CN108297130A - 一种用于码垛机器人的减重方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于码垛机器人的减重方法，属于工业机器人领域，该方法具体为：构建码垛机器人的简化模型，分别在大臂和腰部间添加第一弹簧、小臂和腰部间添加第二弹簧，通过力学分析计算所需第一、第二弹簧的刚度，使提升物体重力得到补偿，减小腰部两驱动电机的力矩。该方法采用弹簧实现被动平衡，能够减小机器人关节上电机力矩，设计机器人时可以选用较小型号的电机，也可以在一定程度上减小机械臂局部应力，进而减小机械臂重量，减轻机器人整体的重量。本方法原理简单，容易实现，通用性强，成本低廉，占用空间小，可以在工作空间狭小的情况下达到良好的减重效果。

Description

一种用于码垛机器人的减重方法

技术领域

本发明属于工业机器人领域，具体涉及一种用于码垛机器人的减重方法。

背景技术

现如今，码垛机器人发挥着越来越重要的作用，在物流、制造、军事等行业应用得越来越广泛。但是，码垛机器人的质量普遍较大，很多工作环境要求占用空间小、机器人质量小，这种工作环境有可能限制码垛机器人等工业机器人的发展，因此，减重方法是设计码垛机器人时迫切需要的。

具体而言，码垛机器人质量主要有两部分组成，一部分是机器人连杆质量，另一部分是电机质量。针对机器人连杆部分的减重，现在有很多较成熟的轻量化方法，例如材料轻量化、形状轻量化、制造轻量化、设计轻量化、功能轻量化等。较常用的方法是材料轻量化和形状轻量化，即采用较轻的材料和掏空工作时应力较小部位的材料，但是这都以牺牲刚度和强度为代价，对于需要承担较大载荷的码垛机器人来说，这两种办法能够减轻的重量非常有限。

所以，寻找其他减重方法尤其重要，对于电机这一标准件，减重的方法就是选择小型号的电机，为了满足工作需要，需要减小电机所承受的工作力矩，因此，需要机器人所持物体的重力能够全部或部分直接传递到腰部。现如今有一些静平衡、重力补偿的方法用于减小电机力矩，但是基本是针对小型关节型机器人而言，或者需要复杂的控制系统，对于码垛机器人，还没有成熟的静平衡、重力补偿的办法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于码垛机器人的减重方法，通过补偿码垛机器人工作过程中重物重力作用，减小电机工作力矩，减小电机尺寸，进而减轻码垛机器人整体重量。该方法原理简单，容易实现，通用性强，成本低廉，占用空间小。

本发明为解决技术问题，所采用的具体技术方案如下：一种用于码垛机器人的减重方法，该方法具体为：构建码垛机器人的简化模型，分别在大臂和腰部间添加第一弹簧、小臂和腰部间添加第二弹簧，通过力学分析计算所需第一、第二弹簧的刚度，使提升物体重力得到补偿，减小腰部两驱动电机的力矩。

作为一种优选方式，通过计算对比使用该方法前后的驱动电机力矩，验证方法的正确性，利用SolidWorks和Adams仿真验证计算结果的正确性。

作为一种优选方式，所述通过力学分析计算所需弹簧刚度，具体如下：

绘制力学模型，视机械臂质量均匀分布，根据建立的简化模型对机器人进行受力分析，在臂部运动过程中，电机力矩呈正弦或余弦变化，计算工作状态下使驱动电机力矩最小的弹簧刚度，根据弹簧能达到的最大变形量选取能够达到工作要求的弹簧，驱动小臂的电机力矩为：

驱动大臂的电机力矩为：

式中T₁、T₂为驱动小臂和大臂的电机力矩，F_L1为上臂在上臂与辅助臂连接处受力，L1为上臂与大臂连接处到上臂与辅助臂连接处距离，L2为上臂与大臂连接处到上臂与末端连接处距离，L3为上臂与大臂连接处到大臂电机的距离，r1为第一弹簧与小臂连接点到小臂电机的距离，r2为第二弹簧与大臂连接点到大臂电机的距离，a为第一弹簧与腰部连接点到小臂电机的距离,为大臂与竖直方向的夹角，θ为小臂与水平方向的夹角，G为重物与手爪总重量， m为上臂质量，m’为大臂质量，g为重力加速度，k₁为第二弹簧的刚度，k₂为第一弹簧的刚度，x₀为第二弹簧原长。

