第６期 ２０１５年６月 组合机床与自动化加工技术 Ｍｏｄｕｌａｒ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｔｏｏｌ＆Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ Ｎｏ．６ Ｊｕｎ．２０１５ 文章编号：１００１—２２６５（２０１５）０６—００３９－０３ ＤＯＩ．１０．１３４６２／ｊ．ｃｎｋｉ．ｍｍｔａｍｔ．２０１５．０６．０１１ 新型码垛机器人的结构设计与运动学分析 吕应柱，郭瑞峰，黄金荣 （西安建筑科技大学机电学院，西安７１００５５） 摘要：针对物流行业的搬运码放作业，文章设计了一种新型机器人机械结构，可使机器人码放货物更 加准确、平稳，同时能够使机械臂实现轻量化，在同等条件下承载能力更强，提高了整机稳定性；运用 解析几何法对该机器人的机构进行了详尽的运动学分析，给出了运动学正解方程，对空间位姿确定 及后续的轨迹规划具有重要意义；运用ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ及ＡＤＡＭＳ对机器人进行了三维建模、运动轨迹规 划和仿真分析，得到的曲线验证了数学推导的正确性，对后续机器人的控制系统设计意义重大。 关键词：码垛机器人；结构设计；运动学分析；ＡＤＡＭＳ仿真曲线 中图分类号：ＴＨ１２３；ＴＧ５０６ 文献标识码：Ａ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｎｅｗ Ｔｙｐｅ ｏｆ Ｐａｌｌｅｔｉｚｉｎｇ Ｒｏｂｏｔ ＬＶ Ｙｉｎｇ－ｚｈｕ，ＧＵＯ Ｒｕｉ－ｆｅｎｇ，ＨＵＡＮＧ Ｊｉｎ－ｒｏｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ，Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ＆Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ’ａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ’ａｎ ７１００５５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒ ｈａｎｄｌｉｎｇ ａｎｄ ｐａｃｋｉｎｇ ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｌｃ’ｇｉｓｔｉｃｓ ｉｎｄｕｓｔｒｙ，ａ ｎｅｗ ｒｏｂｏｔ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｃａｎ ｐａｃｋ ｇｏｏｄｓ ｍｏｒｅ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ，ｓｍｏｏｔｈｌｙ，ａｎｄ ｃａｎ ａｃｈｉｅｖｅ ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ ａｒｍｓ．Ｉｎ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｃｏｎｄｉｉｏｎ，ｇｒｅａｔｅｒ ｃａｒｒｙｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｔｙ ｉｓ ｇｏｔ ａｎｄ ｉｔ ｉｍｐｒｏｖｅｓ ｔｈｅ ｍａｃｈｉｎｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ．