双机器人协作搬运系统设计与仿真

双机器人协作搬运系统设计与仿真摘要随着人力成本的不断增加，机器人在人类工作生活中扮演着越来越重要的角色。尤其在目前“工业4.0”的口号下，机器人市场的发展异常迅猛。在产区流水线作业中，单个机器人暴露出工作效率低的弊端，往往难以满足生产的需求；这时双机器人协同作业应运而生，开始在制造业上大放异彩，并瞬间成为全球机器人企业、研究机构的研究热点。随着《中国制造2025》行动纲领的颁布，我国机器人产业如雨后春笋一般，迅速发展。双机器人协作是多机器人协作的一个基础，本课题针对双机器人的协作搬运技术进行了研究，并完成对ABB1410型六自由度工业机器人末端机械手设计，根据拟定的搬运方法，设计出双机器人空间坐标系；依据所搬运工件的质量、尺寸计算出所需驱动力的大小，选择符合要求的伺服电机。基于第三方三维建模软件和运动仿真平台对双机器人协作搬运过程进行建模与运动仿真。关键词：双机器人协作，工业机器人，搬运，运动仿真AbstractWiththeincreasingofhumancost,robotplaysanincreasinglyimportantroleinhumanworkandlife.Especiallyunderthesloganof"industry4.0",thedevelopmentofrobotmarketisveryrapid.Intheassemblylineoperationintheproductionarea,asinglerobotexposedthedisadvantageoflowefficiency,whichisoftendifficulttomeettheneedsofproduction;atthistime,dualrobotcollaborativeoperationemerged,andbegantoshineinthemanufacturingindustry,andbecametheresearchhotspotofglobalrobotenterprisesandresearchinstitutions.Withthepromulgationofthe"madeinChina2025"actionprogram,China'srobotindustryhasmushroomedanddevelopedrapidly.Doublerobotcooperationisafoundationofmultirobotcooperation.Inthispaper,thecooperativehandlingtechnologyofdoublerobotsisstudied,andtheendmanipulatorofabb1410sixDOFindustrialrobotisdesigned.Accordingtotheproposedhandlingmethod,thespatialcoordinatesystemofdoublerobotsisdesigned.Accordingtothemassandsizeofthehandledworkpiece,therequireddrivingforceiscalculated,andtheoperatorisselectedServomotorasrequired.Basedonthethird-partythree-dimensionalmodelingsoftwareandthemotionsimulationplatform,thecooperativehandlingprocessoftworobotsismodeledandsimulated.Keyword：Tworobotcollaboration,industrialrobot,handling,motionsimulation目录第一章绪论 51.1选题的背景及研究意义 51.2双机器人协作技术国内外研究现状 5第二章ABB1410型号机器人末端机械手设计 82.1机械手的概念 82.2机械手的组成 82.3机械手的整体设计方案 92.4机械手建模 13第三章双机器人协作搬运系统三维建模 163.1引言 163.2现有条件及工序流程 163.3双机器人协作搬运系统三维模型建立 18第四章基于Robotstudio双机器人协作搬运系统仿真设计 194.1引言 194.2工作站构成及布局 194.3SMART组件仿真设计 204.4总结 23致谢 24参考文献 25第一章绪论1.1选题的背景及研究意义人类步入20世纪后，随着整个科学技术的迅猛发展，世界各国的科学家们纷纷投入到机器人的研究和开发工作中，进而人类也正式走进现代机器人时代。