1 前言

隨著物流、食品和石化等行業(yè)的不斷發(fā)展，碼垛機(jī)器人發(fā)揮著越來越重要的作用惨缆，它不僅可以準(zhǔn)確、高效地完成碼垛作業(yè)丰捷，而且可以降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度坯墨，提高生產(chǎn)效率。

目前病往，國(guó)外主要機(jī)器人廠家捣染，如ABB、FANUC等狐兴，均有較為完善的碼垛機(jī)器人產(chǎn)品系列血沦，壟斷了國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)；而國(guó)內(nèi)伦捐，碼垛機(jī)器人的研究起步不久野言，還未有成熟的，產(chǎn)業(yè)化的碼垛機(jī)器人產(chǎn)品出現(xiàn)孟庵。本文研究了ER300碼垛機(jī)器人結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及運(yùn)動(dòng)空間近窟，展現(xiàn)了一般碼垛機(jī)器人與六自由度機(jī)器人的結(jié)構(gòu)差異和運(yùn)動(dòng)空間形成方式。

2 碼垛機(jī)器人機(jī)構(gòu)分析

基于碼垛任務(wù)的實(shí)際需要补蠢，碼垛機(jī)器人通常具有四自由度伦颊。與一般垂直型六自由度串聯(lián)工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)不同，碼垛機(jī)器人通過在肩部串聯(lián)兩個(gè)平行四邊形結(jié)構(gòu)使得腕關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸始終與地面垂直姜架，從而使被抓持物始終處于水平狀態(tài)青弃；腕部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒有復(fù)雜的姿態(tài)調(diào)整結(jié)構(gòu)隙譬。目前卖氨，碼垛機(jī)器人使用較為廣泛的結(jié)構(gòu)之一，如圖1所示：

碼垛機(jī)器人使用較為廣泛的結(jié)構(gòu)

將圖1中三維模型進(jìn)一步簡(jiǎn)化為桿件連接（略去了1軸和平衡缸）负懦，如圖2所示筒捺，A點(diǎn)為機(jī)器人2軸，B點(diǎn)為復(fù)合鉸鏈，通過三角架分別與大臂和大臂副桿系吭，與小臂和小臂副桿組成串聯(lián)的平行四邊形結(jié)構(gòu)五嫂，使得運(yùn)動(dòng)過程中手腕體回轉(zhuǎn)軸始終與地面保持垂直，從而手腕體中心D點(diǎn)相對(duì)小臂末端C點(diǎn)位置也保持不變肯尺。

此外沃缘，ER300機(jī)器人采用了將3軸電機(jī)和減速器均固定在三角架上的安裝方式。該種連接方式使得三角架和大臂副桿承受了小臂蟆盹、手腕體和負(fù)載等組件關(guān)于3軸的轉(zhuǎn)矩M,但小臂不與大臂耦合旋轉(zhuǎn)孩灯，在很大程度上簡(jiǎn)化機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式和控制方法。

鑒于ER300碼垛機(jī)器人沒有復(fù)雜的耦合運(yùn)動(dòng)逾滥，本文不采用傳統(tǒng)的D-H方法進(jìn)行計(jì)算峰档。為研究計(jì)算D點(diǎn)運(yùn)動(dòng)可達(dá)空間，這里將全局坐標(biāo)系原點(diǎn)O0固定在1軸與地面的交點(diǎn)處寨昙，Y0與1軸重合步蛮，其余局部坐標(biāo)系如圖2所示

局部坐標(biāo)系

在全局坐標(biāo)系中，各關(guān)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)與關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角之間的換算關(guān)系如下：

其中殉扒，R西寸、H分別為1軸回轉(zhuǎn)半徑和底座高度；L2缕粗、L3分別為大臂和小臂長(zhǎng)度枢慰；、分別為大臂相對(duì)Y1軸旋轉(zhuǎn)角度侧蜗，小臂相對(duì)X2軸旋轉(zhuǎn)角度艾维，本文規(guī)定逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正向；S為長(zhǎng)杉朝。

零位時(shí)赠戏，2軸和3軸的旋轉(zhuǎn)范圍分別，.為保護(hù)碼垛機(jī)器人末端平行四邊形結(jié)構(gòu)羹圣，防止桿件間發(fā)生干涉安粤，ER300為小臂與三角架之間設(shè)定的安全角度為（如圖3所示）。因此拼岳，小臂旋轉(zhuǎn)角范圍與大臂旋轉(zhuǎn)角函數(shù)關(guān)系為：