Ｍａｋｉｎｇ ａ ｄｅｔａｉｌｅｄ ａ－ ｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ ａｇｅｎｃｉｅｓ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ａｎａｌｙｔｉｃａｌ ｇｅｏｍｅｔｒｙ ｍｅｔｈｏｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ ａｒｅ ｇｉｖｅｎ ｔｏ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｔｈｅ ｓｐａｃｅ ｐｏｓｉｉｔｏｎ ａｎｄ ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ ｐｌａｎｎｉｎｇ．Ｍａｋｉｎｇ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ ｍｏｔｉｏｎ ｓｉｍｕｌａ－ ｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ，ｕｓｉｎｇ ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ ａｎｄ ＡＤＡＭＳ，ａｎｄ ｔｈｅ ｃｕｒｖｅ ｐｒｏｖｅｓ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓ ｏｆ ｈｅ ｍａｔｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｄｅｒｉ— ｖａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｉｔ ｉｓ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐａｌｌｅｔｉｚｉｎｇ ｒｏｂｏｔ；ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ；ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ ａｎａｌｙｓｉｓ；ＡＤＡＭＳ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｃｕｒｖｅ ０ 引言 近年物流行业飞速发展，自动化程度不断提高，而 曲线，对进一步提高机器人综合性能具有重要意义。 １码垛机器人的功能原理设计与尺寸综合 １．１机器人机构类型的确定 本文设计的码垛机器人机构简图如图１所示，搬 运一定尺寸的物流箱、具有固定形状的工业块状产 物料搬运效率低下，难以满足生产的需求，因此，码垛 机器人应运而生。码垛机器人是集机械、电子、信息、 智能技术、计算机科学等学科于一体的高新机电产 品 Ｊ，其在生产生活中的应用非常广泛 。 码垛机器人结构多种多样（如ＦＡＮＵＣ、ＡＢＢ系列 等），目前日本、德国、美国等发达国家的研究已取得 一定成果，我国在这方面的研究起步不久，还需加快研 品等，用末端执行器来夹住物流箱，进而通过主臂、 前臂，后臂以及底座部的特殊四边形机构配合来搬 运物流箱到一定位置，此过程中要求抓取精确，起落 旋转平稳，对于这种工业需求，我们选择关节式结构 形式，其无论在作业空间广度方面，还是在实现复杂 的位移轨迹和姿态控制方面，都优于其它结构形式 的机器人。搬运过程需要机器人的腕部始终水平， 我们选择两个平行四边形机构和一个三运动副杆组 机构来实现此动作。 究步伐。