（机械电子工程专业论文）烧结砖自动卸垛机器人关键技术研究.pdf

西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 本论文依托于四川省青年创新基金课题烧结砖自动卸垛机器人及其控 制系统的研究以及四川资阳精工砖机厂与笔者所在的实验室合作开发的窑 砖卸垛机器人项目立题，主要研究窑砖卸垛机器人机械结构设计和特性并在 此基础上研究了机器人视觉测量与控制技术。 卸垛机器人作为一种在物流行业最为重要的机器人，其操作范围、卸垛 速度、结构可靠性和系统的稳定性以及机器人的自动化程度是研究中最关键 的技术。本文以窑车上烧结后的砖垛为研究对象，根据四自由度圆柱坐标机 器人的机械原理设计开发烧结砖自动卸垛机器人，采用基于位置的视觉伺服 技术研究开发了工业型视觉测量与控制系统。 为了保证机械结构的可靠性满足要求和避免外部激励对机器人结构的影 响，本文利用有限元分析软件对机器人的各阶固有频率进行了分析并得出各 阶固有频率下的振型，以此作为结构优化的一个重要依据。为了在工程应用 中通过视觉识别与测算砖堆的位置数据，论文研究开发了线结构光辅助机器 视觉系统，在窑砖卸垛机器人本体正上方安装线性激光器，通过对砖堆视觉 图像中标记的线结构光光条位置信息的处理，实现了精确计算砖堆的物理位 置与堆放结构的变化。 本文所研究的机器人结构和视觉测量控制技术经过机器人样机的试验验 证，该研究方案以及机器人系统具有较好的可靠性和正确性。 关键词：自动卸垛机器人结构设计可靠性设计 视觉控制线结构光 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s tr a c t t h i sp a p e ri sb a s e do ns i c h u a np r o v i n c i a ly o u t hi n n o v a t i o nf u n dp r o j e c t w h i c hn a m e do nt h et a r g e td e t e c t i o na n dr e c o g n i t i o nt e c h n i q u eo fv i d e o i m a g ea n dt h ep r o je c to fb a k e db r i c kd e s t a c k i n g - r o b o tw h i c hi sd e v e l o p e db y j i n g g o n gb r i c km a c h i n ef a c t o r y i n z i y a n gc i t y o fs i c h u a np r o v i n c ea n dt h e l a b o r a t o r yw h i c ht h ea u t h o ri si n t h em a i nr e s e a r c hi so nt h em e c h a n i c a ld e s i g n a n dm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i co ft h ed e s t a c k i n g - r o b o t ，m o r e o v e r ，b a s e do nt h e d e s i g n ，t h er o b o tv i s i o nm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lt e c h n o l o g yw a sr e s e r c h e d a so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tr o b o ti nl o g i s t i c si n d u s t r y ，d e s t a c k i n g - r o b o t s o p e r a t i o ns c o p e ，u n l o a d i n gs p e e d ，s t r u c t u r er e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t yo ft h es y s t e m i st h ek e yt e c h n i q u e si no u rr e s e a r c hw o r k s i nt h i sp a p e r ，t h eb r i c kk i l nc a ra f t e r s i n t e r i n gw a st a k e na st h er e s e a r c ho b je c t ，a c c o r d i n gt ot h em e c h a n i c a lp r i n c i p l e o ff o u r - d e g r e e sf r e e d o mc y l i n d r i c a lc o o r d i n a t er o b o t ，t h eb r i c k k l i nd e s t a k i n g - r o b o tw a sd e s i g