工作研究
周 钊 程 章
（安徽交通职业技术学院汽车与机械工程系，安徽 合肥 230051）
摘 要：码垛机器人是现代工业自动化常用的机器人。对于码垛机器人的机械手臂来说更是体现出了其在生产过程中体现的自由度和空间的运动能力。本文通过对码垛机器人的概述入手，对码垛机器人的机械手臂机械手臂及运动空间进行了分析，并对码垛机器人的机械手臂结构特征和运动空间进行了展望。
关键词：码垛机器人；手臂部特征；自由度；位姿；运动空间
在现代生活中运用码垛机器人的机会越来越多，特别是电商的发达伴随着物流业、装卸业，以及一些生化行业的需要，可以说码垛机器人在这些劳动力密集和危险性较高的工作中扮演着越来越重要的角。而对于码垛机器人来说能否准确高效地完成作业，关键就是码垛机器人的机械手臂能否完全替代人工，能否如人工一些的灵活并且准确。从现阶段的实践来看，码垛机器人的确在降低工人劳动强度，提高生产效率上做出了积极的贡献。
1 码垛机器人概述
目前码垛机器人的机械手臂主要是国外生产，代表机器人制造商ABB、FANUC等拥有完整的码垛机器人系列产品，可以说垄断了国内外市场，这对于我国大面积应用产生了一定的障碍；另外就是我国的码垛机器人的研究起步较晚，在实质性的工艺和关键技术中仍然落后国外很多，也就是没有成熟的工业化码垛机器人产品。特别是在码垛机器人机械手臂、结构特点和运动空间上仍然存在着较大的差距，这种距离不仅仅是一般码垛机器人与六自由度码垛机器人的比较，而是整个生产工艺和技术的落后。但同时国内日新月异的市场环境，对于码垛机器人的需求越来越大[1]。
码垛机器人实际是就是运用了末端执行器的功能来实臂间的功能变化，比如在手腕上安装相应的传感器、机械夹持器，可根据不同的场景进行实时抓取，以及在一些堆放重物袋、盒状物、桶装物等相对物体结构比较简单的可吸物，是完全可能用来抓取的。码垛机器人的机械手臂夹持器抓取待搬运的物品，可以实现从仓库到输送线到货车的，对于提高生产效率确实帮助很大。
2 码垛机器人运动机构原理
码垛机器人由本体的电气控制部分组成。腰部的转动由伺服电机与伺服减速机串联驱动的架体转动实现；而其关键部分的手腕的转动，是通过伺服电机以及伺服减速机串联驱动来带动末端执行器，也就是手臂来实现运动；同时也可以进行水平化运动来实现。这过程中必然会要求伺服电机通过同步带，来进行有效的带动水平螺杆旋转，一旦转动就会带动螺杆螺母水平化运动并导向位移实现；而手臂的
脱硝催化剂成分垂直进给运动，也是由伺服电机通过同步带，进行有效的带动垂直螺杆来实现的，所以从这个角度来看垂直螺帽带动垂直导向进行位移实现。这里需要注意的是减速器同步齿传动带的设置中往往要通过腰部主机架的转动进行变化，从而由某轴旋转伺服电机进行必要的减速机驱动。减速比的设置需要根据驱动负载电机转子的转动惯量来确定。负载电机的转动惯量大于电机转子的转动惯量。设置在手臂处的伺服电机往往位于腰部，通过在一定域值内的旋转变化由电机与主机架负载之间进行设置一个大减速比的齿轮减速器，从而达到目的，实现了由电机转子的转动惯量与负载的转动惯量相匹配，当然也可以多选用空心轴减速器电缆进行穿通，这主要是为了防止腰部旋转时电缆缠绕的问题出现。同步皮带轮驱动同步齿带实现A轴和轴滚珠丝杠的旋转运动，从而更好的驱动梁臂来进行有效的上下伸缩运动，并同步实现对电机产生的振动进行有效的隔离，使整体框架结构紧凑。
3 码垛机器人手臂特征及运动空间分析
根据码垛机器人的机械手臂任务的实际需要，码垛机器人的机械手臂具有四个自由度。与一般立式六自由度系列工业机器人的结构不同，码垛机器人的机械手臂通过在肩部串联两个平行四边形结构，使腕关节旋转轴垂直于地面，使被抓取物体处于水平状态；腕关节结构简单，不易变形，其并没有复杂的姿态调整结构。码垛机器人的机械手臂是目前应用最广泛的结构之一。许多机器人采用三轴电机，这除了可以把减速器固定在三角架上外，也可以起到云台稳定的作用，这种连接方式使三角架和臂架承受手臂、手腕和负载的力矩点，手臂与手臂不耦合，大大简化了机器人的运动方式和控制方法。由
