 关节，手动旋转调节长短两个涨紧拉杆，则可调节BC 、DE 两连杆距离。同时B 关节的绕A 关节的旋转也可手动调节，当调整到合适位置，即可保持在手臂的伸缩过程中，手腕旋转轴的中心线始终垂直于水平面。

下：P1：机械手爪的初始参考点位置，P2：物品的初始取码点位置，P3：α轴腰部旋转角度，P4：机械手臂部伸缩，P5:θ轴腕部旋转角度，P6：机械手部下降至终止码垛点。

借由2.1~2.2臂部位置机构的分析结果，可以设定出机器人末端执行器各点的位置坐标，为码垛主控程序及示教器内置程序的编写，提供指导意义。

4结论

本文对四自由度码垛机器人运动机构与臂部特征

的分析，展现了一般码垛机器人各杆件、执行元件的关系、运动形式，指出为达到某种预期所应采用的设计方法，并且点出了在设计过程中需要注意的问题。分析、计算出机械手的运动形式及范围，运用Matlab 软件，仿真模拟了码垛机器人的最大运动空间。实验验证了机器人的运动形式，就原始设计参数与最终实

Fig. 5

机器人腕部姿态调整机构简图

Diagram of robot ’s wrist attitude adjustment

mechanism

图5

测参数进行比较，得出可靠结论。对码垛机器人的机构和运动分析，为该类机器人的深入研究和发展提供了一定的理论依据和现实参照。

参

考

文

献

3码垛作业点的设定及实现

码垛作业点的设定涉及到码垛机器人臂部结构的

设计以及末端执行器的工作范围的求解，前面2章节已经就此作出解释。图6就码垛机器人工作过程中末端执行器的运行轨迹加以说明。

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Fig. 6Flow chart of palletizing

robot

码垛机器人在不同的工作环境下，其运动轨迹可以有多种变化，若能够对码垛物品进行精准、快速的运动学轨迹规划，对其位移、转角、速度、加速度、响应时间进行运动学反解，便可迅速得出其指定关节的转过的角度、移动的位移、运行的时间等。

码垛点的指定可以为编写机器人动作程序提供指导性作用。本篇以正反交错式码垛方案，来对袋装物品的码垛过程进行说明。如图6所示，码垛机器人所走的轨迹由各运动过程点组成，其各作业点的定义如

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（下转第64页）

能有效地识别轴承的早期单点点蚀故障。由此表明与传统的特征频率分析和智能识别方法相比，阶比样本熵在表征轴承早期故障息方面具有很强的能力，无需经过其他复杂的模式识方法即可实现轴承的早期单点点蚀故障诊断，与使用人工智能算法相比速度明显提高，这对于农业机械设备故障的快速定位修理具有重要意义。

参

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文

献

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Lai Linghong, Wu Husheng, et al. SVM recognition method based on

Early fault diagnosis of agricultural machinery bearing

based on order tracking sample entropy

Huang Jionglong 1, Lv Jianxin 2, Cao Hongyan 3, Tian Jie 1

(1.Engineering University of CAPF, Xi'an , 710086, China; 2. Logistics University of CAPF, Tianjin, 300162, China ;

3. Guangxi Normal University, Guilin , 541004, China )

Abstract:In order to accurately identify the early fault of bearings, a novel comprehensive fault diagnosis method based on order tracking and sample entropy was proposed to process the signal. Firstly, the bearing signals were collected respectively by the speed sensor and vibration sensor at the same time, and the angle resampling of the non-stationary vibration signals of the bearing normal working condition and early pitting fault was realized through the computer order tracking. Then the Quasi stationary angle domain signal resampled entropy was calculated to use as the basic of the faulty identification. At last, through the diagnosis results and comparative tests of practical bearing experimental data, its effectiveness and generalization abilities were fully validated.

Keywords:fault diagnosis; agricultural machinery bearing; order tracking; sample entropy

（上接第56页）

Research on characteristics and movement space of palletizing robot mechanical arm

Dong Zifang, Yin Chenglong, Li Xinhong

(Anhui Agricultural University, Hefei, 230036, China )

Abstract:With the continuous development of logistics, food and petrochemical, palletizing robots play an increasingly important role in the industry. Robot end-effectors, which have a variety of changes with a corresponding twisted grasping hand, can grab or suck sacks, boxes, buckets to realize its palletizing function. The palletizing can be fulfilled accurately and efficiently with reduced labor intensity, which improves the production efficiency. The structure fea -tures, kinestate and movement space of a four DOF palletizing robot developed by our department were researched. The 3D workspace of the arm was simulat -ed by Matlab, the results was fully consistent with the robot's actual running. It has significant importance for the theory analysis and actual application ex -ploration of the new kind palletizing robots.

Keywords:palletizing robot; end effector; movement space; DOF