本文针对物流行业现状，对本体机械功能原 理进行了创新，设计了一种新型码垛机器人。该结构 中两个驱动装置分置机架上（图１中Ａ、 处），整机重 心下移，搬运性能更加灵活优越，本文对其运动学特性 进行了详尽分析，得到一种简化的正运动学方程，并运 用ＡＤＡＭＳ对机器人进行了运动轨迹仿真，得到相关 收稿日期：２０１４—０９—２５：修回日期：２０１４—１０—２４ 作者简介：吕应柱（１９８９一），男，西安人，西安建筑科技大学硕士研究生，研究方向为机械产品设计开发，机器人及ＣＡＤ／ＣＡＥ分析，（Ｅ—ｍａｉｌ） １００３０１９８７５＠ｑｑ．ｃｏｒｎ。 ・４０・ 组合机床与自动化Ｊｊｎａ－技术 第６期 图１ 码垛机器人机构简图 １．２机器人具体结构设计与优点分析 设计要依据码垛物料的尺寸和重量、工作范围等 技术参数来进行工作空间的规划和分析，得到该机器 人各部件的结构尺寸。该新型机器人结构主要由主 臂、前臂、后臂、手腕、三运动副杆组、辅助连杆以及底 部连杆等组成（如图２）。其中机器人的动力由Ｊ１、Ｊ２、 Ｊ３三个轴的电机驱动，电机通过减速器带动臂杆的转 动，进而带动机器人手腕部分的运作，在此，机器人底 部的连杆１、２、３以及机架构成了一个特殊四边形机 构，设计该机构有以下优点：第一，电机带动减速器给 予Ｊ２轴一定角度转动，通过该四边形机构传递到手腕 部的运动更精准，对于手腕的准确定位具有十分重要 作用；第二，可以调节整机质量的分布，使机器人的稳 定性更好；第三，相比于电机上移的机器人可以减小臂 部的重量，实现机械臂的轻量化；第四，通过该特殊四 边形机构，可以增大承受的负载，即同样转矩情况下可 以带动更大的负载。 １．手腕，２．辅助连杆ｌ，３．主臂，４．三运动副杆组，５．后臂，６．前臂，７．辅助 连杆２，８．连杆１，９．连杆２，ｌ０．连杆３，１１．平衡弹簧，１２．Ｊｌ轴驱动，１３．Ｊ２ 轴驱动，１４．Ｊ３轴驱动 图２码垛机器人机械结构示意图 机器人动作时末端执行器必须保持水平，通过两 个平行四边形辅助连杆机构 可以实现，具体通过计 算，使竖向平行四边形一边固定在机架上，前臂的转动 改变角度，同时结合主臂来使手腕位姿不变，即末端执 行器始终水平。 经过对工作工空间的分析 ，该新型机器人基本 尺寸参数如表１所示。 表１基本尺寸参数 ２码垛机器人的运动学分析 码垛机器人的运动学分析需要根据解析几何法建 立坐标系，分析其运动学特性 ，计算出其末端执行 器的位置和姿态与各参变量的关系，绘制出码垛机器 人的运动学简图（如图３所示）。 图３码垛机器人机构运动学简图 ２．１ 机器人主要机构运动分析 设定一个固定坐标系Ｏ．ｘｙｚ随机器人的回转机构 一起绕机架回转，进而分析该坐标系中Ｇ点的运动规 律，其中ａｌ＝一６０，ａ２＝２８０，ａ３＝４００，ａ４＝２６０； Ａ点位置坐标：［Ｘ Ａ］＝【：］； Ｂ点位置坐标：『Ｌ １：Ｙ口Ｊ 舳ｅＬｌＡＢｓｉｎ０ｊｏ １， 其中０为ＡＢ与 轴正半轴的夹角； ｃ点位置坐标：［ ］＝［ － ／ Ｂｃ ｓｉ ｎ ａ ］＝ Ｌ ＩＡ日ｓｉｎ０＋ｌＢｃＣＯＳＯ／Ｊ 吣 二 ｃｓｉ“ ］ 其中Ｏｌ为ＢＣ与Ｙ轴正半轴的夹角； 。点位置坐标：［ 】＝［ ００】； Ｅ点位置坐标：【 】＝【 ＋－／ｋ￣，ｃＣ Ｏｉ Ｓ（Ｖ－１３）ｌ百一卢）Ｊ Ｆ点位置坐标：【 ：】＝，ＸＤ。－＋ ／ｏｒ ｃｏｉ ｓ（霄＇ｒｒ－１３）］一Ｊ８）Ｊ Ｇ点位置坐标：［ 】：ＩＥＧ： 二 ；二 ］ 分析运动简图可以得到关系式 Ｗ ２０１５年６月 令 ｚ ＩＦＧ—吕应柱，等：新型码垛机器人的结构设计与运动学分析 ＩＦＧｚ。， ＝。 ・４１・ 联立上式计算可得： Ｇ＝（ ＋１） Ｄ—ｌｏｔＣＯＳ（＂ｉｆ一卢）一 （ｆＡＢＣ０Ｓ０—１８Ｃｓｉｎａ） ＥＦ ＥＦ 式中：０ 为机器人底座的转动角速度； 为机器人 轴转动角速度；０为机器人 轴转动角速度；Ｖ为机器 人末端在空间中的广义速度；Ｊ（ｍ）为速度雅克比矩 阵；ｍ为各关节驱动的角速度。 Ｏ 式（８）即为码垛机器人的速度正解方程。 ０＋Ｏ 该运动学推导过程对机器人的轨迹规划以及机器 —．。．．．。．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．Ｌ ｕ ｌ Ｄ ｙＧ＝（ ＋１）ｙＤ＋ｌｏＦｓｉｎ（一卢）一广ｔＦＧ ＬｆＡＢｓｍ０＋ｆ ｃＣＯＳ￣） ＥＦ ＥＦ 詈＋０一 …ｃｃｏｓＥ ｓｉｎ（ 一口）］ ＋０ ［Ｘ； ｏ￣ｖ＇ｊ］＝ｌ—ｃｏ ｌ（。ｘ ｃ：－ ａ２ ） ＋：ｃＯ ｌａ。 ｌ］ｃ６ ｒｆ ｃ（０ｌ＋０２） Ｃ０１（Ｘ０ ｃ 一 ｓＯ １ｙ（ ＧＧ薯ｃ—－ｎａ１３ｎ ２ ２）＋）＋Ⅱ一４ｃ ｓＯＯ，ｌａｎ ，１ ］Ｊｌ 该方程为码垛机器人的正运动学方程。 ２．３机器人末端执行器速度分析计算 对（６）式两边分别求导并整理成矩阵形式为： ｃ伽．每 ｓｉｎ 一号 ｃｏｓ 一一 ｓｉｎＯ￣ 蚩 ｉ 人位姿的确定有十分重要意义。 ０ ３机器人的运动轨迹规划及仿真分析 运用ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ建立新型码垛机器人的三维模型 （如图４所示）。将模型保存成（ ．ｘ＿ｔ）格式 ｍ ，再 导入ＡＤＡＭＳ中进行运动学分析。 图４码垛机器人三维模型 机器人的运动轨迹如图５所示，由起点Ａ出发运 动到点Ｆ，最后再回到点Ａ。该运动轨迹通过以下 ＳＴＥＰ函数控制完成： 。 图５机器人运动路径示意图 Ｊ１轴Ｍｏｔｉｏｎ（抓手竖直运动—ＡＢ、 Ｆ段）： ｓｔｅｐ（ｔｉｍｅ，０，０，４，０）＋ｓｔｅｐ（ｔｉｍｅ，４，０，６，９０ｄ）＋ ｓｔｅｐ（ｔｉｍｅ，１６，０．１８，一９０ｄ） Ｊ２轴Ｍｏｔｉｏｎ（机械臂旋转一ｃＤ段）： ｓｔｅｐ（ｔｉｍｅ，０，０，２，５０ｄ）＋ｓｔｅｐ（ｔｉｍｅ，８，０，１０， 一５０ｄ）＋ｓｔｅｐ（ｔｉｍｅ，１２，０，１４，５０ｄ） Ｊ３轴Ｍｏｔｉｏｎ（抓手水平运动一日Ｃ、ＥＤ段）： ｓｔｅｐ（ｔｉｍｅ，０，０，２，３０ｄ）－ｉ－ｓｔｅｐ（ｔｉｍｅ，２，０，４，３５ｄ）＋ ｓｔｅｐ（ｔｉｍｅ，６，０，８，一３５ａ）＋ｓｔｅｐ（ｔｉｍｅ，８，０，１０，一３０ｄ）＋ ｓｔｅｐ（ｔｉｍｅ，１２，０，１４，３０ｄ）＋ｓｔｅｐ（ｔｉｍｅ，１４，０，１６，３５ｄ）－Ｉ－ ｓｔｅｐ（ｔｉｍｅ，１８，０，２０，一３５ｄ） 机器人的机架与地面锁定，底盘（下转第５２页） ・５２－ 组合机床与自动化／ｊｎ－ｒ技术 中国包装工业，２０１１（９）：７０，７２． 第６期 ＭＣＵ强大的运算功能保证了电机运行同步性。同时 整个软件系统采用标准ｃ语言进行编程，方便用户添 加删除模块，具有可拓展型和开放性。 ［参考文献］ ［６］张凤霞．集成ＶｘＷｏｒｋｓ和Ｗｉｎｄｏｗｓ的中间件Ｖｘｗｉｎ［Ｊ］． 今日科苑，２００７（０２）：５５． ［７］陈友东，王田苗，魏洪兴．工业机器人嵌入式控制系统 的研制［Ｊ］．机器人技术与应用，２０１０（５）：１０—１３． ［１］陈曦，余超，彭鑫，等．基于ＤＳＰ的四轴台式工业机器人 控制器的研究与设计［Ｊ］．湖南理工学院学报（自然科学 版），２０１２，２５（３）：６７—６８，８８． ［８］张广立，付莹，杨汝清，等．