于码垛机器人没有复杂的耦合运动，码垛机器人的机械手臂各节点坐标与关节旋转角度的转换关系如下：大臂的长度明显大于小臂的长度；小臂通过大臂的轴的旋转角度来进行定向，而小臂通过轴的旋转角度来实现精细的小角度的运动和操控[2]。为了保护码垛机器人的机械手臂的平行四边形结构，防止杆件之间的干涉，会将其中臂与三角架之间的安全角设置为其中臂与三角架之间的最大和最小安全角。
与通用型机器人不同，码垛机器人有独特的作业特点：搬运物料实现空间内的平移和水平面内的旋转，无需进行物料的翻转，因而采用了独特的结构。而码垛机器人的机械手臂根据物料形状特点，可以在工具配置不同的抓手。码垛机器人的机械手臂工具的位置，通过控制几个点的关节来实现；码垛机器人的机械手臂工具的姿态，则通过控制不同的关节的转动来保证；在腕部姿态的控制上，采用了独特的结构。通过两组平行四连杆传动，实现了轴线与轴线之间的关系平衡，使腕部始终保持垂直于地面的姿态。
4 码垛机器人机械手臂部特征及运动空间的发展
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4.1空间发展
码垛机器人的机械手臂工作空间指码垛机器人的机械手臂可在空间到达的最大范围。这种范围并不是广义上的范围，而是其工作中体现的空间力度和强度，以及完成各种有效的工作中对于工作空间的充
分利用，在这个过程要体现出其精细化和智能化的特点，要排除可能发生重叠，这也从空间的发展角度进一步的证明了码垛机器人的机械手臂的功能化、精准化，码垛机器人的机械手臂会变得越来越细，但也会越来越有科技含量，能够大面积的替代人工的复杂和细碎的工作。凸显了码垛机器人不同于通用型机器人的性能特点。这将是码垛机器人的机械手臂未来发展的最大的看点，而对于其空间发展来说，必须要满足其多维度和多路径的开发效果，方能体现出共更大的空间效力。
4.2运动性能
为了适应前端包装工段的生产速度，码垛机器人的机械手臂作业往往对节拍要求高。随着码垛机器人速度越来越快，码垛机器人的机械手臂的频率也会越来越快，转速和扭力都将达到较高的水平。这就会最直接带动的其运行性能的提高，所以从运动性能来看其还有很大的上升空间。另外，就是非常重要的一点就是，码垛机器人的机械手臂在未来可以完全与其它的机器人进行协同工作，从而完成更为复杂的工作，从这个角度来看，人类所不能替代的也只有情感了，而运动性能还体现在其在微观世界的运动能力，这是码垛机器人的机械手臂将来大有用武之地，所以码垛机器人的机械手臂的未来方向是二个：一是基于重物的搬运和装卸，可以利用码垛机器人的机械手臂进行不知疲倦的工作；二是通过其手臂对精细化和精细化设备的生产加工、现代医学协同作战的应用，都将展开积极的探索。
结束语：码垛机器人的机械手臂的特征和空间运动的发展来说，具有广阔的市场和空间，通过技术的
研发和科技的创新，我国在未来的码垛机器人的机械手臂的研究上一定能取得突破，而对于码垛机器人的机械手臂的未来一定是智能化、精细化，并具有多途径应用功能。
参考文献：
[1]刘华锋.工业机器人分拣系统的设计[J].锻压装备与制造技术，
机械制图标题栏2020，55（06）：69-72.石墨烯的制备
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[2]高茂源，王好臣，丛志文，王泽政，李家鹏.基于RobotStudio
的机器人码垛优化研究[J].组合机床与自动化加工技术，2020（11）：38-41.
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