作为高新技术产业发展前沿的代表，机器人技术是计算机技术与电子技术相融合的产物，其体现了国家科学技术综合水平和实力。进入新世纪以来，世界各国都将发展机器人技术，提高工业生产效益归纳到国家发展的计划之中。此外，由于不同行业对机器人的需求不同，机器人的形状结构也丰富多样，功能日益丰富和完善，机器人的发展趋势朝着协作化、高速化、高精度化和高技术含量化前进。随着制造模式的变革，协作型机器人在工业领域的应用日益广泛[1]，为提高厂区生产自动化程度、提高生产效率发挥了巨大作用。工业机器人是可接受人类指挥操作的面向工业领域的多关节机械手或具有多自由度的机器人[2]。随着现代计算机技术、控制理论以及人工智能理论等技术的多学科相互交融，工业机器人迎来了一个新的发展阶段，从以往的简单应用、单一化研究逐步发展到复杂应用、多样化研究[3]。但在实际搬运、装配、维修任务时，单个机器人表现出较大的局限性，在信息的获取、处理、控制及操作能力等诸多方面，其能力还未能达到适应复杂变化的作业环境。而多机器人在这些方面有着很大的优越性，于是人们开始考虑采用两个或者多个机器人通过协调作业来代替单个机器人完成这样比较复杂的工作任务[4]。这就需要建立一个多个机器人在共同的操作环境下相互协作来完成指定任务的系统，而这个系统就所谓的多机器人协作系统[5]。这种多机器人协作系统的应用时很广泛的，它具有巨大的潜在技术市场，比如在未来高度自动化的厂区生产流水线中，多机器人系统可以代替人力组织物料运输[6]；在危险的军事领域中，可以运用多机器人系统来进行侦察、巡逻、排雷等高危工作；在航空航天领域，可以利用多机器人系统来对卫星或者空间站进行内外维护以及对未知星球进行探索等。本文旨在完成双机器人协作搬运系统设计与仿真任务。首先，在实验室现有条件的基础上进行ABB1410型号机器人末端机械手设计；其次，所搬运物体的实际情况计算出力矩，进而对机械手的驱动方式进行选型；然后，对整个操作平台实物进行1：1建模；最后，通过导入Robotstudio仿真实验平台进行仿真实验，验证其可实性。1.2双机器人协作技术国内外研究现状1.2.1国外双机器人发展及研究现状协作机器人的概念于1996年由美国西北大学的２位教授J.EdwardColgate和MichaelPeshkin[7]首次提出。当时的研究领域主要集中在多移动机器人重构、轨迹规划以及多移动机器人协同合作几个方面。经过20多年的发展，全球已有超过20家机器人公司研制出各自的协作机器人[8]。目前部分协作机器人已被应用于汽车装配、焊接、医疗、服务等领域。美国的卡内基梅隆大学JonathanD.Brookshire[9]研究了装配任务的双机器人协作问题。JonathanD.Brookshire在机器人和实体亨利上做定点标记，并且将这些定点标记组为机器人要完成的基准任务，机器人通过视觉检测系统中的光检测装置检测到这些标记点，并对这些点进行再次定位，机器人再对这些操作点进行实时定位跟踪。这是一个不断变化的自治系统，同时也可以通过遥控对机器人进行操作，也可以在自治和遥控控制之间任意切换。日本学者Yasuhisa、Hirata和Youhei[10]等进行了基于拥有万向轮动力学特征的双机器人搬运物体的研究。他们运用基于主从控制策略的运动控制算法将机器人的特征点视为在运动空间中拥有类似脚轮的动力学特性的装置，机器人的协作通过被动力完成，不需要几何关系。主机器人根据需要或设计好的轨迹运动，并给从机器人提供动力，从机器人受到主机器人的力而被动的运动。这种模式的双机器人之间的协作策略是主从式策略模式。