双臂转运整理机器人的设计与研究

刘志春+张悦文+杨宸+赵建新

摘 要：为满足当下工厂智能生产的需求，针对传统货物转运整理行业的不足，本设计采用仿生技术，仿照人类双臂设计出了转运整理机器人，主要包括抓取机构、供电系统、传感器系统、控制系统、移动机构五大部分组成。采用重力感应、智能图像传感器等先进技术，使该机器人能够有效的提高工作效率；双臂转运整理机器人的灵活性好，转运整理准确度高，可以避免由于人员的劳累、松懈等人为因素造成财产的损失。

关键词：货物转运整理；工业机器人；工作效率

引言

人工智能是二十一世纪具有前沿性和可实行性的一项顶尖科学技术，而机器人更是人工智能方向中一个具有极大发展潜力的市场，并对人类生活产生巨大改变的分支。转运整理机器人作为工业机器人中的一类，在工业生产过程中执行大批量工件、包装件的获取、搬运、整理等任务，是集机械、电子、信息、计算机科学等学科于一体的高新机电产品。

1 背景及国内外研究现状

日本和瑞典最早将工业机器人技术用于物体的转运和整理，随着计算机技术、工业机器人技术以及人工智能控制等技术的发展和日趋成熟，日本、德国、瑞典、意大利等国家在包装码垛机器人的研究上做了大量工作，并相应推出了自己的码垛机器人，如日本的FANUC和OKURA以及FUJI系列，德国的KUKA系列，瑞典的ABB系列。我国工业机器人的研究和应用开始于20世纪70年代，随着改革开放的不断深入，我国工业机器人技术的研发和应用才逐渐达到一定水平，转运整理机器人技术也随之得到了快速的发展。

2 双臂转运整理机器人设计思路

在工业生产过程中，产品、材料的转运整理环节必不可少。相关调查报告显示，近年来，我国物流仓储产业链高速发展，但货物转运整理行业仍存在密集程度高、人力资金投入大、成本高效率低等问题。为弥补传统货物整理的不足，双臂转运整理机器人应运而生。为进一步解放劳动力，提高生产效率，在设计时应首先考虑货物转运整理的准确度及工作效率，避免由于劳累松懈等人为因素造成的财产损失。同时，该机器人整体部件及其他配件均由铝合金等材料制成，价格低廉，加工简单。

3 机器人结构

该机器人主要包括抓取机构、供电系统、传感器系统、视觉系统、移动机构五大部分组成。

（1）机器人参数

机器人尺寸：长×宽×高=500×400×850mm

重量：30kg

电机功率：1.5kW

单臂自由度：4

（2）抓取机构

该整理机器人从机构学的角度出发，以驱动器代替肌肉群，以运动副代替关节，以刚性连杆代替骨骼视，以控制器代替神经系统，协同作用。双臂转运整理机器人手臂将运动分为屈伸、收展、环旋和平动等几种运动，该机械手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件，依次包含肩关节、大臂、肘关节、前臂和腕关节，实现抓取、转运、放置、整理等环节。

机械手爪是双臂转运整理机器人抓取装置的重要组成部分，机械手爪为夹持式手爪，由手指和传力机构所构成，有4根手指，结构适应性强，可抓取不同表面形状货物的不同位置。

（3）供电系统

该机器人供电系统为机器上所有系统提供能源，充分考虑到机器人的体积、尺寸、重量、使用时间、电机等主要耗能元件数量等的限制，采用两种方案供电：a.采用锂电池作为供电系统。三组锂电池整体放置在底座部分，此种供电方式不受工作环境限制，可实现远距离的传输转运，但缺点是不能持续供电；b.采用输电线为机器人供电，这种供电方式直接接通电源供电，此种方式成本较低，可持续对机器人进行供电。但其缺点是受到输电线路的影响，受工作环境影响较大，不能进行远距离的工作。

根据机器人设备的使用环境不同，两种供电方式相互结合，能有效提高机器人的工作效率。

（4）传感器系统

a. 重力传感器

该机器人的机械手装有重力传感器，靠重力感应抓取货物，当货物被抓取移动至摆放位置，货物触地重力减小，抓取装置自动放开，避免了操作不当引起的货物脱落。

重力传感器利用了其内部由于加速度造成的晶体变形这个特性，由于这个变形会产生电压，计算出产生抓取物体的体积和质量，将数据反馈给控制系统，再由控制系统给机械手发送指令，避免了操作不当引起的货物脱落。

b. 图像传感器

该机器人基座上部配有视觉系统装有图像传感器，能自主完成货物识别，从而进行位置确定、准确抓取、有序摆放等一系列的动作。该机器人基座上部的视觉系统内置相机，并设计有相机接口，相机接口程序设计主要是设计相机接口初始化程序，以此来完成对图像传感器的图像数据接收工作，才能自主完成货物识别，从而进行位置确定、准确抓取、有序摆放等一系列的动作。[1]

（5）控制系统

分析该机器人基本运动形式为：点-点PTP（Point to Point）运动，即转运整理机器人只在搬运点跟放置点上进行操作。因此要求在这些点上，操作器应有准确的位置和姿态，以保证点与点间机器人搬运和整理的质量。运用PLC为主要控制元件，该机器人接到指令后完成以下工作：

a.分析解释指令，确定运动参数；b.进行插值计算；c.进行坐标变换，得到相应的各关节协调运动参数；d.将关节运动参数输出到伺服控制级，作为各伺服系统的给定信号。伺服系统实现各关节的跟踪运动，从而控制机械系统完成运动。[2]

（6）移动机构

该机器人基座轮子采用麦克纳姆轮，使机器人可以任意方向移动，保证了在不同大小的空间中工作移动。麦克纳姆轮（mecanum wheel）中央安装辊由一分为二的辊和辊总是与工作表面相接触，从而允许在不平的表面的更好的性能，在具有分割成两个向量，一个向前/向后和一个向左/向右。当在相反的方向旋转的一侧的车轮上时，向前和向后，而向侧向量加起来，否则与其他两个车轮的结果在四个反向附加的侧身载体。

4 双臂转运整理机器人特点及创新点

（1）机器人配有多个传感器，能自主完成不同产品的识别、抓取、码放，保证准确度。

（2）采用麦克纳姆轮作为底盘，实现平面内任意方向的平动及转动。

（3）机械手设计成4指结构，保证了抓取不同物品时的牢固性。

（4）采用PLC可编程控制，依靠重力传感器，避免了因操作不当引起的货物脱落。

（5）采用锂电池和输电线路两种方式供电，保证机器人动力充足。

5 总结和展望

针对传统货物转运整理行业的不足，设计了一种双臂转运整理机器人，直观的展示了该机器人的抓取机构、供电系统、传感器系统、视觉系统、移动机构五大部分。具有提高生产效率、整理的准确度等优点，可以很好的满足工厂对智能整理机器人的需求。文中目前的研究，为高效率、低成本解决工厂智能化整理碼垛货物的问题提供了新的思路和方法，有很好的借鉴作用。

参考文献

[1]张振，张琪，王新，等.基于主从式结构的智能图书整理机器人的设计[J].电子设计工程，2014，2.

[2]韩峥，刘华平，黄文炳，等.基于Kinect的机械臂目标抓取[J].智能系统学报，2013，4.

作者简介：刘志春（1996，3-），男，汉族，山东滕州人，本科在读，研究方向：机械电子工程。