张奇梁;孙江宏;杜宏辰;张楠
【摘 要】A conveying robot was designed based on the cross coordinate, its clamping mechanism is made up of two symmetrical sliding blocks with unilateral double -slider mechanism.Kinetic model of the clamping mechanism was established, its stress and movement was analyed.The PID control model of robot's anti-tumble stability was built based on ADAMS and MATLAB, its influence factors ware simulated and analyzed.The analysis results show that the force and movement of the clamping mechanism is reliable and controllable, and the robot's anti-tumble stability is adjustable and controllable. According to kinematic condition of the clamping mechanism and influence factors of robot's anti-tumble stability the corresponding control strategy was designed,so that the robot can accurately control the clamping mechanism's clamping force during its automatically conveying.%基于十字坐标,设计了一种搬运机器人,其夹持机构为两侧对称、单侧双滑块结构.建立了夹持机构动力学模型,分析了其受力和运动情况,基于ADAMS和MATALB
搭建了机器人整体抗倾覆性PID控制模型,仿真分析了其影响因素.分析结果表明,夹持机构的受力和运动可靠可控,机器人整体抗倾覆性可调可控.针对夹持机构的运动学情况和机器人整体抗倾覆性的影响因素,对夹持机构的相应控制策略进行了设计,以使机器人在自动搬运过程中能准确控制夹持机构夹持力.
【期刊名称】《机械设计与制造》
【年(卷),期】2018(000)004
【总页数】4页(P259-261,265)
【关键词】十字坐标;搬运机器人;双滑块机构;夹持机构;抗倾覆性;控制策略
【作 者】张奇梁;孙江宏;杜宏辰;张楠
【作者单位】北京信息科技大学 机电工程学院,北京100192;北京信息科技大学 机电工程学院,北京100192;清华大学 机械电子工程研究所,北京100084;北京信息科技大学 机电工程学院,北京100192;北京信息科技大学 机电工程学院,北京100192
【正文语种】中 文
【中图分类】TH16
1 引言
随着现代信息技术和自动化技术的高速发展以及环保意识的增强，垃圾的快速处理和自动收集得到越来越多关注。我国现有垃圾收集模式是“垃圾桶—环卫人员手推车—垃圾收集点—垃圾中转站—垃圾处理场[1]”，存在着劳动强度大、效率低等弊端。用人工来完成垃圾桶的搬运码垛处理已远不能满足发展需要，自动化操作手段已成为必然趋势[2]。
搬运码垛机器人广泛应用于现代自动化生产和物流管理中[3-5]。按结构特点分为：直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型、关节型等[6]。但大多用于流水线作业的固定工位。基于垃圾处理环境、自由度、结构刚度、制造成本等方面考虑，设计了十字坐标型单立柱轻型搬运机器人。它是由直角坐标型机器人衍生而来，实现搬运机器人机械臂在竖直和水平方向的托举和夹持功能，工作载重在（10～25）kg范围内，并通过底盘车体移动完成转向和搬运等工作。基于机器人的搬运特性，建立和分析了夹持机构动力学模型，并针对搬运物体 时其倾覆稳定性的重要性，研究了夹持机构工作时机器人整体抗倾覆性模型，并在此基础上，设计了夹持机构的控制策略。疑难件
现有文献中，关于机器人动态倾覆稳定性的判别方法主要有压力中心法（center of pressuermethod，COP）[7]、有效质量中心方法（effeetive mass cenetr，EMC）[8]、倾倒稳定边界法（tumble stability margin，TSM）[9]、力-角稳定性度量法（foree-angle stability measure，FASM）[10]等。借鉴力-角稳定性度量法，提出了基于扭矩输入和角度、角速度输出的PID控制模型，对机器人的搬运倾覆稳定性进行了分析。该模型的优点是可通过控制角度和角速度输出为零而实现机器人模型加载后的相对平衡，并得到使之平衡的扭矩输入。根据扭矩输入的变化对机器人整体结构和夹持机构的尺寸构形进行调整，为解决搬运过程中机器人因倾覆而导致驱动系统失灵、运动失控、元件损坏等问题提供有效理论手段。
2 夹持机构的设计与分析
仿生花搬运机器人在工作时要求具备较好的机动性能，且能时刻保持车身的平稳，以保证被夹持物体的正确姿态。因此，搬运机器人夹持机构设计需满足：（1）结构简单，实现机械手臂
夹持运动；（2）运动平稳，保证机器人不发生倾覆；（3）控制可靠，实现快速夹持物体。根据以上要求，设计了十字坐标型单立柱轻型搬运机器人，如图1（a）所示。并搭建了实验样机，如图1（b）所示。
图1 机器人模型与实验样机Fig.1 Robot Model and Experimental Prototype
为衡量机器人在搬运时其夹持机构的负载能力。对图1（a）中的夹持机构进行单独分析，可得机械手臂载荷工况，如图2所示。
