一种新型智能仓储机器人原理样机研制

伴随科学技术的不断的发展, 立体仓库技术向着自动化与智能化方向发展, 其以巷道堆垛机为主, 结合入库出库等周边设备进行作业。从国内发展情况来看, 目前国内的自动化立体仓库技术已经基本成熟, 并进入大量应用阶段。从国外来看, 日本的自动化立体仓库发展最快, 同时也应用最广泛。

综上可知, 随着现代物流快速发展, 而传统的巷道堆垛机主要针对大型原材料的仓储需求, 在充分分析国内智能仓储机器人的基础上, 结合工业领域的小型元器件的仓储的需求, 本文介绍了一种新型的智能仓储机器人, 其由两自由度滑台搭载一台SCARA机械手并配合末端执行器实现了微小型元器件仓储的核心功能。

新型智能仓储机器人名为Will, 它由两自由度滑台、SCARA机械手和末端执行器与控制系统组成。如图1所示, 其中两自由度滑台为X和Z方向, 其中X方向的滑台实现了机械手的沿巷道方向的运动, 配合Z方向的自由度使机械手可以到达巷道内的任意位置。SCARA机械手由三个水平布置的关节与一个垂直运动的关节构成。机械手与末端执行器配合实现抽合抽屉、取放元器件的功能。

Will在结构上与传统巷道机器人相比具有更多的自由度、更加灵活针对小型元器件的仓储需求。整个机器人的工作流程如下:当有元器件入库时, 机器人到运动到指定位置拾取待入库元器件, 然后通过库房管理系统自动分配库位, 机器人运动到指定位置, 机械手抽开抽屉放入待入库元器件, 最后关抽屉。当接到指定元器件出库指令, 库房管理系统查找库位发送指令至机器人, 机器人运动到指定位置打开抽屉拾取待出库元器件, 然后机器人将元器件运送到指定出库位置。

如图2 (a) 所示, Will机器人的末端执行器由拾取机构和抽屉对接机构两部分组成。拾取机构由电磁铁构成, 封装好的元器件盒内含导磁材料, 通过控制电磁铁实现元器件的取放。抽屉对接机构由电控锁组成, 其中锁体与机器人手连接, 锁扣安装在抽屉上, 通过控制电控锁实现机械手与抽屉的连接与释放。如图2 (b) 所示, 机器手的末端作用器处在作业状态, 拾取机构工作携带元器件盒, 抽屉对接机构工作使抽屉与机械手连接。

SCARA机械手完成开关抽屉动作, 要求其末端运动轨迹为直线。目前抽屉长度为180 mm, 对SCARA机械手进行运动学分析, 进而对末端180 mm直线轨迹规划。

此SCARA不同于市面常见的SCARA机器人, 其具备4个自由度, 但升降自由度在基座位置, 建立机器人D-H连杆坐标系, 其中L1长度可变范围 (50～200 mm) 、L2=200 mm、L3=150 mm、L4=40 mm。

为控制机器人实现指定位姿, 对机器人进行运动学正向解算并建立机器人的正向运动学方程。根据已知的关节变量θ1、θ2、θ3其中参考坐标系为SCARA机械手的安装底面, 从参考坐标系到末端执行器坐标系的变换为:

其中:

机器人在拉抽屉的过程为已知末端工作路径对各关节角度的逆向解算, 目前机械臂运动学逆解的快速计算方法主要为数据值求解和封闭解。由于封闭解比数值解计算速度更快、效率更高, 这里应用封闭解的几何法求机器人的逆运动学。运动学逆解中SCARA机器人看做平面机械臂即Z轴方向不运动, 如图4所示, 运动学的逆解3个连杆的长度分别为l1、l2、l3, 假设机械臂末端姿态坐标为 (x, y, φ) 。

由余弦定理可知|AC|2=l12+l22-2l1l2cos (π-θ2) ;由勾股定理可知|AC|2= (x-l3cosφ) 2+ (y-l3sinφ) 2;推导出机器人的运动学逆解几何法计算公式:

SCARA机器人的末端走直线采用笛卡尔空间法, 并对末端运动函数进行规划, 末端运动轨迹分为加速、匀速与减速3个阶段。末端位姿为 (x, y, φ) , 设整体运动时间为T, 末端X方向位移Sx, 末端Y方向位移Sy。末端X方向轨迹的运动函数如下, 同理可求Y方向的轨迹函数:

应用MATLAB编程, 设置T=10, 步长t=0.001, 对Sx (t) 与Sy (t) 取1 000个离散点, 同时对末端角度φ进行1 000等分。机器人在拉抽屉的初始角度θ1=0°、θ2=60°、θ3=30°, Sx=0, Sy=180应用2.3节的运动学逆解将每个点 (Sx (nt) , Sy (nt) , nφ/1 000) 带入求得对应的θ1、θ2、θ3, 应用MAT-LAB的plot函数绘制三关节转角时间曲线如图5所示。

下面将得到的1 000个数据点[θ1, θ2, θ3]组成的数组代入2.2节的运动学正解公式进行求解, 得到末端[x, y, φ]的轨迹, 应用MATLAB的plot函数画图得到末端的运动轨迹。

如图6 (a) 所示, x方向无位移。如图6 (b) 所示, y方向两端为平滑曲线中间部分为直线, 起始位置为170 mm终止位置为-10, y方向位移为180 mm。如图6 (c) 所示, 末端的姿态转角φ无变化。通过末端轨迹验证了上一节的运动学算法的正确性。

为验证SCARA机器人末端轨迹规划的可行性, Will智能仓储机器人的控制系统下位机主控为STM32单片机, 选用TB6560驱动器驱动SCARA机器人。采用上节末端路径规划算法, 实现SCARA机械臂末端轨迹的控制, 机械手拉抽屉过程如图7所示。

拉抽屉实验首先X、Z两自由度滑台运动使机械臂运动到指定取料盒, 然后机械臂动作使末端的抽屉对接机构和物料盒连接。然后机械臂通过上一节的控制算法实现了末端180 mm的直线运动, 通过图7可观察到物料盒的三个格子依次被抽出来, 通过实物验证了算法的可行性。

传统的仓储机器人自由度少且只针对大型物料的分拣, 为克服传统仓储机器人的这些不足, 本文设计了一种新型的智能仓储机器人, 建立了SCARA机器人的运动学模型, 同时进行机械手末端轨迹规划。将轨迹规划算法应用MATLAB编程进行了仿真, 通过获得的关节角位移曲线和末端位移曲线验证了其运动学公式的正确性和轨迹规划的效果, 最后通过实物验证了算法的可行性。