n e da n dd e v e l o p e d ，b a s e do nt h el o c m i o no ft h e v i s u a ls e r v o t e c h n o l o g y , t h ei n d u s t r i a lv i s i o no fm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mw a s r e s e a r c h e da n dd e v e l o p e ds u c c e s s f u l l y i no r d e rt og u a r a n t e et h er e l i a b i l i t yo ft h em e c h a n i c a ls t r u c t u r et om e e tt h e r e q u i r e m e n t sa n da v o i dt h ei n f l u e n c ef o r me x t e r n a lm o t i v a t i o no nt h er o b o t s t r u c t u r e ，t h i st h e s i su s i n gf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r et oa n a l y s i se a c ho r d e r n a t u r a lf r e q u e n c yo ft h er o b o ta n dv i b r a t i o nm o d e lw a sc o n c l u d e d ，t h i sw a sa i m p o r t a n tb a s i so ns t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n i no r d e rt or e c k o nt h ep o s i t i o nd a t ao f t h e p i l eo fb r i c k sw i t ht h ev i s u a lr e c o g n i t i o nt e c h n o l o g y ，t h ea u t h o rd e v e l o p s l i n e - s t r u c t u r e dl a s e r - a s s i s t e dm a c h i n ev i s i o ns y s t e m s t h ea u t h o ri n s t a l l sl i n e a r s t r u c t u r e dl i g h ta n dac a m e r ar i g h ta b o v eak i l nb r i c kd e s t a c k i n g - r o b o ta n d c a l c u l a t e sp h y s i c a ll o c a t i o no ft h ep i l eo fb r i c k sw i t hp r o c e s s i n gl i n es t r u c t u r e l i g h ts t r i pp o s i t i o n a li n f o r m a t i o ni nt h ev i s u a li m a g e t h er o b o ts t r u c t u r ea n dv i s u a ls u r v e yc o n t r o ls y s t e mr e s e a r c h e di n t h i s p a p e rw a st e s t e db ye x p e r i m e n t so nt h ep r o t o t y p eo fr o b o t ，t h er e s u l t sc o n f i r m e d t h i sr e s e a r c hp r o g r a ma n dt h er o b o ts y s t e mh a dg o o dr e l i a b i l i t ya n d v a l i d i t y k e yw o rds ：a u t o m a t i cd e s t a c k i n g r o b o t ；s t r u c t u r a ld e s i g n ；r e l i a b i l i t yd e s i g n ； v i s u a ls u r v e yc o n t r o l ；l i n es t r u c t u r e dl i g h t 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 1 绪论 1 1 课题来源及背景 1 1 1课题来源 本课题依托四川省科技厅项目支撑和四川1 资阳精工砖机厂与笔者所在的 实验室合作开发的烧结砖自动卸垛机器人项目设计研发。 1 1 2 课题背景 房屋建筑中一直大量使用砖块。在我国，大力发展新型墙体材料，限制 粘土砖的生产和使用，实现节能、节土、利废、多功能等特点，是国家强力 推行的墙材革新工作，已经取得很大成效川。