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      小型袋裝食品自動裝箱機器人及真空吸盤結構設計及運動仿真

      放大字體  縮小字體 發布日期:2020-02-22 09:31:37    瀏覽次數:17    評論:0
      導讀

      袋裝食品的抓起、放置及裝箱過程十分簡單但重復性很高,采用人工完成成本過高,且容易發生誤裝等操作失誤,影響產品質量。隨著社會的發展,人們對食品裝箱效率要求不斷提高,人工顯然無法滿足行業要求,因此自動裝箱機器人應運而生。通常完成這項工作采用的是串聯機器人,也就是在各個關節上安裝驅動裝置,但這樣做的缺點是

      袋裝食品的抓起、放置及裝箱過程十分簡單但重復性很高,采用人工完成成本過高,且容易發生誤裝等操作失誤,影響產品質量。隨著社會的發展,人們對食品裝箱效率要求不斷提高,人工顯然無法滿足行業要求,因此自動裝箱機器人應運而生。通常完成這項工作采用的是串聯機器人,也就是在各個關節上安裝驅動裝置,但這樣做的缺點是運動慣量較大,導致運動緩慢,影響裝箱效率。在這種情況下,并聯裝箱機器人應運而生。與串聯機器人不同的是,并聯裝箱機器人的驅動裝置是安裝于機架上,所以運動慣性較小,因此可以實現機械手臂的高速運動。目前,并聯機器人往往被用到需要快速、精確完成任務的場合中,在食品袋抓取的應用中較為少見[1]。

      1988年,Clavle[2]發明了Delta機器人,隨后被用于包裝分揀等行業。Nabat等[3]在此基礎上發明了一種四自由度并聯機器人,但由于具有極高的運動速度,因此在穩定性方面有所欠缺。在裝箱作業中,孟維健等[4]設計了一種二自由度并聯拾放機器人,僅用于平面內產品的拾放。為了解決小型袋裝食品在非平面空間內裝箱的問題,本研究擬設計一種四自由度并聯機器人,與只有1條運動支鏈的串聯機器人相比,它的機械結構相對封閉,靜平臺與末端的機械臂之間采用2條獨立運動的支鏈相連接,因此,承載能力更強,自身重量更輕,并且運動速度和精度均有所提高。

      1 四自由度并聯機器人結構設計

      此裝箱機器人主要針對體積為55 mm×30 mm×6 mm、額定重量為60~100 g的小型無規則放置的袋裝食品,目的是將其規則地裝入食品箱中,按照不同的食品種類,有4排5列和4排6列2種不同的裝箱要求。

      1.1 四自由度并聯機器人性能參數確定

      此并聯機器人有4個自由度,也就是說它可以在X軸、Y軸、Z軸方向移動,并且可以環繞Z軸進行轉動;機器人定位精度要求誤差不超過1 mm,最大加速度要求100 m/s2,最大速度要求5 m/s;同時機器人的工作區間范圍要滿足直徑600 mm,高度160 mm。

      1.2 并聯拾放機器人機械結構

      四自由度并聯機器人原型選擇Delta并聯機構,它具有3個自由度,并且擁有3組完全相同的平行四邊形支鏈結構[5],同時,外傳動驅動也使得動平臺和靜平臺隨時保持平行,這樣保證了其可以在三維空間內高速運動。與此同時,該并聯機器人的靜平臺還安裝有1個驅動,可以保證機器手臂進行旋轉。

      接著采用Pro/E軟件對裝箱機器人進行建模[6]。按照上文描述的結構參數和結構原型,可以確定此并聯機器人主要由以下幾部分組成:動平臺、靜平臺、3組機械臂、真空吸盤、可伸縮的轉軸。其中機械臂均由主動部分和從動部分組成,且3組要求完全相同并且各自獨立。主動部分與靜平臺上的旋轉驅動電機連接,從動部分與動平臺和主動部分連接,具體如圖1所示。

      1. 靜平臺 2. 步進電機 3. 萬向節 4. 虎克鉸 5. 末端吸盤 6. 動平臺 7. 伸縮桿 8. 從動臂 9. 主動臂 10. 伺服電機

      圖1 并聯拾放機器人結構示意圖

      Figure 1 A schematic diagram of the structure of a parallel pickup and discharge robot

      裝箱機器人在工作時,在控制器的指令下,伺服電機與步進電機同時進行弧形運動,接著伺服電機通過旋轉驅動機構帶動主動臂運動,同時驅動從動臂運動,使并聯機器人完成在X軸、Y軸、Z軸3個方向上的平行運動;而步進電機則帶動機械人末端的吸盤,從而實現機器人沿Z軸方向的旋轉運動。

      2 四自由度并聯機器人動作軌跡規劃

      機器人在運動過程中的位置、運動距離、速度等指標合稱為機器人的運動軌跡??疾鞕C器人運動軌跡對衡量其運動精確度、穩定度、速度等有著重要的意義。因此,需要科學設計機器人的運動軌跡,以保證機器人快速準確地完成裝箱工作。

      2.1 直角坐標中的軌跡規劃研究

      在直角坐標中對裝箱機器人的運動軌跡進行規劃,就是設計其機械臂的運動位置、運動速度,并考察裝箱機器人隨時間的變化情況[7],使得機械臂按照袋裝食品裝箱的要求進行準確合理的運動。