作为一种优选方式，所述通过计算对比使用该方法前后的驱动电机力矩，验证方法的正确性，具体如下：

对比添加弹簧前和添加弹簧后的电机驱动力矩，针对一些特殊位置，通过理论计算验证该方法是否起到减少电机力矩的作用，将计算公式写入MATLAB进行计算，得出一系列工作位置的电机力矩值，使用plot命令绘制力矩图，观察补偿后电机力矩是否比补偿前小。

作为一种优选方式，所述利用SolidWorks和Adams仿真验证计算结果的正确性，具体如下：

通过理论计算验证以后，利用SolidWorks建模并且对码垛机器人工作过程进行Motion分析，计算在各工作位置上电机的力矩，调出力矩图；将SolidWorks模型存为.xmt_txt格式，用Adams打开，添加约束及载荷，同时约束住影响正常仿真过程的主动关节，生成电机驱动力矩图表，查看添加弹簧前后电机力矩是否得到减小，将SolidWorks结果和Adams结果进行比较，查看是否有很大的差异，验证方法的正确性，将两个软件的仿真结果与计算结果进行对比，验证计算结果的正确性。

本发明的有益效果如下：该方法采用弹簧实现被动平衡，能够减小机器人关节上电机力矩，设计机器人时可以选用较小型号的电机，也可以在一定程度上减小机械臂局部应力，进而减小机械臂重量，减轻机器人整体的重量。并通过理论计算、SolidWorks和Adams仿真验证，验证计算结果的正确性。本方法原理简单，容易实现，通用性强，成本低廉，占用空间小，可以在工作空间狭小的情况下达到良好的减重效果。

附图说明

图1为本发明中码垛机器人添加弹簧后结构简图；

图2为本发明中大臂补偿前大臂电机SolidWorks仿真力矩图；

图3为本发明中大臂补偿后大臂电机SolidWorks仿真力矩图；

图4为本发明中大臂补偿前后大臂电机Adams仿真力矩图，其中实线表示补偿前结果，虚线表示补偿后结果(SolidWorks仿真结果正负号与Adams仿真结果正负号不影响仿真结果的正确性)；

图5为本发明中大臂补偿前小臂电机SolidWorks仿真力矩图；

图6为本发明中大臂补偿后小臂电机SolidWorks仿真力矩图；

图7为本发明中大臂补偿前后小臂电机Adams仿真力矩图，其中实线表示补偿前结果，虚线表示补偿后结果(SolidWorks仿真结果正负号与Adams仿真结果正负号不影响仿真结果的正确性)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明，因便于更好地理解。本发明中的技术特征在不相互冲突的前提下，均可进行相互组合，不构成限制。

本发明中所涉及的部分名词含义如下：

码垛机器人指将物料或者经过包装或未经包装的规则物品按一定顺序放置在指定位置的机器人，通常主要由两个平行四边形机构组成。

简化模型是指用一些简单的几何元素的组合所构成的图形，该图形能够准确地表示被表示者的工作原理、尺寸，近似地表示被表示者的形状。码垛机器人包括机座1、腰部2、小臂 5、辅助臂6、大臂7、上臂8、第一驱动电机、第二驱动电机，腰部2设置在机座1上，大臂7的一端与腰部2枢接，第一驱动电机驱动大臂7绕腰部2转动，大臂7的另一端与上臂 8的中段枢接，小臂5的一端与腰部2枢接，第二驱动电机驱动小臂5绕腰部2转动，小臂5 的另一端与辅助臂6的一端枢接，辅助臂6的另一端与上臂8一端枢接，小臂5、辅助臂6、上臂8和大臂7构成平行四边形；本发明分别在大臂7和腰部2间添加第一弹簧4、小臂5 和腰部2间添加第二弹簧3。