Ashitey、HariDasnayar和Trebi-ollennu[11]研究了两个漫游者机器人搬运方管的协作技术。两机器人工作时主要采用分布式依从适应控制与调整依从控制算法，并结合主从控制策略，用仲裁与命令融合进行行为选择，命令融合运用投票机制与模糊逻辑。每个机器人拥有四个自由度，末端执行器安装六维力传感器，机器人协作工作时具有非常高的灵活性，能够实现四个自由度方向上的运动。国外还有很多国家已经发展到空间机器人的应用方面。例如加拿大科学家研究设计的两个七自由度机器人组成的空间遥控操作机器人系统，机器人上安装有特制的视觉相机，在机器人末端装有力传感器和遥控操作器[12]。这样的双机器人协作作业系统可以实现在太空空间站上大型设备的安装、维护以及探测等工作。美国JPL研究所研[13]发了远程遥控操作的双机器人协作系统，这个系统是由两个八自由度的AAI型机器人、腕部灵巧手、本体部分采用分布式控制系统和遥控操作系统组成。采用此系统，可以进行双手协调遥控操作，面向空间作业，完成更换卫星电气控制盒等较为复杂和具有危险性的任务。1.2.2国内双机器人发展及研究现状国内由于历史原因以及研究条件和相关技术的制约，在机器人研究上相对与国外起步较晚。目前国内对双机器人的协作研究主要涉及双机器人协作运动轨迹的规划，动力学以及协调控制等方面。胡雨滨[14]针对移动机器人双六自由度手臂进行了运动学的理论分析，并对机器人手臂轨迹规划理论和算法进行了分析，建立了双臂在夹持移动目标物体时主臂和从臂在同一时间到达的轨迹点的确定的对应关系。甘亚辉[15]等利用拥有安川弧焊机器人和安川通用工业机器人的实验平台上，对双机协作工业机器人的主从运动关系进行了研究，并研究出了用于无夹具焊接双机器人的示教方法。周军[16]分析了冗余度双机器人进行轴孔装配的运动学约束关系，机械装配是多机器人协作一种常见的作业形式，在运动学约束上与焊接有较多相似之处，规划出机器人的关节位置和速度，并进一步推导出双机器人机械臂加速度之间的关系。中科院沈阳自动化研究所、北京大学[17]等对非空间机器人的双机器人协作进行了较多的有益研究。上海交通大学机器人研究所[18]对双机器人的时间最优轨迹规划问题做了深入研究，并在对双机器人左右臂进行时间最优轨迹规划的实验中，把机器人各个关节的动作转化成函数问题，采用动态规划法使机器人左右臂在无碰撞的前提下实现了时间最优运动。华南理工大学的余锋等[119]人对于视觉伺服的双机器人协作装配问题进行了深入研究，推出了竞争型机器人，并在TLS实验平台上进行了仿真验证。在“《中国制造2025》[20]”、“工业4.0”的行动纲领下，我国机器人产业的发展有了更清晰蓝图。潜在的巨大市场以及党中央的政策鼓舞，在“十三五”期间我国的机器人产业发展可谓十分迅猛，涌现了很多机器人公司，比较具有代表性的机器人生产商有：遨博智能科技有限公司、新松机器人自动化股份有限公司、北京航空航天大学机器人研究所等。虽然与传统的国际四大工业机器人家族（ABB、KUKA、FANUC、YASKAWA）无法相比，但在精度、技术等方面的差距在不断的缩小，也取得了可观的研究成果。第二章ABB1410型号机器人末端机械手设计2.1机械手的概念机械手是可以模仿人手的某些动作，按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置，它有多个自由度，在机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等领域，机械手可以代替人力从事繁重、危险任务用以保护人身安全，并且提高厂区的机械化以及自动化水平。2.2机械手的组成执行机构、驱动机构、控制系统三大部分组成机械手。这三部分的组成以及其相互之间的关系如下图2-1所示：驱动部分驱动部分行程检测装置传送机构控制部分行程检测装置传送机构控制部分传感装置手部传感装置手部被传送物件被传送物件图2-1机械手组成关系图1、执行机构（1）手部机械手的前端安装的是手部。手臂的内孔装有可旋转的传动轴，把动作传给手腕，用以转动、伸缩手腕以及开闭手指。