尤其在四j i l “抗震救灾，重建 家园”中，新型墙体材料的生产和使用，得到迅猛发展，发挥了巨大作用。 但我国在墙材装备领域总体来说技术水平比较落后，生产效率低。在新型墙 材整线综合自动化技术与系统领域，同国外先进技术相比，还存在着技术深 度不够、集成能力不够、产品化程度不够、产业化能力不强等较大差距。国 内墙材生产设备的落后，严重制约了新型墙材的发展。 烧结砖以废弃矿物质、电厂粉煤灰和荒山页岩为原料，采用隧道窑炉焙 烧技术生产“，这种砖是受民众欢迎的新型墙体材料的主要品种，我国年产 量已达数千亿块标砖。烧结砖生产工艺和装备已有长足进步，很多工序实现 了机械化和自动化。但在成品砖卸载方面，仍然是传统的人工手动操作方式， 即使是国外一些墙材生技术较先进的生产线，在成品砖卸载方面，也是手动 操作方式多于自动操作方式。因为从隧道窑出来的成品砖是分层错乱堆放在 窑车上，用程控机器人很难卸载窑车上的砖堆，技术更新很困难。用人工卸 载窑车上的砖堆，不仅操作环境恶虐，而且工作强度大，已经不能满足现代 墙材生产线的产量与质量的要求。 普通装卸机器人具有较强的通用性、工作可靠的优点，但是无法自主获 取执行器定位信息、砖垛空间位置信息、执行器抓取信息，当砖堆对象改变 时需要重新示教，造成工作效率低下，因此智能化是该类机器人的发展趋势。 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 砖坯的卸垛与码垛，就是指按照一定的模式把砖坯整齐的堆叠成垛以及 把成垛的砖坯有次序有规律的从窑车卸下并在指定的位置重新码垛，以便使 单元化的砖坯方便的实现物料的搬运、存储、装卸运输等物流活动。 在砖坯的卸垛环节上，我国目前广泛采用窑车卸砖。窑车卸砖是利用人 工的方式进行热砖的装卸工作。刚烧出的砖块温度很高，工人只能用双手去 拿取砖块，并且由于工作环境的原因，工人夏天必须多穿衣服冬天必须少穿 衣服，而且劳动强度大，效率低下，工作环境恶劣，使得装卸工人苦不堪言。 据不完全统计，每年工作在热砖装卸工作第一线的劳动人民多达2 0 0 余万。 目前从事这方面工作的工人大多为年纪大的农民工，现在的年青人基本不愿 从事这种工作，砖窑工厂也很难请到合适工人。然而，随着我国建材行业的 迅速发展，砖块在建筑行业的需求越来越大，传统低效的生产方式已经越来 越不能满足实际生产需求。从而迫切需要一种新的机械化的、自动化的高效 生产方式取而代之，以满足现代生产需求和企业的长足发展，所有的这些都 为砖窑码垛卸垛机和机器人的产生提供了条件。 烧结砖自动卸垛机器人采用视觉伺服控制系统，研发了卸垛生产线专用 视觉传感器，装配其他传感器，使机器人对外界环境具有一定的感知能力， 从而使机器人可以自主地适应环境，并根据环境的变化，对自身下一个动作 自主调整。研究设计了作用砖堆识别的激光光栅，利用视觉伺服控制技术， 墙材生产线卸堆机器人可对初始砖堆位置识别及引导，开发出适用于卸垛生 产线区域砖堆摆放位寻找及抓取起始位置识别的图像理解及模式识别算法， 实现了在不预先标定摄像机和机器人参数的情况下，直接通过图像进行机器 人伺服控制，驱动机器人运动。 与传统的机器人相比，烧结砖自动卸垛机器人具有视觉伺服控制、无需 标定和示教、视觉位置的判断不与砖堆接触、信号的检测操作不影响正常装 卸过程、传感信息丰富、硬件设备简单等优点，采用主动视觉传感方法利用 多条作用于砖堆识别的激光光栅，直接通过图像进行机器人伺服控制，驱动 机器人运动，包括砖堆定位、抓手入侵、旋转送料、指定位卸垛等工作。 该机器人不仅适用于国内的墙体材料生产企业，通过其算法和视觉传感 器进行裁剪和定制，作品还适用于物流企业，如饮料、乳业、化工制造业货 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 物搬运等。以烧结砖为例，初步估计，在我国9 6 0 万k m 上拥有9 0 0 0 个制砖 企业年产量约7 9 0 0 亿块砖。该卸垛机器人，解决了大量劳动力，提高生产效 率，带来直接市场效益。所需该烧结砖自动卸垛机器人约为1 2 万台，市场 效益非常大。 1 2 国内外研究现状发展 1 2 1 国内研究发展基本状况 目前在我国国内还没有专门通用的卸垛机器人，而主要还是以传统的机 械式或者自动化程度不高的卸垛机为主，而且大多是主要针对码垛作业研制 开发。目前在国内研究这种机器人的单位不多，主要有哈尔滨工业大学和上 海交大的机器人研究所1 。其中哈尔滨工业大学的机器人所早在多年前研制 生产了应用在包装生产线上的码垛机器人，该机器人采用编组机结合双自由 度的坐标式机器人，码垛时的工作能力达到每小时8 0 0 袋，每次抓取2 3 袋，从而很好的提高了生产效率，取得了较好的经济效益。而上海交大的机 器人所主要研究机器人高速码垛和卸垛生产，其代表作品为该所与上海沃迪 科技公司共同研发的t w p r 系列机器人。工作能力提高到每小时1 0 0 0 袋，研 究工作取得了很大进展。此外，国内研究卸垛码垛技术的单位还有天津大学 和北京航空航天大学的机械学院，。 1 2 2 国外研究发展基本状况 目前国际市场卸垛与码垛机器人的市场占有率和使用率很高，而且国外 以欧美日为代表的机器人技术相对成熟很多。