張 元 ， 黃志輝 ， 彭辰晨 ， 曹麗芳 ， 鄒 杰 ， 焦 祥

（無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 無錫 214121）

1 研究背景

零件分揀系統(tǒng)因運(yùn)作平穩(wěn)性、高效性以及安全性等突出性能，已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的一部分，被廣泛應(yīng)用于各種物料分揀的場合，甚至逐漸被應(yīng)用于一些工作環(huán)境危險的行業(yè)，如軍工、火電等行業(yè)，從而保障工作人員的安全[1-2]。手爪作為零件分揀系統(tǒng)中最后的執(zhí)行部件，是一個功能和系統(tǒng)高度集成部件，整個手爪的設(shè)計(jì)涉及多個學(xué)科知識內(nèi)容。手爪的種類有很多，從工作原理以及機(jī)械結(jié)構(gòu)的角度對手爪的類型進(jìn)行分類，如圖1所示[3-5]。

圖1 手爪的分類

目前廣泛使用的手爪都是基于各種機(jī)器人的，其工作原理也比較簡單，一般是由計(jì)算機(jī)發(fā)出指令，由機(jī)器人的手臂帶動機(jī)械手達(dá)到示教位置，即零件所在位置，然后再控制機(jī)械手手爪去夾持零件，接下來就是從A點(diǎn)到B點(diǎn)的搬運(yùn)工作，周而復(fù)始[6-7]。這種模式夾持分揀零件存在的缺點(diǎn)：每個手爪夾持的零件都是固定的大小或者形狀，抓取不同特征的零件時需要不同的手爪來完成，當(dāng)在搬運(yùn)或者其他工作過程中需要更換其他種類零件時，就需要通過機(jī)器人的行程控制，使機(jī)器人再到指定的位置更換手爪，正如數(shù)控機(jī)床作業(yè)中的換刀一樣，這樣會浪費(fèi)不少時間，不利于提高生產(chǎn)效率。為了滿足手爪對不同形狀特征零件的抓取，同時可以快速地更換手爪，節(jié)約時間，課題組基于機(jī)器視覺系統(tǒng)，從概念結(jié)構(gòu)上簡單地設(shè)計(jì)一款多功能機(jī)械手，根據(jù)分揀零件的特征，該機(jī)械手可以方便快捷地自動切換手爪。

2 建模設(shè)計(jì)

課題組設(shè)計(jì)的機(jī)械手的主要載體部分也是普通的機(jī)器人，機(jī)器人的主體部分由底座、大臂、小臂和手腕等組成[8-9]，在機(jī)器人的手臂末端設(shè)計(jì)并安裝多功能夾爪，其主要組成結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 硬件組成框架結(jié)構(gòu)圖

課題組設(shè)計(jì)的機(jī)械手主要由旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、攝像頭以及手爪三部分組成。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的作用是方便快捷地切換手爪1、手爪2和攝像頭，機(jī)械手上設(shè)計(jì)了兩種不同形狀的手爪，便于根據(jù)需求進(jìn)行切換，滿足不同形狀特征零件的抓取。其工作原理如下：機(jī)械手通過機(jī)器人手臂移動到工件待抓取的位置，攝像頭對抓取工件進(jìn)行圖像識別，從而選擇合適的手爪進(jìn)行抓取，如果待抓取工件上有兩個可夾持的平面的特征，則由旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)將手爪1旋轉(zhuǎn)到抓取位置；如果待抓取工件是球體特征，則由旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)將手爪2旋轉(zhuǎn)到抓取位置。該機(jī)械手整體設(shè)計(jì)簡單，所有結(jié)構(gòu)的建模都是在NX12.0軟件中進(jìn)行，如圖3所示。

手爪1夾持不同零件的示意圖如圖4所示，手爪2夾持不同直徑球體的示意圖如圖5所示。

圖4 手爪1工作示意圖

圖5 手爪2工作示意圖

3 機(jī)構(gòu)的運(yùn)動仿真

機(jī)構(gòu)的運(yùn)動仿真是在NX12.0軟件中完成的，機(jī)器人的運(yùn)動和機(jī)械手的運(yùn)動有先后順序，而且每個桿件的運(yùn)動都存在間歇性，所以在這里的驅(qū)動體定義，基本采用step函數(shù)來完成。桿件之間的運(yùn)動比較多，這就涉及了很多step函數(shù)[10]，具體設(shè)置又需要完全配合分揀搬運(yùn)的流程，整個分揀搬運(yùn)軌跡流程、時間以及step函數(shù)驅(qū)動的設(shè)置如下。