手部的构成机构是模仿人的手指，具体的分类有无关节、自由关节和固定关节三大类。根据手指数量的不同又可以分为二指、三指、四指等，在现实中以二指居多。这主要是根据所夹取对象的形状和大小决定的，用以适应操作的需要。本课题所设计的机械手采用的是二指形状。（2）手臂手臂有关节和无关节两类。其作用是引导手部的手指部分可以准确抓取作业部件，并以一定的速度将部件搬运到所设定的位置。在抓取的过程中为了使机械手能够准确无误的工作，手臂的三个自由度都需要精确的定位。本课题所设计的机械手在采用旋转转直线传动方式带动直线轴承相对滑动，定位采用行程距离控制，以保证定位的精度。2、驱动机构机械手的驱动方式主要分为电机驱动、气压驱动、液压驱动和电气驱动四种。这里采用的是实验室现有装备电机驱动方式。这种驱动方式的优点主要是动力源简单，维护使用方便。缺点是相比其它驱动方式其控制响应速度比较慢。本课题所设计的机械手采取电机带动轴承转动来实现机械臂的旋转，将旋转运动转变为直线滑动控制机械手手部的夹紧、放松。3、控制系统在机械手控制方面，它包括工序、到达位置、运动时间和加速度等。根据机械手动作要求，进行编制程序，采用数字顺序控制机械手工作。本课题主要设计机械手外观、传动方式、驱动电机选型，对控制系统设计不做叙述。2.3机械手的整体设计方案本课题将要完成的主要任务如下：（1）机械手为专用机械手，根据实验室所搬运物体实际尺寸、重量设计。相对通用机械手，它的适用面相对较窄。（2）选取适用的驱动电机。（3）选取专用机械手的自由度。（4）设计出专用机械手的各运动模块以及各执行机构。2.3.1技术参数1.抓重：5kg2.机械手自由度：3个自由度3.手指夹取范围：200mm4.驱动方式：电机驱动5.定位方式：行程开关6.定位精度：±1mm7.手臂最大中心高度：128mm8.手臂运动参数：伸缩行程62mm伸缩速度100mm/s旋转范围0°-90°旋转速度90°/s9.接触面摩擦系数：μ=0.8（橡胶）10.滑动摩擦系数：0.0111.控制方式：采用PLC点位程序控制2.3.2机械手运动原理方案采用的是机械传动中机件的旋转运动转化为机件的直线运动，此过程由电机带动旋转轴转动，中间连杆带动两侧的凹型连杆分别向上下运动，以拖动机械手腕部分沿着直线轴承相互靠近，此过程实现了机械手部分的夹紧动作，反之则实现松开动作。各连杆部分由专门的轴承连接以减少相互之间的摩擦力。课题所设计机械手各部分运动方向如图2-2所示。图2-2机械手结构运动示意图2.3.3手部结构设计机械手的手部主要是由传力机构和手爪两部分组成。根据手部手爪的个数可分为两指式、三指式和多指式，这也是夹持式机械手中最常见的。在夹持工件的过程中，根据手爪夹持工件的部位又将手爪分为内夹持式手爪和外夹持式手爪。在设计机械手爪部分时应考虑到以下几个问题:（1）手爪在夹紧运动时应具有足够大的夹紧力即握力这个步骤主要通过计算得到，根据所夹取物体实际质量以及传动部件在传力过程中产生的摩擦力、惯性力和震动，要确保机械手在夹取、搬运过程中工件部不发生松动或者掉落。（2）手爪要有足够的刚度与强度机械手爪在抓取工件的过程中，手爪部分除了受到被夹工件的反作用力之外，还会受到机械手传动杆传动过程中产生的惯性力和真动力的影响，所以设计机械手爪要具有足够的刚度与强度以防止手爪部分发生折断或弯曲变形。（3）保证工件准确定位根据被抓工件的形状，选取相应的手指形状，本课题所抓取工件形状为长方体，所以选取的机械爪为二指式手爪，抓取工件两边，手爪与工件接触面设有大小相同的凹槽，抓取时可将工件嵌在其中，以便自动定心。如图2-3所示。（4）手爪之间应具有一定的开闭角所谓的开闭角，就是两手爪在夹紧与闭合时，中间连杆与两侧凹型连杆处的极限位置所构成的角度。手爪的开闭角可以保证所夹工件能够顺利进入或者脱开，这与工件的最大直径有关。图2-3二指式手爪2.3.4手爪驱动力计算本课题设计的机械手手爪部分各点受力情况如图2-4所示：图2-4手爪受力示意图所爪取工件质量M=5Kg，在夹取过程中，为增加夹具内测与工件外侧的摩擦力，在接触面贴有防滑橡胶，这里的摩擦系数=0.80，工件的重力加速度g=10m/s2。