一些国家的卸垛机器人的最大 负载能力可以最高达到1 0 0 0 k g ，卸垛效率可以达到一个工作循环周期每小时 1 7 0 0 回且定位精度控制在o 0 8 m m 。国外的卸垛码垛技术在载荷能力、卸垛 效率和定位精度以及可靠性等方面都强于国内较多。目前市场上的主流卸垛 码垛机器人主要有瑞典生产的a b b 机器人，德国的k u k a 机器人和日本的f u j i 机器人1 。以日本产品化的搬运卸垛机器人为例：该搬运机器人的最大载荷 3 0 0 k g ，运动速度最大可达0 2 m s ，重复定位精度为o 5 r a m ，工作半径最大 2 5 m 。作为机器人行业重要代表之一的德国k u k a 公司成立于十九世纪末， 从1 9 7 7 年开始系统的研制开发不同用途的机器人，至今在全世界范围内生产 并且交付使用的各种机器人已经超过八万台。a b b 公司的型号为i r b 6 6 0 卸垛 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 码垛机器人是a b b 公司的第二代码垛机器人，该机器人在i n t e r p a c k 展会上 被推出，他比以前的产品具有更大的操作范围和更快的工作速度，操作半径 可以达到3 1 5 m ，最大负载可到2 5 0 k g ，该机器人有一个更大的优势是可以跟 踪运动中的货物或者目标从而避免了在工作中停机操作。 1 2 3 研究工作展望 我国目前在该类机器人上的研究成果和技术相比很多资本主义国家还 落后很多，在如今欧美日等国家的自动码垛卸垛技术不断升级到达相当高的 水平时候，我国应该努力发展自身卸垛码垛机器人技术的处理速度、机器人 柔性、抓取载重和吞吐量，通过不断的努力缩短与国外技术的差距，这是我 国每一个技术人员和科技工作者的职责所在。 1 3 本文研究的主要内容及结构安排 本文主要研究内容为通过企业的实际需求，研究一种能够满足当今企业 生产实际需求的砖窑码垛卸垛机器人。机器人的结构是否合理、控制是否方 便智能。本文基于这些问题，在机械设计、机械电子工程、机器人学、机械 工程控制等多学科的理论支持下，对砖窑码垛卸垛机器人的总体方案进行设 计，利用三维造型软件p r o e 对砖窑码垛卸垛机器人的整体机构设计，利用 c a e 软件对机器人的各机构进行静态和动态的分析，结合机电控制，在不断 的对比完善中确定最优的机构模型并加工制造，根据机器人的性能要求设计 控制方案并实现。全文是对典型的机电一体化产品机和电结合的完整研究， 对码垛卸垛机器人的研究发展已至工业机器人的发展具有一定的实际参考 意义。 本文主要分为五部分内容，具体结构安排如下： ( 1 ) 第一章绪论，主要介绍课题来源、课题背景以及国内外研究现状 及发展趋势，从而确定本文的研究方向。 ( 2 ) 本章主要介绍烧结砖卸垛系统，对烧结砖卸垛系统总体规划，科学 的进行烧结砖卸垛系统方案设计，指出卸垛系统中烧结砖自动卸垛机器人的 设计性能参数，合理选择烧结砖卸垛系统中的机器人类型。针对卸垛系统设 计了卸垛机器人的硬件系统，确定机器位置伺服系统的控制类型。根据机械 设计方法对机器人的手臂、手腕、手爪和腰部进行结构设计并计算其相关参 数，根据要求合理选择机器人整体所需要的标准件和常用件，给出机器人主 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 要相关结构图。 ( 3 ) 第三章运用多物理场建模与分析软件c o m s o lm u l t i p h y s i c s 进行相 应的动态特性分析，首先根据砖窑码垛卸垛机器人的结构参数建立相应的有 限元模型，并根据研究目的做了结构上的简化处理。利用建立的模型对机器 人结构作模态分析，根据分析结果初步确定或验证机械结构的合理性以及设 计的各项参数是否能满足实际要求，从而为确保所设计的机械结构的合理性 和可靠性提供参考依据。 ( 4 ) 第四章重点介绍自动卸垛机器人的视觉系统，包括视觉测量和视 觉定位技术的方案以及其实现技术、视觉控制系统的控制流程与实现技术。 对视觉测量控制技术中的砖垛定位、测量计算的图像处理方法和过程进行阐 述。 ( 5 ) 第五章介绍视觉控制系统的实现方法，包括控制系统控制结构流 程，硬件搭接和软件实现，阐述各个模块之间的通信实现技术，最后在试验 中检测系统的可行性。 1 4 本章小结 本章首先介绍了建材行业码垛卸垛的现状和各种码垛卸垛模式，然后对 国内外的码垛卸垛机器人的研究和应用现状进行了分析以及发展趋势的展 望。最后介绍了本文研究的主要内容、各章节研究安排以及研究流程。 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 2 卸垛机器人的主要机构实现技术研究 2 1 概述 本章根据砖瓦行业砖坯的生产需求，研究砖窑码垛卸垛的物流系统，并 根据系统的要求提出砖窑卸垛机器人的机构设计原理和设计参数。确定机器 人的类型，然后完成机器人的具体结构设计以及关键部件的选型。 2 1 1 机电一体化技术和系统 本文研究的烧结砖自动卸垛机器人是一个十分典型的基于机电一体化技 术的产品。机电一体化技术是将机械技术、电工电子技术、微电子技术、信 息技术、传感器技术、接口技术、信号变换技术等多种技术进行有机地结合， 并综合应用到实际中去的综合技术。