基于Ｗｉｎｄｏｗｓ 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运用ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ绘制出机器人简图，并导人ＡＤＡＭＳ进 行了轨迹仿真分析，得到了相应的仿真曲线，对比理论 分析的数据，验证了理论推导的准确性，为该新型机器 人的后续控制系统研究与分析奠定了基础。 ［参考文献］ ［１］胡洪国，高建华，杨汝清．码垛技术综述［Ｊ］．组合机床与 自动化加工技术，２０００（６）：７—９． ，． ４００ＯＤ 竺要Ｆ＝＝ ：～＿ｒ—ｌ 幸一 ３００００ ｉ ２００００ １０００．０ ０ ０ １００００ ２Ｏ∞Ｏ …ｌ；ｌ ｌｌ｛｝｝ ｛ ｛ ｌ 上～０一～． ＝＝＝ ． 。 ～０～～ 一．｝— ｛＝＝＝＝ 图６末端执行器在ｘ．ｙ、ｚ方向上的位移及合成仿真曲线 １５０００ Ｉ目：般 ：： ： ——上…０一…一｛一一一ｉ ｅ￣ｌｉｔｙｚ ｌ００００ ……卜…寸…～ ～ｔ ＝＝＝鼍一－ 一＝＝｝＝＝二ｊ…… ５００ ０ ＝： ＃＃禽 毒≥＃襄芝～ ５０００ ［２］李晓刚，刘晋浩．码垛机器人的研究与应用现状、问题及 对策［Ｊ］．包装工程，２０１１（３）：９６—１０２． ：Ｌａ Ｒ 。 ・。ｎ 咿１００００ 。）如 蜘ｌ４＿０５一ｏ９者‰７ ［３］Ｒｅｔｈｍａｎｎ Ｊ，Ｗａｎｋｅ Ｅ．Ｓｔａｃｋ—ｕｐ ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ ｆｏｒ ｐａｌｌｅｔｉｚ—ｉｎｇ ａｔ ｄｅｌｉｖｅｒｙ ｉｎｄｕｓｔｙ［Ｍ］．Ｅｕｒｒｏｐｅａｎ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｏｐｅｒａ—ｔｉｏｎａｌ Ｒｅ— ｓｅａｒｃｈ，２００１． 图７末端执行器在ｘ，ｙ、ｚ方向上的速度及合成仿真曲线 … ＭＯＤＥＬＩ１ ［４］张志强，臧冀原，负超．混联码垛机器人运动学分析及仿 ｉ １｝ ｊ ｝ ｛ ｉ ｌ０ｏ０Ｏ ５ｏ０Ｏ ≠ ≠ 二 』 三 二群二 ｌ ｛ ｊ —ｌ一一 １ ｛—１、 真［Ｊ］．机械设计，２０１０，２７（１１）：４７—５１． ［５］李金泉，杨向东，付铁．码垛机器人机械结构与控制系统 设计［Ｍ］．北京：北京理工大学出版社，２０１１． ［６］孙洁，李倩，刘广亮．四轴码垛机器人的机构设计及运动 ００ ．——ｒ ｊ ５０００ 一＿十一ｔ＝：ｊ 一＝＝ｆ＝＝＝。寄—ｆ 一牛一 —１Ｏ００Ｏ 一＝｝＝＝丰车幸车二 ：聿二丰二 １… 十一一十一一｝一 ｆ～…｝……十…一｛…～ｔ～一 ｌ：ｏ Ｈｕｎ 分析［Ｊ］．山东科学，２０１１，２４（１）：９７—１０１． ［７］孙浩，赵玉刚．码垛机器人结构设计与运动分析［Ｊ］．制造 业自动化，２０１３，３５（７）：６６—６８． 慧 ２］０ 删３＿０ ｌ（】２ｎ１４ －０９ ９：５ 图８末端执行器在 、Ｙ、ｚ方向上的加速度及合成仿真曲线 ［８］姚猛，韩宝玲．工业码垛机器人机构设计与运动学分析 ［Ｊ］．组合机床与自动化加工技术，２０１１（５）：３１—３３． ［９］孙祥溪，罗庆生，苏晓东．工业码垛机器人运动学仿真 ［Ｊ］．计算机仿真，２０１３，３０（３）：３０３—３０６． ［１０］芮执元，刘涛．码垛机器人运动学分析与仿真［Ｊ］．机械 制造，２０１０，４８（５４８）：７—１０． （编辑赵蓉） 在ＡＤＡＭＳ／Ｐｏｓｔ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ中，可以测量运动过程 中任意点的位移、速度、加速度。机器人运行２ｓ时，可 得０＝２０。，卢＝４５。，０ ＝９０。，可得末端执行器的位 移分别为 ＝一２４３０ｍｍ，Ｙ＝３４１３ｍｍ， ＝２１０６ｒａｍ，与