（1）根据手爪受力示意图，工件所受重力为：（2）夹取过程中，手指向上的力与工件垂直向下的重力G相等，根据摩擦系数=0.80可得：（3）手爪夹取工件时，手爪处在极限距离处，忽略转动轴承，将竖直连杆与凹型连杆视为两条直线，其极限闭合角=60°。所以右侧凹型连杆F1力的大小等于F在角=60°方向的分力。即：（4）电机带动中间轴的驱动力为F2，由受力示意图可知，F2的大小为F1沿角斜边上的分力，测量得到=30°。即：（5）实际驱动力：在传力过程中，其传力机构为轴承传动，所以取=0.99，并取K1=1.5。在抓取工件时，手爪最大的加速度a=3m/s2时，则：，即：（6）根据电机所要提供的实际驱动力可求出电机的实际扭矩，由公式（R为中间旋转轴的直径，R=76mm）可得：2.3.5电机选型在复杂的机械传动中，驱动装置往往是整个传动系统中的核心，因此驱动电机的选择就显得尤为重要。第一，选择电机的要能提供足够高的负载，能够克服传动中产生载荷影响；其次，从质量、体积、价格等各项技术性、经济性指标筛选出最适合的电机方案。本课题是根据负载转矩的大小选择伺服电机。设计的机械手在夹取工件的过程中，所选取的伺服电机的工作曲线、负载转矩应能满足工作要求。在整个速度范围内，加载在伺服电机旋转轴上的负载转矩应在电机的连续额定转矩范围内，其最大负载转矩，加载的周期以及其过载时间应在特性曲线的允许范围之内。其满足的公式为：式中，T为所选电机旋转轴上的负载转矩（N.m）；F为凹型连杆在闭合角处所需要的力（N）；L为电机每转的机械位移量（m）;为所设驱动系统的机械效率。上一小节中计算出所设机械手在抓取5Kg的工件时所需要的实际驱动力q实际=151.5N，所选电机的扭矩T=11.5，但在实际的工况中，由于计算的误差，其选择伺服电机的扭矩应略大于计算值，即T实际＞11.5。根据以上数据本课题选择的驱动伺服电机型号为80D-A75130D6M。该伺服电机的参数信息如表2-5所示：表2-5型号80D-A75130D6M伺服电机基本参数电机型号80D-A75130D6M额定转矩（）5.39额定功率（W）750峰值转矩（）15额定电压（V）220最大转速（rpm）3000净重（kg）1.3尺寸（mm）96*80由表2-5得出，该伺服电机的额定转矩为5.39，其峰值转矩为15，即15＞11.5。实验室ABB1410型机器人末端机械臂最大承重为2.5kg，80D-A75130D6M型号伺服电机的净重量为1.3kg，所以所选伺服电机符合该工况下驱动系统所需的要求。2.4机械手建模本课题建模部分均在AUTOCAD软件中完成。后期实物也会根据三维模型图进行相同尺寸进行制作。根据课题实验中所抓取物体的实际尺寸设计二指式手爪，所抓取的物体长宽高尺寸为190*200*20mm的长方形铁块，所设机械手手指部分的尺寸为长200mm，宽30mm，高70mm。在手指内测壁设有长宽高为200*4*22mm的凹槽，手指与滑块相连，滑块高度为40mm。如图2-6所示。机械手的驱动系统与传动系统安装在支撑架上，课题所设计的支撑架采用半圆型支撑架，该支撑架的优点在于稳定，承受负载的能力强，在机械手搬运过程中，受力的传动所造成的震动影响较小。在半圆型支架的下方设有供滑块移动的滑动轨道，在后期做实物时可安装直线轴承，以减小驱动力在传动时的损失。该半圆型支架的直径为470mm，拉伸厚度为30mm，为节省后期实体制作成本，可在保证半圆型支架一定刚度与强度的前提下对中间部分进行抽壳处理，抽壳尺寸为直径444mm，深度为10mm。半圆型支架的支撑面上挖有一个长为155mm，宽为10mm，高为80mm的长方形孔，以安装驱动电机用。在半圆型支架上顶点出设有直径为41mm的法兰，以便在后期进行仿真实验中，将其固定在ABB1410型机器人末端。如图2-7所示。图2-6二指式机械手手指图2-7半圆型支架传动系统是由伺服电机作为动力源，带动中间旋转轴转动，中间旋转轴与中间连杆相连，中间连杆的两侧与方向相反的凹型连杆相连，将机械传动中的旋转运动转化为直线运动，将每个连杆视为直线，连接部分视为一个点，各连杆之间长度、夹取状态下各连杆之间的角度如图2-8所示，每个连接部分由标准轴承固定，轴承型号为NSK6200(内径10mm，外径30mm，宽度9mm)。