一種四自由度碼垛機器人機構和運動分析

1 前言

　　隨著物流、食品和石化等行業的不斷發展，碼垛機器人發揮著越來越重要的作用，它不僅可以準確、高效地完成碼垛作業，而且可以降低工人的勞動強度，提高生產效率。

　　目前，國外主要機器人廠家，如ABB、FANUC等，均有較為完善的碼垛機器人產品系列，壟斷了國內外市場；而國內，碼垛機器人的研究起步不久，還未有成熟的，產業化的碼垛機器人產品出現。本文研究了ER300碼垛機器人結構特點及運動空間，展現了一般碼垛機器人與六自由度機器人的結構差異和運動空間形成方式。

　　2 碼垛機器人機構分析

　　基于碼垛任務的實際需要，碼垛機器人通常具有四自由度。與一般垂直型六自由度串聯工業機器人的結構不同，碼垛機器人通過在肩部串聯兩個平行四邊形結構使得腕關節旋轉軸始終與地面垂直，從而使被抓持物始終處于水平狀態；腕部結構簡單，沒有復雜的姿態調整結構。目前，碼垛機器人使用較為廣泛的結構之一，如圖1所示：

　　將圖1中三維模型進一步簡化為桿件連接（略去了1軸和平衡缸），如圖2所示，A點為機器人2軸，B點為復合鉸鏈，通過三角架分別與大臂和大臂副桿，與小臂和小臂副桿組成串聯的平行四邊形結構，使得運動過程中手腕體回轉軸始終與地面保持垂直，從而手腕體中心D點相對小臂末端C點位置也保持不變。

　　此外，ER300機器人采用了將3軸電機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、手腕體和負載等組件關于3軸的轉矩M,但小臂不與大臂耦合旋轉，在很大程度上簡化機器人的運動方式和控制方法。

　　鑒于ER300碼垛機器人沒有復雜的耦合運動，本文不采用傳統的D-H方法進行計算。為研究計算D點運動可達空間，這里將全局坐標系原點O0固定在1軸與地面的交點處，Y0與1軸重合，其余局部坐標系如圖2所示

　　在全局坐標系中，各關節點坐標與關節旋轉角之間的換算關系如下：

　　其中，R、H分別為1軸回轉半徑和底座高度；L2、L3分別為大臂和小臂長度；、分別為大臂相對Y1軸旋轉角度，小臂相對X2軸旋轉角度，本文規定逆時針旋轉為正向；S為長。

　　零位時，2軸和3軸的旋轉范圍分別，.為保護碼垛機器人末端平行四邊形結構，防止桿件間發生干涉，ER300為小臂與三角架之間設定的安全角度為（如圖3所示）。因此，小臂旋轉角范圍與大臂旋轉角函數關系為：

　　圖3展現了在2軸兩個極限位置時，小臂與三角架之間的最大和最小的安全角度。