基于高速重载码垛机器人的机构优化及运动轨迹优化

吴刚

摘要：高速重载码垛机器人具有人工码垛所无法比拟的快速性、准确性、持续性和一致性.随着高速重载码垛机器人在汽车、冶金、物流等行业的广泛应用，日益加快的工业生产节奏和不断提高的码垛质量要求（如定位精度、堆放平稳度等），对高速重载码垛机器人的机构优化提出了更为苛刻的要求.针对高速重载码垛机器人高速、高精度、大负载的工作特性，有必要从高速重载码垛机器人的工作特性出发，对高速重载码垛机器人的大小臂、腰部以及腕部等重要构造进行机构优化[1].

关键词：高速重载;码垛机器人;机构优化

中图分类号：TP242  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2019）06-0072-02

1 引言

本文以高速重载码垛机器人的工作特性为切入点，主要分析如何优化高速重载码垛机器人的的大小臂、腰部以及腕部等机构.通过机构优化减轻高速重载码垛机器人本体的重量，使机器人在运动过程中更加平稳，使机器人的柔性性能有所提高，更好地实现高速重载码垛机器人能够在低能耗、最优化的基础上，提高末端执行机的操作速度，完成各种各样具体操作任务的功能性运动.

2 高速重载码垛机器人的机构优化

本文针对高速重载码垛机器人的机构优化，主要对其大臂和小臂、腰部以及腕部等组成部分来进行优化分析.高速重载码垛机器人的简化结构图如图1所示.底座是高速重载码垛机器人的安装固定部分，执行机构和驱动装置都安装在底座上.大臂和小臂是执行机构中的主要运动部件，用来支撑腕关节和手部，并使它们在工作空间内运动.腕部是联结臂部与手部的部件，用于调整手部的方向和姿态.

2.1 大臂和小臂优化

高速重载码垛机器人的重要组成部分之一是其机构的大臂和小臂，高速重载码垛机器人的刚度受其大臂和小臂的刚度决定，机构整体的柔韧度受其大臂和小臂的柔韧度决定，因此高速重载码垛机器人的大臂和小臂在很大程度上直接影响机器人的性能[2].大臂主要做前后的摆动动作，通过与腰部连接的电机实现，大臂的受力图及弯矩图如图2所示.

大臂的横截面为矩形.在优化高速重载码垛机器人的大臂后端部分时可以设置通孔，将其后端部分的通孔从后端机构中导入，导入后就可以与其前端的连杆进行连接，通过这样的方法来减轻前端的受力程度，进而维护机构的刚度.机构的大臂一面与腰部相连，一面与小臂相连.在与小臂的连接处舵机装在大臂上，方便控制小臂的运动.小臂的机构相较于大臂稍简单，两端呈对称机构，机器人小臂的前段机构变形不明显，受力不大，后段机构变形明显，受力较大，小臂的受力图及弯矩图如图3所示.在优化高速重载码垛机器人的小臂后端部分时，可以在机构小臂的前端机构部分设置通孔，再将其后端部分的通孔从前端机构中导入，导入后保证与其后端机构部分的连杆连接，以此种方法来减轻后端机构部分的受力程度，进而维护机构的刚度[2].

2.2 腰部优化

高速重载码垛机器人的腰部承载着大臂、小臂以及其他部件的重量，安装在腰部一侧的舵机用来实现大臂的前后运动.腰部的旋转靠安装在底座中的舵机完成，舵机与腰部间的联轴器通过键连接与腰部联结.在优化高速重载码垛机器人的腰部机构时，中间部分设计成部分中空，目的是减轻机身重量.

2.3 腕部优化

高速重载码垛机器人的腕部的主要作用是利用舵机控制手爪的工作，并有自己的工作范围.高速重载码垛机器人的腕部一般主要由以下几个零部件组成，分别是用于固定高速重载码垛机器人腕部的固定铰链、滑杆、几何体以及弹性支撑架等4个零部件组成.受其组成结构的影响，各个零部件的刚度是不能通过公式进行直接计算的，腕部的各个零部件中的缺陷只能通过静力分析这种方法来进行查找.要想维持高速重载码垛机器人腕部的刚度，可以在腕部的滑杆与几何体之间加上一个加强筋，合理缩短位移距离，从而达到优化效果[3].

3 高速重载码垛机器人的运动轨迹优化

非线性系统的最优控制问题是高速重载码垛机器人运动轨迹优化问题的本质所在.鉴于最优控制问题引申出的解决方法有古典变分法以及轨迹优化等方法.最优控制问题的公式如（3-1）所示.

一些研究人员在对高速重载码垛机器人的运动轨迹优化的研究过程中，在现有研究成果的基础上不断总结和深化，陆续提出了路径最短、时间最短以及能量最优等运动轨迹优化的性能要素.高速重载码垛机器人的最优运动轨迹优化的积分公式如（3-2）所示.

Ei=ψi（t）|dt，i=1，2，…，n   公式（3-2）

Ei表示进行运动轨迹优化时第i个关节从起始点运行到终止点所消耗的能量，tg表示进行机器人运动轨迹优化时运行的总时间，ψi（t）表示机器人进行运动轨迹优化时第i个关节的力矩随时间变化的函数，n表示机器人进行运动轨迹优化时的关节数.

在进行高速重载码垛机器人的运动轨迹优化时，首要目标就是要控制好目标点的移动.在控制目标点移动的过程中，可以通过电机来控制其移动方向以及运动速度.

目标点的选定要考虑两个方面：一方面，在选定重物拿起点与码垛点时要事先控制好试教点的位置;另一方面，在选定重物拿起准备点与码垛准备点时要事先进行精确地计算，并且在选定码垛准备点时要以重物的堆放类型为依据.在进行高速重载码垛机器人的运动轨迹优化时要满足如下四个方面：

（1）高速重载码垛机器人在实际工作时的运行轨迹一定要包含四个目标点;

（2）在进行高速重载码垛机器人的运动轨迹优化时，其运动轨迹的运行中不仅要包括转角行程，而且还要包括曲线行程;

（3）在实际运行轨迹中包含的四个目标点之间的间隔距离要保证相等;

（4）使用插补法实现高速重载码垛机器人的运动轨迹进行的最优化[4].

在满足上述四个方面的基础上，高速重载码垛机器人的运行轨迹优化中包含的四个目标点如图4所示.

4 结束语

本文除了介绍高速重载码垛机器人的机构优化，还在此基础上进而提出运动轨迹的优化，使机器人的各部分机构在强度和刚度上能够满足工作的要求，更好地控制机器人的移动方向以及运动速度的前提下确定好移动的目标.

参考文献：

〔1〕马清伍.高速重载码垛机器人动态特性分析及机构优化研究[D].哈尔滨工业大学，2015.

〔2〕杨天存.重载码垛机器人前臂有限元分析及拓扑优化[J].机械，2017，44（1）：51-54.

〔3〕夏正亚.码垛机器人动力系统控制与轨迹优化研究[D].南京理工大学，2017，19（2）：123-123.

〔4〕郭瑞峰，李巖鹤，史世怀.关节型码垛机器人轨迹规划及运动学研究[J].机械设计与制造，2017，12（1）：76-78.

〔5〕郭大宝，梅涛，骆敏舟，冯宝林，赵江海.老人服务机器人机械臂的动力学分析与轻量化设计研究[J].中国机械工程，2012（10）.

〔6〕李伟平，王世东，周兵，张利轩，马义超.基于响应面法和NSGA-Ⅱ算法的麦弗逊悬架优化[J].湖南大学学报（自然科学版），2011（06）.