      在直角坐標系中,袋裝食品裝箱機器人機械臂的移動路徑是“上升—平移—下降”的過程,其運動軌跡共有3段,見圖2。

      圖2 袋裝食品裝箱機器人移動路徑

      Figure 2 Mobile path of packing robot in bagged food

      如圖2所示,假設在機器人運動過程中軌跡為XOY平面,機器人需要在P點抓取食品袋,然后抬起60 mm到A點,再平移200 mm到B點,接著下降60 mm,將食品袋放置于食品箱Q點內。

      結合路徑規劃,設T1為機械臂從P點運動到A點的時間,S1為這段運動的位移,在此設定S1=60 mm;設T2為機械臂從A點運動到B點的時間,S2為這段運動的位移,在此設定S2=200 mm;設T3為機械臂從B點運動到Q點的時間,S3為這段運動的位移,在此設定求S3=60 mm;

      機器人機械臂沿PA、AB、BQ運動的運動軌跡都采用修正的梯形方式,總運行時間T按式(1)計算:

      (1)

      式中:

      s——移動距離,m;

      amax——最大加速度,m/s2。

      結合1.1中關于最大加速度amax=100 m/s2的規定,根據式(1)可計算得到3個階段各自的運行時間:T1=0.054 s,T2=0.099 s,T3=0.054 s。

      2.2 基于Adams運動規劃仿真驗證

      基于以上規劃函數,采用Pro/E建立機器人的模型,并且采用Adams軟件進行運動仿真,這樣可以更加清晰地看到此并聯裝箱機器人的運動過程,同時可以計算出機械臂在運動過程中的運動參數,從而判斷該機器人是否能夠滿足自動抓取、移動、放置等裝箱要求,同時判斷其運動的準確性和平穩性。機器人仿真分析流程圖見圖3。

      圖3 機器人運動仿真規劃流程圖

      Figure 3 Flow chart of robot motion simulation planning

      在Pro/E中建立袋裝食品裝箱機器人三維模型,并將結果導入到Adams/View軟件中。在Adams/View軟件中對機器人各個部件的材料、質量、體積等進行定義[8],接著根據機器人各部件之間的運動關系確定約束條件。靜平臺與大地固定連接,且靜平臺和3個主動臂之間需要添加轉動副;主動臂與從動支鏈間也需要添加轉動副。添加完成后,機器人的仿真模型便完成。

      接著對機器人進行運動軌跡的規劃,由于前文已給出了機械臂運動過程中各個階段的位移S1、S2、S3和運動時間T1、T2,T3,可以計算出機器人在整個運動流程中所需的總時間T=0.207 s,因此在設置仿真時間時填寫0.207 s,運動步數為400。以上工作完成后,對機器人進行運動軌跡的仿真試驗。

      2.3 軌跡仿真結果分析

      袋裝食品裝箱機器人的機械臂在X、Y、Z 3個方向上運動位移隨時間變化曲線見圖4,在X、Y 2個方向上運動速度隨時間變化曲線見圖5。

      圖4 機械臂位移隨時間變化曲線

      Figure 4 Time change curve of the displacement of the manipulator

      圖5 機械臂速度隨時間變化曲線

      Figure 5 The curve of the speed of the manipulator with time

      從圖4可以看到,機械臂行走的軌道為預先設定好的3段路徑,并且運動的曲線平滑,運動穩定。從圖5中可以看到,機械臂的運行速度完全按照預先設定的修正梯形模式在變化,并且在拐點處過度平滑,沒有突兀變化。

      從圖4中還可以看出,機械臂沿X軸方向的最大速度為4.1 m/s,沿Y軸最大速度為2.3 m/s,與期初設定的最大允許速度5 m/s相比,均小于最大允許速度。也就是說,在設定和路徑規劃的情況下,袋裝食品裝箱機器人的機械臂在完整的運動過程中均表現良好,運行穩定、精確且幾乎無振動,滿足設計要求。

      3 結語

      設計的袋裝食品自動裝箱機器人結構合理,可以準確快速地完成抓取、移動與放置等工作,滿足預期要求。相對于串聯型機器人提高了其運動精度與速度,但該研究目前僅停留在樣機階段,接下來應進一步研究機電耦合特性對控制系統的影響,從而提高控制系統與機械系統的配合精度,完善四自由度并聯機器人的操控性,以期得到大規模的生產應用。

      參考文獻

      [1] 裴學勝, 程超然. 工業設計在食品機械中的應用[J]. 食品工業, 2015(5): 198-200.

      [2] 倪鶴鵬, 劉亞男, 張承瑞, 等. 基于機器視覺的Delta機器人分揀系統算法[J]. 機器人, 2016, 38(1): 49-55.

      [3] 高駿, 王攀峰. 一種新型4自由度高速并聯機器人設計方法[J]. 機械設計, 2017(8): 6-12.

      [4] 孟維健, 張艷偉, 程建豪, 等. 一種裝箱作業并聯機器人機構的運動性能[J]. 包裝工程, 2017, 38(5): 72-77.

      [5] 李淵, 余躍慶. 柔順關節并聯機器人動力學模型[J]. 農業機械學報, 2015, 46(7): 345-353.

      [6] 盛連超, 李威, 劉玉飛, 等. 基于Pro/E和ADAMS的3-RRR并聯平臺運動學與動力學研究[J]. 組合機床與自動化加工技術, 2015(6): 5-7.

      [7] 徐官南, 張中輝, 夏慶觀. Delta并聯機器人運動學分析[J]. 機械制造與自動化, 2015, 44(6): 160-162.

      [8] 馬志燕. 基于 Pro/E 骨架模型的工件抓取輸送機構運動分析及優化[J]. 機械與電子, 2015(8): 10-13.


       
      (文/小編)
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