以双平行四边形码垛机器人为例，本发明具体实施过程如下：

(1)构建力学模型

构建码垛机器人的简化模型，将三维模型简化为二维模型，视各臂为连杆，用直线代替，分别在大臂7和腰部2间添加第一弹簧4、小臂5和腰部2间添加第二弹簧3，如图1所示。通过分离法分析上臂8、辅助臂6、大臂7、小臂5的受力方向及力矩方向，因为辅助臂6质量较小，为简化计算假设辅助臂6质量为0且为二力杆。假设连接大臂7和腰部2的弹簧3 变形方向为竖直方向，假设连接小臂5和腰部2的第一弹簧4作用力方向垂直于小臂5，视连杆质量均匀分布，重心与连杆中心重合。

(2)理论计算

根据构建的力学模型，通过静力学分析，选取特殊位置计算出机器人各构件在平衡状态下关节处收到的力及力矩。

其中，驱动小臂5的电机力矩为：

驱动大臂7的电机力矩为：

式中T₁、T₂为驱动小臂5和大臂7的电机力矩，F_L1为上臂8在上臂8与辅助臂6连接处受力，L1为上臂8与大臂7连接处到上臂8与辅助臂6连接处距离，L2为上臂8与大臂7 连接处到上臂8与末端连接处距离，L3为上臂8与大臂7连接处到大臂电机的距离,r1为第一弹簧4与小臂5连接点到小臂电机的距离，r2为第二弹簧3与大臂7连接点到大臂电机的距离，a为第一弹簧4与腰部2连接点到小臂电机的距离,为大臂7与竖直方向的夹角，θ为小臂5与水平方向的夹角，G为重物与手爪总重量，m为上臂8质量，m’为大臂7质量，g 为重力加速度，k₁为第二弹簧3的刚度，k₂为第一弹簧4的刚度，x₀为第二弹簧3原长。

将机器人具体尺寸参数代入(1)(2)(3)式，可以发现T₁与没有关系，T₂与θ没有关系，即大臂7的位置对小臂电机的补偿没有影响，小臂5的位置对大臂电机的补偿也没有影响，说明对小臂电机的补偿和对大臂电机的补偿可以分开单独进行。得到T₁与k1、r1、θ，T₂与k2、r2、的关系。通过选取合适的弹簧，计算出小臂电机在无补偿时最大力矩为2967900N·mm，最小力矩为2565100N·mm，有补偿时最大力矩为2330800N·mm，最小力矩为1898100N·mm。计算出大臂电机在无补偿时最大力矩为983210N·mm，最小力矩为14013N·mm，有补偿时最大力矩为281090N·mm，最小力矩为0N·mm。由于理论计算过程假设和简化较多，计算出的数值仅供参考。

(3)SolidWorks仿真分析

在SolidWorks中建立好三维模型后，进入SolidWorks Motion，在电机相对应的关节处添加旋转马达，设置运动距离及仿真时间，本发明以小臂5旋转45度，大臂7旋转40度，仿真时间均为5秒为例。添加弹簧，输入选择的弹簧的刚度和初始长度等参数。在末端添加力，代表手爪和重物的总重量。添加引力，仿真过程中将计算各部件重力。在小臂电机仿真开始之前，固定大臂7、腰部2以免出现奇异的运动状态，反之同理。设置完成以后，开始仿真计算，计算过程中SolidWorks将以动画形式呈现机器人的运动，以便检查是否有其他自由度没有被约束。计算完成，调出力矩分析结果。隐藏弹簧，再次进行仿真计算，调出力矩分析结果，对比隐藏弹簧前后的结果，即补偿后和补偿前的电机力矩。小臂5补偿前后结果如图5和图6，大臂7补偿前后结果如图2和图3。

