李珂嘉，陳選文，王保建，張 璐

（西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 陜西 西安 710049）

1 引言

基于第六屆全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽“智能物流小車”項(xiàng)目[1]，根據(jù)比賽要求搬運(yùn)物料，需完成以下任務(wù)：按照預(yù)先設(shè)定的模式在特定比賽場(chǎng)地中完成相應(yīng)動(dòng)作。本文對(duì)工訓(xùn)能力競(jìng)賽的基于智能制造場(chǎng)景的物流機(jī)器人小車項(xiàng)目，提出幾點(diǎn)優(yōu)化。

2 設(shè)計(jì)目的

比賽中，機(jī)器人行至二維碼識(shí)別區(qū)，通過(guò)二維碼讀取需要搬運(yùn)的三種顏色物料的順序，再移動(dòng)到物料提取區(qū)，按照任務(wù)要求的順序依次將物料搬運(yùn)并準(zhǔn)確放置到物料存放區(qū)對(duì)應(yīng)的顏色區(qū)域內(nèi)，完成任務(wù)后機(jī)器人回到出發(fā)區(qū)域。物流小車應(yīng)該具有場(chǎng)地自主路徑規(guī)劃[2]、目標(biāo)位置識(shí)別[3]、自主移動(dòng)、二維碼讀取、物料顏色識(shí)別或形狀識(shí)別、物料抓取和搬運(yùn)等功能。

所有的設(shè)計(jì)須在完成必要比賽的前提下，在更短的時(shí)間里完成比賽流程，提高運(yùn)行穩(wěn)定性與放置準(zhǔn)確度。

鑒于此，提出機(jī)械臂與機(jī)械手的優(yōu)化[4]，最終能夠縮減抓取時(shí)間，提高抓取效率。此外驅(qū)動(dòng)底盤的優(yōu)化，能夠緩沖凹凸路面帶來(lái)的沖擊。

圖1 智能物料搬運(yùn)機(jī)器人比賽場(chǎng)地示意圖

3 機(jī)械手臂優(yōu)化

3.1 機(jī)械臂平行四邊形連桿結(jié)構(gòu)保持末端水平

為解決物料傾斜或晃動(dòng)問(wèn)題，在保證機(jī)械臂完成必要轉(zhuǎn)向與抓取任務(wù)的同時(shí)，保持放置時(shí)機(jī)械臂末端水平，此動(dòng)作要求機(jī)械臂至少有四個(gè)自由度才能完成末端水平的調(diào)整。

對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行如下優(yōu)化，機(jī)械臂采用獨(dú)特的平行四邊形連桿結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖2 所示。

圖2 機(jī)械臂平行四邊形連桿結(jié)構(gòu)

固定AB 剛性桿與地面垂直，機(jī)械臂的伸縮和升降都由連桿AC、BD 運(yùn)動(dòng)完成，與CD 剛性桿垂直固定的機(jī)械手抓系列圓弧桿件EF、GH、IJ、KL 會(huì)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中始終保持水平狀態(tài)。此過(guò)程調(diào)整機(jī)械手抓依靠的是平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)對(duì)邊平行的性質(zhì)，而不是舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度來(lái)完成，因此減少一個(gè)自由度。由此使得機(jī)械臂結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而高效，且末端質(zhì)量減輕，穩(wěn)定性更好。

3.2 采用圓盤云臺(tái)底座

在萬(wàn)向底盤中，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的轉(zhuǎn)向需要在與底盤連接的地方增加一個(gè)步進(jìn)電機(jī)，因機(jī)械臂上所有重力都由步進(jìn)電機(jī)軸來(lái)承重，當(dāng)重力不平衡時(shí)阻力會(huì)急劇增大，對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)向造成影響，見(jiàn)圖3 所示。

優(yōu)化方案：如圖4 在機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)過(guò)程中具有平衡與穩(wěn)定的作用。

圖3 傳統(tǒng)舵機(jī)云臺(tái)

圖4 優(yōu)化后的步進(jìn)電機(jī)云臺(tái)

3.3 機(jī)械手抓的優(yōu)化

機(jī)械手抓要求實(shí)現(xiàn)抓放這一動(dòng)作，即一個(gè)自由度，但工件大小形狀各不相同時(shí)，不僅要完成工件的抓取，更要抓穩(wěn)抓牢，使工件在轉(zhuǎn)運(yùn)的過(guò)程中不被破壞和滑落。

傳統(tǒng)方案1：舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)齒輪減速，見(jiàn)圖5、圖6所示。這種方法比較笨重，抓取速度較慢。

圖5 傳統(tǒng)方案

圖6 傳統(tǒng)方案

方案二：以舵機(jī)作為驅(qū)動(dòng)連桿輔助抓放的機(jī)械手，見(jiàn)圖7、圖8 所示，這種方法機(jī)械手的抓放開(kāi)度太小，鉛錘方向穩(wěn)定性過(guò)差。

圖7 傳統(tǒng)方案

圖8 傳統(tǒng)方案

優(yōu)化方案：取消齒輪傳動(dòng)和輔助連桿，將機(jī)械手連接在舵機(jī)上，在鉛錘方向并列增加了一系列與物料配套的圓弧桿件。這種方案使機(jī)械手的張度大，鉛錘方向穩(wěn)定性好。見(jiàn)圖9、圖10 所示。

圖9 優(yōu)化方案

圖10 優(yōu)化方案

4 結(jié)語(yǔ)

本文討論了在物流小車的制作過(guò)程中可能遇到的問(wèn)題以及相應(yīng)的解決方案，提出新的方案并做出創(chuàng)新性的優(yōu)化。最終簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方案，提高精度和機(jī)器人小車性能，保證機(jī)器人小車在復(fù)雜環(huán)境中的穩(wěn)定工作。