图2-8连杆运动示意图确定角∠A、∠B的大小：在2.3.4小节中求得∠A=60°。因为∠A=∠B，所以在计算中只用考虑传动连杆的一端即可，连杆厚度拉伸为5mm。如图2-9所示。将各部分装配完成，得到完整机械手模型图，如图2-10所示。 图2-9连杆示意图图2-10二指式ABB1410机械手第三章双机器人协作搬运系统三维建模3.1引言本章节主要是为了验证厂区生产流水线上，双机器人搬运工件在协作策略、轨迹优化的有效性与完成性的能力问题，本课题通过控制两台机器人人完成搬运工件任务作为实验过程，所采用的两台机器人型号分别为ABB1410、ABB120型六自由度工业机器人。3.2现有条件及工序流程3.2.1实验室现有条件ABB1410机器人系统：六自由度工业机器人、控制器、示教器；ABB120机器人系统：自动装配流水线、六自由度工业机器人、控制器和示教器；检测摄像机、工件库、零件库、成品库、气动驱动系统、三个气动夹具；人机交互系统：人机界面。按钮：按钮上盖、按钮底座、灯芯。报警装置。实验室双机器人协作搬运系统整体如图3-1所示。图3-1双机器人协作搬运系统3.2.2工序流程3.2.2.1工序前准备实际上，此双机器人协作搬运过程中，ABB1410型机器人与ABB120型机器人不存在通信协议，因此两台机器人是各自单独完成任务。基于此在进行实验前应做到：（1）确定双机器人空间坐标系。双机器人协作搬运过程中，其坐标系的确定是一个极其重要的问题，该坐标系的确立与两台机器人放置的位置有着密切联系。两台机器人放置的位置不同，其构成的坐标系就不一样，本课题中两台机器人放置处于相对平行的位置，其中Z轴与X轴平行，而Y轴相互重合。如图3-2所示。图3-2双机器人直角坐标系课题中两台六自由度工业机器人的摆放位置按照以上坐标系位置点摆放，图3-2中R1表示的是ABB120型号机器人，R2表示的是ABB1410型号机器人。由于两台机器人在协作搬运工件作业中实际上是不存在相互之间的通信协议的，因此坐标系R1与坐标系R2之间相互独立，仅仅是坐标轴Y轴在位置上的重合，其中两台机器人的基点间距离为b。这里假设R1与R2坐标系的原点分别用O1和O2表示，那么O2相对于R1原点O1的坐标就是（0，b，0），若此关系存在，那么在空间中任意一点P相对于R1的坐标系为（x，y，z），同理P点相对于坐标系R2的坐标为，则两台机器人在空间坐标系中相互转化的关系满足：（2）检查ABB120型号机器人各零件是齐全，各灯芯是否通电正常。（3）分别操作两台机器人的示教器，对两台机器人进行手动复位，即移动到原点的位置。3.2.2.2工序流程（1）分别按下ABB1410、ABB120型号机器人操控台上的复位按钮，并将工作状态按钮旋转至“自动”状态，使得两台机器人各自系统中的每个单元都恢复到原始位置，等待工作指令的下达。（2）按下ABB120型号机器人示教器上的启动按钮，六自由度工业机器人开始按照自身程序进行流水线装配任务。第一步，进行零件识别任务，该任务由视觉检测装置完成。ABB120型号机器人安装有三个机械手，分别是自动打螺丝机械手、吸嘴抓手、二指式夹具，如图3-3所示。零件识别任务是由吸嘴抓手从零件库中任意吸住一个形状的零件，并在视觉检测装置上方进行检测识别，然后由机器人自行判断将所吸住的零件放在指定的位置上。此过程分三步走，识别三次，分别为圆形零件模型、正方形零件模型、正三角形零件模型。如图3-4所示。第二步，铁块盖的固定。自动打螺丝机械手从螺丝机中拾取螺丝在铁块盖上的四个拐角进行螺丝拧紧任务，此任务分四次完成。第三步，零件的搬运。此步骤由二指式夹具完成，先将装配好的零件夹取放在传送带上，然后由传送带输送至指定位置。该部分位置的确定是由红外线检测装置决定的。当红外线检测到零件至指定点后就会立即终止传送带动力传输。如图3-5所示。最后一道工序是零件入工件库。此部分是由二指式夹具完成，将传送带上的零件搬运到固定位置的工件库中。工件库如图3-6所示。实验中，零件装配是进行四次，零件搬运入零件库同样进行四次。