(4)Adams仿真分析

将SolidWorks装配体文件保存为.xmt_txt格式，用Adams打开导入模型，在每一个关节处添加旋转副，在机座1与ground间添加固定副，在模型的正确位置处添加弹簧SPRING、手爪和重物重力SFORCE和重力GRAVITY，在小臂电机仿真开始之前，固定大臂7、腰部2 以免出现奇异的运动状态，反之同理。设置完成以后，开始仿真计算，计算过程中Adams将以动画形式呈现机器人的运动，以便检查是否有其他自由度没有被约束。计算完成，调出力矩分析结果。隐藏弹簧，再次进行仿真计算，调出力矩分析结果，对比隐藏弹簧前后的结果，即补偿后和补偿前的电机力矩。小臂5补偿前后结果如图4，大臂7补偿前后结果如图7,其中实线表示补偿前结果，虚线表示补偿后结果。

(5)对比结果

SolidWorks与Adams得出的结果的正负号不影响仿真结果的正确性，将SolidWorks与 Adams的仿真结果相比较，可以看出两者力矩变化趋势相近，数值大致相同，两者总体来说与计算出的理论值接近。根据SolidWorks的仿真结果可以得到大臂电机可补偿61％-64％，小臂电机可补偿14％-22％；根据Adams的仿真结果可以得到大臂电机可补偿64％-68％，小臂电机可补偿13％-22％

以上所述仅为本发明的具体实施例，但本发明的技术特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的保护范围之中。

Claims (5)

1.一种用于码垛机器人的减重方法，其特征在于：该方法具体为：构建码垛机器人的简化模型，分别在大臂和腰部间添加第一弹簧、小臂和腰部间添加第二弹簧，通过力学分析计算所需第一、第二弹簧的刚度，使提升物体重力得到补偿，减小腰部两驱动电机的力矩。

2.如权利要求1所述的一种用于码垛机器人的减重方法，其特征在于：通过计算对比使用该方法前后的驱动电机力矩，验证方法的正确性，利用SolidWorks和Adams仿真验证计算结果的正确性。

3.如权利要求1所述的一种用于码垛机器人的减重方法，其特征在于，所述通过力学分析计算所需弹簧刚度，具体如下：

绘制力学模型，视机械臂质量均匀分布，计算工作状态下使驱动电机力矩最小的弹簧刚度，驱动小臂的电机力矩为：

驱动大臂的电机力矩为：

式中T₁、T₂为驱动小臂和大臂的电机力矩，F_L1为上臂在上臂与辅助臂连接处受力，L1为上臂与大臂连接处到上臂与辅助臂连接处距离，L2为上臂与大臂连接处到上臂与末端连接处距离，L3为上臂与大臂连接处到大臂电机的距离，r1为第一弹簧与小臂连接点到小臂电机的距离，r2为第二弹簧与大臂连接点到大臂电机的距离，a为第一弹簧与腰部连接点到小臂电机的距离,为大臂与竖直方向的夹角，θ为小臂与水平方向的夹角，G为重物与手爪总重量，m为上臂质量，m’为大臂质量，g为重力加速度，k₁为第二弹簧的刚度，k₂为第一弹簧的刚度，x₀为第二弹簧原长。

4.如权利要求2所述的一种用于码垛机器人的减重方法，其特征在于，所述通过计算对比使用该方法前后的驱动电机力矩，验证方法的正确性，具体如下：

对比添加弹簧前和添加弹簧后的电机驱动力矩，针对一些特殊位置，通过理论计算验证该方法是否起到减少电机力矩的作用，将计算公式写入MATLAB进行计算，得出一系列工作位置的电机力矩值，使用plot命令绘制力矩图，观察补偿后电机力矩是否比补偿前小。

5.如权利要求4所述的一种用于码垛机器人的减重方法，其特征在于，所述利用SolidWorks和Adams仿真验证计算结果的正确性，具体如下：

通过理论计算验证以后，利用SolidWorks建模并且对码垛机器人工作过程进行Motion分析，计算在各工作位置上电机的力矩，调出力矩图；将SolidWorks模型存为.xmt_txt格式，用Adams打开，添加约束及载荷，同时约束住影响正常仿真过程的主动关节，生成电机驱动力矩图表，查看添加弹簧前后电机力矩是否得到减小，将SolidWorks结果和Adams结果进行比较，查看是否有很大的差异，验证方法的正确性，将两个软件的仿真结果与计算结果进行对比，验证计算结果的正确性。