而机电一体化系统是在系统的主功能、 信息处理功能和控制功能等方面引进了电子技术，并把机械装置、执行部件、 信息处理、接口软件等部分在电子技术的支配下，以系统的观点进行组合而 形成的一种新型的机械系统t 4 ，。 2 1 2砖窑砖坯的生产流程介绍 现代建材行业常用砖主要分为红砖、泡沫砖、砌块、空心砖、灰砂砖、 粘土砖、耐火砖、水泥砖等，。本文以现代建筑中最常用的红砖为研究对象 研究开发烧结砖自动卸垛机器人。 通过对四川资阳精工砖机有限公司和该公司在四川绵阳的客户砖窑厂的 走访和调查，笔者了解了该企业进行大批量砖堆烧结的整个作业流程，主要 分为三个步骤： 砖窑中砖坯的生产流程： 1 ) 堆垛：主要工作是将加工好的砖块按照既定的排列方式有序的加载到 窑车上，目前己大量采用程控式码坯机完成，如图2 1 ： 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 一- - ： ： 图2 1窑车上的砖堆 f i g 2 1 k iinb r i c ks t a c k in g 2 ) 烧结：主要任务是将窑车上堆垛好的砖堆进行烧结，烧结后的砖堆结 构如图2 2 所示： 图2 - 2 砖堆视图 f i g 2 - 2 t h ev i e wo fb r ik s 3 ) 卸垛：当砖坯烧结完成后，工人的主要任务是将烧结后的砖垛从窑车 上卸载下来，目前基本上采用人工作业方式完成，工人一般使用砖块夹来卸 砖。砖块夹如图2 - 3 ： l ， ，赫鬻嫱、辚 ；，啭# + # 嚣黔物、囊哆 。；孵”4 精 ”_ 誊勰霪 _ ；：? 蓬遵 o_to “= 、4 s 尊豢鬻瓤3；i “， 图2 - 3 砖块夹 f i g 2 - 3 b ri c kc i a m p 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 2 1 3 砖窑码垛与卸垛系统 2 1 3 1 卸垛方式 砖窑码垛卸垛系统采取机器人工作站n 7 ，的方式。该机器人工作站是以 机器人为中心，窑车和货车与机器人在机器人的工作范围区域内，由机器人 的控制系统发出指令，根据编好的程序流程，进行自动、智能的卸垛作业。 卸垛机器人的任务是将窑车上的砖坯按照一定的规律卸垛，并将卸下来的砖 坯重新码放在货车上，整个过程由程序控制机器人自动完成。 2 1 3 2 砖坯尺寸与卸垛方式 本文以现代建筑中最常用的烧结红砖为研究对象研究开发烧结砖自动卸 垛机器人。红砖的外形如图2 4 所示，红砖的质量及标准尺寸如表2 1 所示。 图2 - 4烧结砖块 f i g 2 - 4 b a k e db ri c k 表2 - 1 砖坯参数 t a b 2 1b ric k sp a r a m e t e r s 常见的砖坯码垛方式为上下层之间垂直交叉码垛，相邻两块砖坯之间的 距离约为5 0 r a m 。每一垛砖呈3x8 纵横交错排列，目前最小规格( 2 5 0 0 m m ) 的窑车的砖堆为9 垛，研究对象的砖坯每垛砖的长度不超过1 8 0 0 m m ，砖垛的 高度一般不高于1 8 0 0 m m 。 砖厂砖坯的码放方式如图2 5 所示。 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 ；：；j 篱一 2 1 4 砖窑卸垛系统总体方案 图2 6 所示为砖窑卸垛系统的总体方案。砖坯经过烧结后一般采用程控 的码坯机堆垛与窑车上面，然后窑车沿着车间的轨道走到卸垛机器人工作站， 此时机器人对窑车上的砖垛进行视觉定位并智能的抓取窑车上的砖坯，按照 机器人设定的程序有规律的将窑车上的砖坯依次进行卸垛，并在规定的区域 重新码垛。为了保证整个系统的效率，规定窑车上的一垛砖必须在2 0 r a i n 卸 完，所以，要求卸垛机器人必须高速作业。 西南科技大学硕士研究生学位论文第10 页 垛 图2 - 6 卸垛流程 f i g 2 - 6 t h ed e s t a c k in gp r o c e s s 2 2 自动卸垛机器人的设计原理 2 2 1砖窑卸垛系统总体方案 卸垛机器人样机工作要求保证卸垛机器人的高速高效作业，机器人的卸 垛必须在2 0 m i n 内完成窑车上面一垛砖的卸垛作业，每层约5 0 堙，采用视觉 控制技术使机器人自动、智能的完成卸垛工作。根据计算，机器人的每次卸 垛操作到返回原位姿时间为1 2 s ，卸垛效率为3 0 0 次时。砖坯的堆放层数决 定机器人的竖直行程，要求窑车上的砖垛的码垛高度在1 8 0 0 m m 以下，已知窑 车的长度在1 8 0 0 m m 以下，那么机器人的水平和竖直的操作行程均设计为 1 8 0 0 m m 。砖坯的卸垛工作要求机器人能够在机器人工作站两侧的任意位置堆 垛，所以设计卸垛机器人的回转角度为3 6 0 。综上所述，烧结砖自动卸垛机 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 1 页 2 2 2 卸垛机器人的设计原理 砖窑码垛卸垛系统采取机器人工作站的方式。该机器人工作站是以机器 人为中心，窑车和货车与机器人在机器人的工作范围区域内，由机器人的控 制系统发出指令，根据编好的程序流程，进行自动、智能的卸垛作业。卸垛 机器人的任务是将窑车上的砖坯按照一定的规律卸垛，并将卸下来的砖坯重 新码放在货车上，整个过程由程序控制机器人自动完成。 