因步骤完全一致，对后期仿真实验没有影响，因此只进行一次装配零件，只进行一次零件入库搬运。图3-3ABB120型号机器人机械手图3-6工件库图3-4零件库图3-5传送带（3）按下ABB1410型号机器人示教器上的启动按钮，六自由度工业机器人按照自身的控制系统发出的指令将工序（2）中的工件搬运至成品库。（4）两台六自由度工业机器人按照以上工序完成后，各关节回到初始状态，等待下一步工作指令的下达。3.3双机器人协作搬运系统三维模型建立该部分建模是在AUTOCAD三维建模软件平台上完成的，除了两台ABB1410、ABB120型号六自由度工业机器人是后期仿真中，在Robotstudio软件上从ABB模型库中直接导入外，其他均是根据课题要求进行模型比实物1：1三维建模，然后导入到Robotstudio仿真平台中。各部分装置放置的位置根据实物建立坐标系，其三维模型如图3-6所示。3-6双机器人协作搬运系统三维图第四章基于Robotstudio双机器人协作搬运系统仿真设计4.1引言双机器人协作搬运仿真技术主要包含两块内容，一是实体三维建模；二是运用Robotstudio仿真软件中的SMART模块对组件进行运动仿真。关于建模这块，Robotstudio软件本身并不具备强大的建模功能，在构建工作站时，通常需要我们选择第三方三维建模软件建立模型，然后逐次导入到工作站中。本课题以两台六自由度工业机器人作为协作搬运系统仿真设计的核心，两台机器人型号分别为ABB1410、ABB120。其中ABB120型号机器人是集检测、装配、搬运、码垛功能于一体的仿真工作站。本章节重点研究双机器人协作搬运中SMART组件的应用。4.2工作站构成及布局工作站的构成由一台ABB1410型六自由度工业机器人和一台ABB120型六自由度工业机器人及其它们各自的外围设备组成。其中ABB120型机器人末端配有一套气动夹具，ABB1410型机器人末端配有一套自行设计的专用二指式电动夹具，工作站通过两台工业机器人协同作业，共同完成对指定工件的检测、装配、搬运入库任务。工作站创建时，两台机器人和它们各自的控制柜通过Robotstudio软件平台中自带的ABB模型库导入，其余外部设备均是采用AUTOCAD三维建模软件对照实物进行1：1建模，在完成建模后，将建造的三维模型转化成STP格式按照顺序先后导入到该工作站中。工作站的布局如图4-1所示。图4-1双机器人仿真工作站布局图双机器人协作搬运系统仿真工作的流程如图4-2所示。首先在工作开始前都需将两台机器人进行初始化设置，使两台机器人都进入复位状态。两台机器人处于两个独立的工作系统，不存在相互通信协议，但是在工作工序上是存在先后顺序的。工序一，ABB120型号机器人将机械手运动至零件的抓取位置上，工件被夹具夹紧并放置在传送带上；工序二，传感器检测到工件放置位置，此时传送带驱动电机供电，将工件输送至指定位置；工序三，ABB120型号机器人将机械手再次运动至工件抓取位置，夹具夹紧，将工件搬运至工件库；工序四，ABB1410型号机器人将机械手运送至工件库上方的抓取位置，夹具夹紧，将工件搬运至指定位置。此时双机器人协作搬运工作任务完成。开始开始ABB1410型机器人复位ABB120型机器人复位ABB1410型机器人复位ABB120型机器人复位夹具夹紧夹具夹紧夹具释放运送至输送带位置机器人复位夹具释放夹具释放运动至工件库位置夹具夹紧传感器检测到工件夹紧激活动态夹具SMART运送至抓取位置运送至装配位置运动至装配位置运动至抓取位置传感器检测到工件夹紧激活动态夹具SMART夹具夹紧夹具夹紧夹具释放运送至输送带位置机器人复位夹具释放夹具释放运动至工件库位置夹具夹紧传感器检测到工件夹紧激活动态夹具SMART运送至抓取位置运送至装配位置运动至装配位置运动至抓取位置传感器检测到工件夹紧激活动态夹具SMART释放完成释放完成机器人复位机器人复位 图4-2双机器人协作搬运仿真工作流程图4.3SMART组件仿真设计SMART组件是Robotstudio平台进行机器人运动仿真的关键模块，它可以给几何体赋予仿真的效果。在仿真实验中，运用SMART组件能够通过I/O口，高效地模拟机器人在真实工作时的动作过程和工作机理，也能够展现各个传感器在协作系统中发挥的重要作用。