四轴码垛机器人的机构设计及运动分析

码垛机器人机构

第24卷第1期2011年2月

4026（2011）01-0097-05文章编号：1002-

山东科学

SHANDONGSCIENCEVol．24No．1

Feb．2011

四轴码垛机器人的机构设计及运动分析

孙洁，李倩，刘广亮，葛兆斌，李向东

（山东省科学院自动化研究所，山东济南250014）

摘要：针对物流自动化对高速码垛的需求，基于平衡吊原理设计了一种四轴码垛机器人，并对机器人臂部进行得到了连杆机构参数优化关系式。该机器人在满负载运动下，垂直方向运动600mm，水平方了运动学分析，

向运动1600mm，腰部旋转60°时，工作能力可达800回/小时，重复定位精度可达±0．35mm。实验结果证明，机器人能够满足物流自动化的需求。关键词：码垛机器人；机构设计；运动学分析中图分类号：TP242

文献标识码：A

Mechanismdesignandkinematicsanalysisofafouraxisstackingrobot

SUNJie，LIQian，LIUGuang-liang，GEZhao-bin，LIXiang-dong（InstituteofAutomation，ShandongAcademyofSciences，Jinan250014，China）

Abstract：Wedesignafour-axisbalancehoistbasedpalletizingrobottosatisfytherequirementoflogisticsautomationtorobotpalletizer．Weanalyzethekinematiccharacteristicsforthearmsoftherobotandfurtherobtainanoptimalequationofitslinkagemechanism．Experimentalresultsshowthatsucharobotcansatisfytherequirementoflogisticsautomation．Keywords：stackingrobot；mechanismdesign；kinematicsanalysis

码垛是物流自动化技术领域的一门新兴技术，是按照一定模式，将物料堆积成垛，以便使单元化的码垛存储、装卸运输等物流活动。随着企业的集团化以及生产能力的规模化的发展，对码垛机实现物料的搬运、

工作能力的要求不断提高，同时，企业生产正在向着多品种少批量的方向发展，这就要求作为后处理设备的码垛机，必须具有处理多种产品的能力

［1－2］

。目前国外码垛机器人在码垛市场的占有率已经超过90%，绝

大多数码垛作业由机器人完成。国外码垛机器人的最大负载能力已经达到1000kg，定位精度±0．08mm，工作循环周期达到1600回/小时。与此相比，国内的码垛技术在处理速度、载荷能力和系统可靠性上还存在较大差距。因此开发高性能、低成本、人性化的码垛机器人将有广阔的市场前景

［4－6］

。

本文主要研究了码垛机器人的机构设计并对连杆机构进行了运动学分析。

1机器人总体结构

［7－8］我们研制的工业码垛机器人（如图1所示），其主体机械结构是基于平衡吊原理的连杆机构，具有

07-22收稿日期：2010-作者简介：孙洁（1977－），男，硕士，研究方向为机器人技术、机械设计。

Email：sunjie@keylab．net＊通讯作者，

码垛机器人机构

山东科学2011

年

承载力大、稳定性好、结构紧凑、节省能耗等特点。机器人具有4个自由度，2个旋转副和2个移动副，运动由四台交流伺服电手臂末端的抓手通过绕机座垂直轴的旋转运动（腰部机控制，

运动）、前大臂的水平运动、后大臂的垂直运动和绕抓手转轴的旋转运动（腕部运动）4种运动的组合完成对物品搬运码垛的3维空间作业。

为提高码垛机器人机械系统的控制性能，要求机械传动部件的转动惯量小、摩擦小、阻尼比合理、刚度大，并满足小型、重量轻、高速、低噪声和高可靠性等要求。所以合理地设计驱动方式和机械传动是保证整个机器人伺服控制性能的基本要求