卸垛机器人常用的结构类型主要有四种8 ，：直角坐标机器人、圆柱坐标 机器人、水平关节机器人和垂直关节机器人。这四种机器人类型的结构原理 如图2 7 ( a ) 至图2 - 7 ( d ) 所示。 图2 7 ( a ) 为直角坐标类机器人的机构原理，可以看出此种机器人在 五kz 三轴上的运动相互独立，这种类型的机器人的位置控制精度很高且 刚性大，但是一般这种机器人的动作区域相对不大而占地面积要求很大，这 就要求要有区域比较大的安装位置。 图2 7 ( b ) 为圆柱坐标类机器人的机构原理，原理图中的r 表示的是机 器人手臂的长。0 表示的是手臂所在位置相对于坐标原点的的角位移，z 表 示的是竖直方向手臂所处的位置。机器人在三个坐标上的运动可以表示为一 个圆柱体，所以称为圆柱坐标机器人。该类型机器人的特点是他的结构相对 简单，机器人的运动比较简单明了。而且有很高的重复定位精度，机器人在 运动过程中在控制上的计算比较小而且工作空间内没有奇异点，这样就使得 机器人在工作速度快的情况下编程变得更加简单。 图2 7 ( c ) 与图2 7 ( d ) 分别为圆柱坐标类机器人和垂直关节类机器 人的机构原理图。这两种类型的机器人的运动都是根据机构中关节相邻的部 分相互之间的角位移量建立坐标系的。两种机器人的动作范围大，机器人两 臂的长度之比决定了机器人运动区域范围，手臂一般可以达到空间运动范围 一 西南科技大学硕士研究生学位论文第12 页 一一 ： 内的几乎所有位置。但是这两种机器人的弊端是不具有直角和圆柱坐标机器 人那样高的精度和方便的控制计算，并且在工作空间内存在奇异点，这都使 设计计算和安装变得复杂。 图2 - 7 ( c ) 图2 - 7 ( d ) 笔者从实际生产需要出发，根据砖窑卸垛现场的作业环境、砖窑卸垛系 统的特点和不同类型机器人的结构特点，选用四自由度圆柱坐标型机器人可 以满足实际条件要求。 2 2 3 四自由度圆柱坐标机器人原理 本文根据砖窑卸垛系统的特点设计了四自由度的卸垛机器人。四自由度 的圆柱坐标机器人由下图( 2 8 ) 中的r ，日，z ，a 四个自由度组成，。其中r 为机 西南科技大学硕士研究生学位论文第13 页 器人的水平伸缩自由度，对应机器人的小臂运动。z 是机器人的竖直方向的 伸缩自由度，对应机器人的大臂运动。日为机器人的腰部运动自由度，对应 腰部的旋转运动。a 为机器人的腕部运动自由度，其对应机器人的末端执行 器( 手腕) 的旋转运动。 r ，0 ，z ，a 四个自由度确定了机器人在工作空间中的位姿。并且尺，a ，z 这三 个自由度可以确定末端执行器的空间位置，a 这个自由度决定末端执行器的 姿态。 h r 图2 8四自由度圆柱坐标机器人 fjg 2 - 8f o u rd e g r e e so ff r e e d o mc y1 n d ric aic o o r din a t er o b o t 2 3 自动卸垛机器人的机械本体设计 2 3 1总体机械结构 该烧结砖自动卸垛机器人的整体机械结构如图2 - 9 所示，机器人设计方案 采用四自由度圆柱坐标机器人，其水平与竖直位移部分分别控制机器人的手 爪水平方向与竖直方向的运动，使机器人的手爪能够实现在平面区域的运动， 再与机器人的腰部旋转配合，使机器人的手爪的运动能够覆盖给定空间里的 每一个点。手腕部分可以3 6 0 。旋转以适应砖坯的摆放角度。手爪的伸缩控 制砖坯的夹紧与松开。 西南科技大学硕士研究生学位论文第14 页 图2 - 9 总体机械结构 f i g u r e 2 - 9o v e r a iim e c h a n i c a is t r u c t u r e 2 3 2 手臂四连杆机构的设计 2 3 2 1四连杆机构 平面连杆机构是由多个构件以低副连接而成的平面机构。又称为平面低 副机构。最简单的单自由度平面连杆机构由四个构件和四个低副连接而成， 称为平面四连杆机构“”。 平面连杆机构在机械设计中非常常用，用简单的平面连杆机构可以组成 很巧妙灵活的机械本体，平面连杆机构在常用机械中经常可见。在机器人的 机械结构中，平面连杆机构是实现机器人手臂运动要求的很好方法。 平面四连杆机构是一种常用的连杆机构，四连杆机构根据杆长和杆件固 定位置的不同可以有多钟结构的演变 1 0 0 其中平行四连杆机构作为一种 巧妙的四连杆机构经常被运用在各种复杂巧妙的机械中。 2 3 2 2 机器人手臂平行四连杆机构及分析 机器人手臂采用平行四连杆机构，根据平行四连杆机构的特性实现机构末 端平面区域的运动。如图2 1 0 所示，该四连杆机构的组成部分包括前大臂、 后大臂、大臂连杆和小臂四根连杆，四杆的杆长满足一定的关系，构成平行 四连杆机构。相邻的连杆之间采用销钉连接，连接副为旋转副。平行四连杆 西南科技大学硕士研究生学位论文第15 页 机构有两个重要特性n ，”： ( 1 ) 平行四连杆机构的比例放大特性 如图所示，彳点只做垂直方向的上下运动，而e 点只做水平方向的左右运 动。单方向运动时，当彳点固定不动，e 点在水平方向上左右运动，则手臂 末端f 点按照臂长比被比例放大后做水平移动。同样，当e 点固定不动，彳点 做垂直方向的上下运动时，f 点在竖直方向上被比例放大做下上运动。 ( 2 ) 平行四连杆机构的随遇平衡特性 平衡状态不随时间和坐标的变化而变化即机构的随遇平衡特性。