圖3展現(xiàn)了在2軸兩個(gè)極限位置時(shí)枝誊，小臂與三角架之間的最大和最小的安全角度。

3 ADAMS運(yùn)動(dòng)模擬

ADAMS是對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)進(jìn)行仿真計(jì)算的經(jīng)典軟件惜纸。為進(jìn)一步展示碼垛機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)空間形式叶撒，本文將solidworks建立的碼垛機(jī)器人三維模型導(dǎo)入ADAMS,對(duì)機(jī)器人進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)模擬，其最大運(yùn)動(dòng)空間剖面軌跡如圖4所示堪簿，該軌跡線反應(yīng)了一般碼垛機(jī)器人的最大運(yùn)動(dòng)空間結(jié)構(gòu)。

最大運(yùn)動(dòng)空間剖面軌跡

在完成上述圖4-（b）的模擬中，2軸和3軸Motion驅(qū)動(dòng)角速度如圖5所示：

2軸和3軸Motion驅(qū)動(dòng)角速度

結(jié)合圖4和圖5可進(jìn)一步看出椭更，ER300機(jī)器人特定的結(jié)構(gòu)使其在運(yùn)動(dòng)過程中哪审，大小臂之間沒有復(fù)雜的耦合運(yùn)動(dòng)，簡(jiǎn)化了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式及控制方法虑瀑。

仿真結(jié)果也顯示湿滓，在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中，大臂副桿在某些位置承受了較大的拉力舌狗。由理論分析可知叽奥，當(dāng)轉(zhuǎn)矩M不變，大臂副桿的拉力F與其關(guān)于3軸的力臂L成反比例函數(shù)痛侍，從而在某些特定位置塘袍，力臂L的較小變化會(huì)導(dǎo)致F大幅變化。因此葱山，在機(jī)器人設(shè)計(jì)過程中要充分保證大臂副桿及其組件的強(qiáng)度與剛度绑接，以保證機(jī)器人的可靠性和準(zhǔn)確性。

4 運(yùn)動(dòng)空間數(shù)值計(jì)算

為準(zhǔn)確計(jì)算并驗(yàn)證碼垛機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)可達(dá)空間近陈，本文采用了ER300碼垛機(jī)器人的基本參數(shù)：R=400mm,H=835.5mm,L2=1250mm,L3=1300mm,W=225mm.利用matlab編程計(jì)算并繪制了碼垛機(jī)器人手腕體D點(diǎn)的理論運(yùn)動(dòng)可達(dá)空間剖面柑汇，如圖6所示：

理論運(yùn)動(dòng)可達(dá)空間剖面

計(jì)算結(jié)果顯示，當(dāng)時(shí)紊埂，機(jī)器人末端中心D點(diǎn)達(dá)最大工作空間最高點(diǎn)豫狸；當(dāng)時(shí)，機(jī)器人末端中心D點(diǎn)達(dá)最大工作空間最低點(diǎn)庶消；當(dāng)時(shí)赂裁，機(jī)器人達(dá)最大臂展位置，這三點(diǎn)位置決定了碼垛機(jī)器人本體分別在垂直和水平方向上的最大碼垛范圍鞋倔，是衡量碼垛機(jī)器人工作性能的重要參數(shù)老玲。

再與ADAMS模擬的運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算結(jié)果對(duì)比，并分別考慮ADAMS模擬的軌跡求解精度誤差和離散計(jì)算方法的誤差因素除呵，模擬結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果基本和設(shè)計(jì)目標(biāo)一致再菊，均能夠達(dá)到最大臂展為3175mm,Y方向搬運(yùn)高度3104mm的要求。

分別與ABB的IRB660-180颜曾、KUKA的KR180-2PA和KAWASAKI的ZD130S工作空間對(duì)比纠拔，結(jié)果顯示在ER300的基本參數(shù)下，運(yùn)動(dòng)空間與上述同類機(jī)器人基本重合泛豪，能夠達(dá)到市場(chǎng)的一般需求（臂展稠诲、碼垛高度等）。

5 結(jié)論

本文通過對(duì)ER300碼垛機(jī)器人機(jī)構(gòu)的分析诡曙，展現(xiàn)了一般碼垛機(jī)器人的桿件關(guān)系臀叙、運(yùn)動(dòng)形式；說明了該種機(jī)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也點(diǎn)出了其在設(shè)計(jì)過程中需要注意的問題劝萤；分別模擬和計(jì)算了碼垛機(jī)器人的最大運(yùn)動(dòng)空間渊涝，驗(yàn)證了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)形式。

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