本次课题在进行双机器人协作搬运系统设计与仿真中，就需要运用SMART组件通过I/O口控制，模拟双机器人末端夹具的运动、输送带输送物料以及对工件的装配仿真，其中对于工件的装配仿真属于较容易实现的部分，因此本章节对此过程不做细致介绍。因运动仿真细节过于繁琐且在操作相同，本章节只以双机器人对工件的协作搬运为例，详细介绍双机器人协作搬运仿真中SMART组件的I/O信号配置以及各组件间信号连接关系，并认真梳理好各个部件运动中存在的逻辑关系。4.3.1双机器人协作搬运工件运动仿真打开Robotstuio仿真软件，建立空的工作站，将所需要的工作部件全部按坐标导入到工作站中（工作站系统整体见图3-6）。因机器人程序是现有的，本小节不做介绍。已知运用SMART组件，可以实现两个机器人外围设备的运动仿真，通过控制机器人的I/O信号可以控制机器人现有程序。所以这里这里只需要配置工作站系统的逻辑，就能够实现SMART组件信号与两台机器人I/O信号的有效连接。在菜单栏的建模选项中电机创建SMART组件，然后可以为所创建的SMART组件进行重命名设置，这里将ABB120机器人部分运动仿真命名为SmartCompoent_1,将ABB1410机器人部分运动仿真命名为SmartCompoent_2，如图4-3所示。然后点击添加组件，在下拉菜单中选择“运动机械装置关节到一个已定义的姿态”，为组件添加一个事件，在属性窗口中选择“Syncpose”在点到点到达时间选择项上输入0.5s，最后点击应用按钮。重复以上操作再次添加一个事件。工作界面如图4-3所示。图4-3工作站名图4-4添加事件接下来是添加Di信号，当Di信号到达时就会触发SMART组件。点击SAMRT组件菜单下信号与连接按钮，添加一个I/O信号，信号类型设置为Digtalinput，信号名称设置为Dipose1，然后点击确定按钮。重复上一个操作五次，添加五个不同位置的触发信号。点击I/OConnection按钮，将其分别与SMART组件关联起来，源对象为PlaneSensor，源信号为SensorOut，操作如图4-5所示。重复上一个操作，建立多个I/O信号连接，如图4-6所示。图4-5信号连接图4-6I/O信号连接关系以本课题设计的二指式机械抓手为例，抓手在夹取、搬运、松开的运动仿真中使用了6种SMART子组件，各组件之间与I/O信号间的连接关系如图4-7所示。图4-7二指式机械抓手搬运仿真信号连接关系SAMART组件创建完成后，各组件与I/O信号之间的连接关系如图4-8所示。图4-8工作站系统运动仿真信号连接关系点击菜单栏的播放按钮，检验运动仿真动画是否运行，动画截图如4-9、4-10、4-11、4-12所示。图4-9ABB120工作台搬运截图图4-10工件入库截图图4-11二指式机械抓手运行截图图4-12二指式机械抓手运行截图4.4总结本次课题的主要工作内容如下：（1）第一章阐述了选题的背景及研究此课题的的意义。对提高厂区生产自动化程度具有重大意义。分析了国内外双机器人协作系统的发展现状。（2）第二章进行ABB1410型六自由度工业机器人末端机械手设计。针对本次课题搬运的具体物件，设计出二指外夹式电机驱动机械手，并给出相应电机选型的计算过程。（3）第三章是对双机器人协作搬运系统的设计与三维建模。通过第三方三维建模软件进行建模，课题采用AUTOCAD三维建模软件。然后导入到仿真软件中，课题采用的是Robotstudio运动仿真软件。建立空间坐标系，正确摆放两台机器人以及它们各自的外围设备。（4）第四章是进行双机器人协作搬运系统的运动仿真。主要通过Robotstudio仿真软件下的SAMRT组件模块，通过创建SMART组件，并添加Di信号，作为不同位置的触发信号，然后建立I/OConnection，并将其与所创建的SMART组件连接起来。建立完整的双机器人协作搬运工作站逻辑关系。完整动画视频见附件1。

致谢本论文是在导师刘玮教授的悉心指导下完成的，刘教授学识渊博、态度严谨、诲人不倦。在工作中严于律己，在学术上精益求精，在处事上平易近人。他朴实无华的人