图2 机械手臂载荷工况Fig.2 Load Condition of Mechanical Arm
以滑块R为研究对象，以滑块R质心为坐标原点，并设质心为点A，由理论力学知识有
整理得
由此可见与竖直方向的滑块动力输入相关与被搬运物体负载相关，且A点弯矩大小与被搬运物体负载相关。因此，夹持机构的受力和运动取决于驱动元件的动力输入和被搬运物体的载荷。
3 夹持机构运动学分析
夹持机构为两侧对称、单侧双滑块机构布置，如图3（a）所示。因此只需研究其单侧双滑块机构的运动学规律。
用位移矢量代替连杆并建立闭环矢量，如图3（b）所示。取两个滑块轨道的交点为坐标系原点，原点到滑块1的位移为位移矢量1，原点到滑块2的位移为位移矢量2，滑块1到滑块2的位移为位移矢量3。这样，图 3（a）所示单侧机构可用图 3（b）所示位移矢量表示，并可列闭环矢量方程：
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将矢量方程（3）沿x轴和y轴方向分解，可得标量方程组：
由图 3（b）可知，θ1=90°，θ2=0，代入方程组（4）得：道生液
对方程组（6）求导，得两滑块加速度：
设滑块1的初始位置处于y轴坐标上，并令滑块1为动力输入，即已知，将代入方程组（5）、（6）、（7），可得
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因此，可通过滑块1运动规律推得滑块2运动规律，即可通过控制滑块1的上下运动来控制滑块2的水平运动。反之亦然。
图3 双滑块机构及矢量图Fig.3 Double-slider Mechanism and Vector Diagram
乳化液废水处理4 机器人整体抗倾覆性分析
当手臂夹起被搬运物体G时，机器人整体重心发生偏移，如图4所示。被搬运物体重量达到一定值时，机器人整体会发生倾覆。因此需要分析夹持机构搬运物体处于竖直和水平不同位置时扭矩Torque的变化。
图4 机器人抗倾覆模型Fig.4 Anti-Tumble Model of Robot
图5 ADAMS和MATLAB联合仿真控制模型Fig.5 Control Model of MATLAB and ADAMS Joint Simulation
建立夹持机构夹持物体时机器人重心平衡模型，如图4所示。在未添加重物G时模型整体质心为O1，添加重物G后质心变为O2。为防止夹持物体时模型整体发生倾覆，需添加相应配
重使模型整体平衡，可添加扭矩等效代替配重。通过测量质心O1绕Z轴旋转的速度和角速度大小，对扭矩大小进行调整，最终使模型相对平衡，当质心O1绕Z轴旋转的角速度为0时，模型会达到平衡。因此，针对图4抗倾覆模型，基于ADAMS和MATLAB建立其抗倾覆性的PID控制模型，并创建输入变量Torque和输出变量Angle、Velocity，如图5所示。由图4可知，Torque的大小与被夹持物体的重量G和L1、L3相关，给出G和L1、L3的不同值，并利用图5中模型分析不同工况下模型整体从倾覆到平衡所需扭矩大小，分析结果，如表1、图6所示。从表1可以看出，当G值一定时，Torque值与L1相关，当L1一定时，Torque值与G值相关。因此，可通过调整夹持手臂接触被搬运物体位置L1大小和Torque值的等效配重来调整和控制机器人整体抗倾覆性。
表1 模型从倾覆到平衡所需Torque仿真数据Tab.1 Torque Simulation Data required for The Model from the Overturning to the EquilibriumL1（m m）L3（m m）T o r q u e（N.m m）G=G1=10 KG 200 400 -3900 6005 00 400 -4300 600 G=G2=15 KG 200 400 -4100 6005 00 400 -4600 600
图6 平衡时扭矩仿真结果Fig.6 Simulation Results of Balancing Torque
5 夹持机构控制策略设计
当机械手臂把物体夹起后，如图7所示。由于物体重力G和手臂对物体夹持力F的作用，手臂与物体接触面之间产生摩擦力f。如果摩擦力小于物体重力，那么物体就会滑落。因此，需要在机械手臂接触面上安装触、滑觉传感器来感知它们之间的滑动，并设计相应控制来调整夹持机构运动，使其准确地定位、抓取、搬运目标物体。另外，夹持物体的位置影响机器人整体倾覆性，因此需在机械手臂上安装位移传感器，以监测手臂夹持物体的位置。
图7 手臂夹持物体时产生的触滑觉Fig.7 Tactile and Slip of the Arm Holding The Object
物体能否被夹起取决于控制系统能否准确调整夹持力，因此需要设计合理的控制系统工作流程。基于压滑觉反馈的夹持机构夹持力控制系统工作流程，如图8所示。在夹取物体时，根据被夹持物体尺寸和重量使手臂以一定夹持力目标值去夹取。夹持动作的关键是要准确控制手臂夹持力大小，以防力值过大。因此要求输出压力的准确度比响应时间的快速度要高，即要求超调量不能太大。另外，滑觉信号在物体与手臂间有滑动时产生，并通过反馈调节而及时增加夹持力。因此要求滑觉信号的处理要迅速，即手臂的响应要快，以防物体落下。
图8 夹持机构夹持力控制系统的工作流程Fig.8 The Working Flow of Clamping Mechanism’s Clamping Force Control System
6 结论
（1）从轻型垃圾桶搬运的工作特点出发，分析了机器人夹持机构动力学和机器人整体抗倾覆性模型，结果表明夹持机构的受力和运动可靠可控，机器人整体抗倾覆性可调可控，为搬运机器人的结构简单化和低成本化提供一种价值选择。（2）为使机器人自动完成搬运，并能准确控制夹持机构夹持力，进一步设计了调整夹持机构运动的控制策略。
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