平行四 t，t， 连杆机构实现随遇平衡的条件是形= l c ，只有在k = k 且 ，一a c一乙卜 k d = 三聒的时候，四连杆机构成为平行四连杆机构，各连杆之间的伸缩和旋 转作用力最小。此时机器人手臂定位准确而且动作轻巧灵活。 4 3 图2 - 1 0 手臂平行四连杆机构 f i g 2 1 0p a r a ii e lf o u r b a riin k a g eo fr o b o ta r m 1 前大臂2 小臂3 后大臂4 大臂连杆 1 f o r ea r m2 u p p e ra r m3 i o w 6 ra r m4 a r mc o n n e c t in gr o d f - 2 3 2 3 机构的运动分析 图2 1 l 是机器人手臂简化平面示意图，图2 1 2 是机器人手臂末端运动的 西南科技大学硕士研究生学位论文第16 页 轨迹图，三个图分别为手臂末端随着图2 11 中x 、y 值变化时的水平、竖直和 联动时的位移，机器人手臂在平面区域上的运动如图2 1 1 所示。 该图表明了机器人手臂水平方向与竖直方向的最大运动范围，即在水平 方向，手臂末端的最大运动范围是2 5 8 0 m m ，竖直方向的最大范围是2 2 8 0 m m 。 该机器人的后大臂和小臂上的销钉连接点将臂长分为1 ：5 的关系，即 h = 上= 1 5 。根据平行四连杆机构的比例放大特性，机器人的末端 ，u b c，u d f f 点随着彳点和e 点的运动成倍数放大的相应运动，即么点向竖直方向运动 距离a ，则f 点竖直方向运动距离5 口。e 点水平方向运动距离b ，则f 点相 应的在水平方向运动距离为5 6 。 设置一个固定坐标系x o y ，当机器人手臂处于零位时，机器人手臂处于 图中虚线位置。此时手臂末端f 点的坐标为： x f f = 2 5 8 0 m m ，y a r = 2 2 8 0 m m 通过控制么点与e 点的运动来控制f 点的运动，假设e 点位移x ，a 点位 移为y 手臂从零位运动到图中实线位置时小臂末端f 的位置变化规律： 由图可知，在a e g 中，a g = 3 8 0 一y ，g e = 4 3 0 + x ，则有 ”a r c 嵋冀) , a e 2 = a g 2 + g e 2 = ( 3 8 0 刊2 + ( 4 3 0 州2 在a b e 中，a b = 3 8 0 ，b e = 4 3 0 这里令：a b = a ，a e = 6 ，b e = c 0 ：z b a e ：a r c c o s ! ：垒：二! ： 2 a b 0 ，：z a e b ：a r c c 0 s 皇! 二兰 2 c b ，则c 点的坐标为： x 。= 2 2 8 0 e o s ( o l + 8 2 ) y 。= y + 2 2 8 0 xs i n ( o l + 日2 ) ( 2 1 ) f 点的坐标为： x f = x 。- i - 2 5 8 0 xc o s ( 0 3 0 1 ) y f = y 。一2 5 8 0 xs i n ( 0 3 0 1 ) 将( 2 1 ) 式代入上式( 2 2 ) 可以得到如下关系式： ( 2 - 2 ) 西南科技大学硕士研究生学位论文第17 页 x f = 2 2 8 0 x e o s ( o l + 臼2 ) + 2 5 8 0 x e o s ( 0 3 - 0 5 ) y p2 y + 2 2 8 0 xs i n ( o l + 臼2 ) 一2 5 8 0 xs i n ( 0 3 - 0 5 ) 再将0 1 、0 2 、0 3 带入( 2 3 ) 式可以得到： ( 2 3 ) 轳2 2 8 0 c 。s ( a r c t a n 、4 3 8 3 0 m - y ) ) + s i 3 8 0 2 赢+ ( 3 8 丽0 - y ) 面2 + ( 丽4 3 0 + 菰x ) 2 - 矿4 3 0 2 + 2 5 8 0 x c o s ( a c c o s ( 、( 3 8 0 - y ) + ( 4 3 0 + x ) 2 + 4 3 0 2 - 3 8 0 2 ) 一a r c t a l l 洋业) ) 2 x 4 ( 3 8 0 一y ) 2 + ( 4 3 0 + x ) 2 4 3 0 。 、4 3 0 + x “ 蚪：y + 2 2 8 0 x sin(arctan(娑挲)+arcc。s一3802+(380-y)2+(430+x)2-4302 q j u 十x 2 x 3 8 0 x q ( 3 8 0 y ) 2 + ( 4 3 0 + x ) 2 2 5 8 0 s i n ( a r c c o s ( 垡坠掣y ) 2 + ( 4 3 0 + x ) 2 + 3 8 0 2 - 一4 3 0 2 ) 一a r c t a n 塑! ) ) 2 x 4 ( 3 8 0 一y ) 2 + ( 4 3 0 + x ) 2x 3 8 0 4 3 0 + x 通过几何求解，就得到了x 、y 与手臂末端f 的关系式，为平面区域上的手臂 联动插补控制提供了依据。该关系式可以通过m a t l a b 等软件方便的算出坐标 值，如图2 1 2 ( a - c ) 分别为手臂末端点f 在x 、y 变化时对应的单轴方向和联 动时运动情况。 