1）初始位置：初始位置為機(jī)器人處于停止非工作狀態(tài)時所處的位置，由機(jī)器人本身決定。

2）機(jī)械手移動到零件正上方（3 s）：機(jī)器人將機(jī)械手移動到零件正上方，同時攝像頭處于工作位置，從而進(jìn)行視覺識別。底座與大臂的運(yùn)動函數(shù)STEP(x,0, 0, 3, 60)，大臂與小臂的運(yùn)動函數(shù)STEP(x, 0, 0, 3,40)，小臂與手腕的運(yùn)動函數(shù)STEP(x, 0, 0, 3, -30)，手腕與機(jī)械手的運(yùn)動函數(shù)STEP(x, 0, 0, 3, -20)。

3）旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動（1 s）：經(jīng)過識別，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動，選擇合適的手爪，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動函數(shù)STEP(x, 0,0, 3, -120)。

4）抓取零件（1 s）：機(jī)械手向下運(yùn)動，同時手爪閉合夾緊零件，大臂與小臂的運(yùn)動函數(shù)STEP(x, 4,0, 4.5, 5)，小臂與手腕的運(yùn)動函數(shù)STEP(x, 4, 0, 4.5,-5)，手腕與機(jī)械手的運(yùn)動函數(shù)STEP(x, 4, 0, 4.5, 15)，兩個夾爪閉合的運(yùn)動函數(shù)STEP(x, 4.5, 0, 5, -25)。

5）機(jī)械手移動到收納盒正上方（3 s）：底座與大臂的運(yùn)動函數(shù)STEP(x, 5, 0, 8, -180)，大臂與小臂的運(yùn)動函數(shù)STEP(x, 5, 0, 8, -60)，小臂與手腕的運(yùn)動函數(shù)STEP(x, 5, 0, 8, 45)，手腕與機(jī)械手的運(yùn)動函數(shù)

STEP(x, 5, 0, 8, 20)。

6）放置零件（1 s）：手爪張開，放下零件，兩片夾爪張開的運(yùn)動函數(shù)STEP(x, 8, 0, 9, 25)。

7）回到初始位置（1 s）：底座與大臂的運(yùn)動函數(shù)STEP(x, 9, 0, 10, 120)，大臂與小臂的運(yùn)動函數(shù)STEP(x, 9, 0, 10, -45)，小臂與手腕的運(yùn)動函數(shù)STEP(x, 9, 0, 10, -15)，手腕與機(jī)械手的運(yùn)動函數(shù)STEP(x, 9, 0, 10, -15)，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動函數(shù)STEP(x,9, 0, 10, 120)。

抓取一個零件的時間周期約為10 s，因此可以定義求解時間為11 s，其運(yùn)動軌跡流程如圖6所示。中間的為初始位置，每分揀抓取一個零件就循環(huán)執(zhí)行一次這樣的流程。

圖6 運(yùn)動仿真軌跡圖

4 結(jié)論

課題組通過NX12.0軟件設(shè)計(jì)并建模了機(jī)器視覺系統(tǒng)中分揀機(jī)械手，并以此為研究對象，以典型零件為夾持案例，對機(jī)器人識別零件、切換機(jī)械手爪、夾持過程以及搬運(yùn)過程進(jìn)行了運(yùn)動仿真。仿真結(jié)果表明：結(jié)合了視覺識別零件特征，機(jī)械手可以自動選擇合適的手爪進(jìn)行抓取，無需再到指定位置旋轉(zhuǎn)手爪，節(jié)省了時間，運(yùn)動仿真結(jié)果從理論上驗(yàn)證了該方案的可行性。不過課題組只是設(shè)計(jì)了視覺與機(jī)械手分揀抓取零件的三維模型，還未對所有控制元器件都進(jìn)行詳細(xì)的規(guī)劃與控制，因此最終要完成實(shí)物的生產(chǎn)，還需要做很多的工作。