［9］

。

腰部结构设计

图1Fig．1

工业码垛机器人Palletizingrobot

1．1

l1到ln为运动负荷相对转轴的惯性矩。由上式机器人腰部旋转时的转动惯量为l=l1+l2+…ln，式中，可知机器人腰部旋转运动克服的负载转动惯量很大，所以在负载和伺服电机之间需要有大传动比的减速装置。考虑到机器人体积结构、传动精度等因素，减速装置采用行星齿轮减速器。伺服电机采用空心轴机构，机械臂的布线从中穿过，当腰部旋转运动时不会产生线缆缠绕。机器人的腰部结构如图2所示。

腰部结构为：伺服电机和减速器通过连接法兰固定在机座上，转台轴承的外圈与机座固定，轴承内圈通过连接板与焊接底座相连接。伺服电机减速器驱动连接法兰，进而带动机座实现腰部的旋转运动。转台轴高倾斜刚度的特点，能够满足码垛的现场工作需求。承具有高轴向和径向承载能力、1．2

水平垂直运动机构设计

水平和垂直运动机构如图3所示。运动机构固定在机座上，由腰部机构带动整体旋转。图中所标注的y轴机构原理同x轴机构。伺服电机通过齿形同步带、为x轴运动机构，同步带轮带动滚珠丝杠旋转，固定在水平滑座的丝杠上的滑块在力的作用下沿直线导轨做水平运动，继而带动机械臂做相应运动

。

码垛机器人机构

第1期孙洁，等：

四轴码垛机器人的机构设计及运动分析

调机机臂腕运杆1杆连部位

码垛机器人机构

100

山东科学2011年

[y]=[lsinθ]xlcosθ

D点位置：[]=[yy+lsinθ]

E点位置：

E

CE

DD

AD

AD

xEx+lCEcosθ

（3）（4）

F点位置：

[y]

F

xF

lEF（x－x）+x

DE

lDEE = lEF （yE－yD）+yE lDE

（5）

（xE－xD）2+（yF－yD）2=lDE2

（4），（5），（6）可解得臂部末端F点的运动方程为：由式（3），

（6）

lEF

x=（lEF+1）x+（l－l）+lCE］cosθ

lDElDECEAD F

lEFlEF y=－y+（l－l）+lCE］sinθ（7） FlDElDECEAD lDE2－x2－y2－（lCE－lAD）2y

）－arcsin（ θ=arccos（ 2（lCE－lAD）+yx+y由式（7）可以看出：机器人臂部连杆机构是2输入2输出的非线性系统，机械臂末端抓手的位置、速度末端点F作水平运动的同时，还在因子cosθ影响变化相当复杂。当x轴伺服电机驱动点C作水平运动时，

下在y轴方向运动；当y轴伺服电机驱动点A作垂直运动时，点F作垂直运动的同时，还在因子sinθ影响下在x轴方向运动。这种附带运动容易引起机械臂抓手的振动，加剧机械的磨损。

当杆长参数满足条件lEF/lDE·（lCE－lAD）+lCE=0时，式（7）转化为：

{

xF=（lEF/lDE+1）·xyF=－lEF/lDE·y

（8）

y的线性函数，此时，机器人末端F点的运动为x，即x轴丝杠的水平运动引起末端F点的水平运动，放大映射系数为lEF/lDE+1；y轴丝杠的垂直运动引起末端F点的垂直运动，放大映射系数为－lEF/lDE，此时机y轴丝杠的行程和腰部的旋器人运动平稳，振动最小，因此在设计中杆长需要按上述条件确定，且根据x轴、转角度可以很方便的确定出机器人手臂末端的工作空间。

3试验验证

基于上述设计，我们制造了码垛机器人功能样机。在控制上采用工控机+多轴运动控制卡作为硬件平

台，以Windows系统为软件平台，采用PTP点位控制方式，实现机器人的码垛作业

表1Table1

动作轴4轴

［11］

。样机参数见表1。

码垛机器人功能样机参数

Parametersofstackingrobotprotoype

动作范围

负载能力

腕部旋转330°

（含抓手）/kg

50

本体重量/kg

850

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