ci 7 烁 栉 歹e j 划 图2 1 1 平面工作空间示意图 f i g 2 1 1p i a n ew o r k in gs p a c e h f - k 西南科技大学硕士研究生学位论文第18 页 图2 1 2 ( a ) f i g 2 1 2 ( a ) 图2 - 12 ( c ) f i g 2 1 2 ( c ) 图2 - 1 2 ( b ) f i g 2 1 2 ( b ) 2 3 3 水平与竖直位移部分设计 如图2 1 3 所示，机器人的水平与竖直位移部分分别做成两个位移台， 两个位移台在机械结构上相同，都是由减速电机提供动力源，经同步带传动 并二级减速之后带动滚珠丝杠转动，丝杠螺母与水平或者竖直铰支座刚性连 接，而铰支座又与直线导轨副上的滑块固定在一起，这时滚珠丝杠的转动就 可以转换成水平或者竖直铰支座的直线平移。该结构采用双导轨滑块的形式， 保证了结构的稳定并增加了机构的使用寿命。实验表明，电机减速后不但可 以输出很高的转矩，而且在位移台的移动速度上仍可保证7 0 m m s ，位移台在 强度和速度上都能满足要求。 西南科技大学硕士研究生学位论文第19 页 图2 1 3 水平与竖直位移部分结构 f i g2 1 3 d is p i a c e m e n tu n j t 1 滚珠丝杠副2 轴承座3 直线导轨4 水平铰支座 5 滑块6 位移台底板 1 b a iis c r e wu n i t s2 b e a ri n gp e d e s t a i3 ii n e a rg u i d e 4 h o tiz o n t aihin g eb e a rin g5 slid e r6 b a s e b o a r do fdis pla c e m e n tpia t f o r m 2 3 4 机器人的腰部设计 机器人的腰部设计主要考虑腰部旋转过程中需要克服的自身重量和负 载重量所产生的转动惯量。在设计的过程中，由于机器人手臂、水平竖直位 移台、手臂四连杆机构以及手爪夹取砖块的重量很大，产生的转动惯量很大， 所以腰部设计时，在腰部电机和动力输入轴之间需要有大传动比的减速装置。 结合机器人的体积和空间限制，旋转二级传动。一级减速为在电机的输出轴 上面安装减速装置组成减速电机，减速比达到1 ：2 0 。二级减速选用模数为l ， 齿数分别为3 0 齿和1 5 0 齿的直齿圆柱齿轮，减速比达到1 ：5 ，使总的减速比 达到1 ：1 0 0 。并且这种方式传动平稳，结构简单，传动效率高，可达0 9 0 9 6 ， 其过载能力强，使用寿命长，工作可靠，能满足机器人腰部转动灵活平稳的 要求。机器人的腰部结构如下图2 1 4 所示。 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 0 页 一 ： 图2 1 4 腰部结构简图 f i g 2 1 4w a is ts t r u c t u r ed i a g r a m 1 腰部电机2 电机减速器3 一级齿轮传动4 腰部旋转座 5 轴承6 腰部连接轴 1 w a is tm o t o r2 m o t o rr e d u c e r3 l e v e i1 g e a rt r a n s m is s i o n 4 w a is t r o t a t i n gs u p p o r t5 b e a r6 w a is ta xis 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 1 页 2 3 5 机器人的腕部手部设计 机器人的手部主要是方便机器人的姿态调节，手腕上的自由度主要是为 了实现手臂末端想要实现的姿态。 机器人手腕按自由度来分可以分为单自由度手腕，二自由度手腕以及三 自由度手腕 1 。这些自由度分别是其相对空间坐标轴工kz 的转动自由度， 即三个自由度分别是翻转、仰俯和偏转三个自由度。而机器人的手腕实际需 要的自由度数是由机器人工作的性能来决定的，因为研究对象中的砖坯是规 则排列码垛的，而且卸垛时候也必须一层层的规则卸下，要求手爪在恩】，方 向都不能有偏转，所以选用单自由度的机器人手腕如图2 15 ，手腕只有一个 对空间z 方向上的旋转。 图2 1 5 手部腕部结构简图 f i g 2 1 5 h a n dw ris ts t r u c t u r ed i a g r a m 1 手腕电机2 水平保持架3 连接套4 推杆电机 5 直线推杆6 抓手 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 2 页 2 4 自动卸垛机器人主要部件选型设计 机械结构的本体设计中，各种部件的设计基本模块化，根据设计的要求 选择较为合适的部件类型，选用最优化的机械结构并控制最经济的成本。 2 4 1 各部分驱动电机选型 为保证机器人的抓取速度能够达到既定要求，机器人试验机各自由度的 驱动电机选择步进电机，步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性。改 变脉冲的顺序，可以方便的改变转动的方向，一般步进电机的精度为步距角 的3 一5 ，且不累积。 步进电机的工作原理5 ，：步进电机是把电脉冲信号转变为机械位移信 号的开环控制元件。步进电机伺