四自由度碼垛機器人機構和運動(dòng)分析

　　隨著(zhù)物流、食品和石化等行業(yè)的不斷發(fā)展，碼垛機器人發(fā)揮著(zhù)越來(lái)越重要的作用，它不僅可以準確、高效地完成碼垛作業(yè)，而且可以降低工人的勞動(dòng)強度，提高生產(chǎn)效率。

　　目前，國外主要機器人廠(chǎng)家，如ABB、FANUC等，均有較為完善的碼垛機器人產(chǎn)品系列，壟斷了國內外市場(chǎng);而國內，碼垛機器人的研究起步不久，還未有成熟的，產(chǎn)業(yè)化的碼垛機器人產(chǎn)品出現。本文研究了ER300碼垛機器人結構特點(diǎn)及運動(dòng)空間，展現了一般碼垛機器人與六自由度機器人的結構差異和運動(dòng)空間形成方式。

　　2 碼垛機器人機構分析

　　基于碼垛任務(wù)的實(shí)際需要，碼垛機器人通常具有四自由度。與一般垂直型六自由度串聯(lián)工業(yè)機器人的結構不同，碼垛機器人通過(guò)在肩部串聯(lián)兩個(gè)平行四邊形結構使得腕關(guān)節旋轉軸始終與地面垂直，從而使被抓持物始終處于水平狀態(tài);腕部結構簡(jiǎn)單，沒(méi)有復雜的姿態(tài)調整結構。目前，碼垛機器人使用較為廣泛的結構之一，如圖1所示：

　　將圖1中三維模型進(jìn)一步簡(jiǎn)化為桿件連接(略去了1軸和平衡缸)，如圖2所示，A點(diǎn)為機器人2軸，B點(diǎn)為復合鉸鏈，通過(guò)三角架分別與大臂和大臂副桿，與小臂和小臂副桿組成串聯(lián)的平行四邊形結構，使得運動(dòng)過(guò)程中手腕體回轉軸始終與地面保持垂直，從而手腕體中心D點(diǎn)相對小臂末端C點(diǎn)位置也保持不變。

　　此外，ER300機器人采用了將3軸電機和減速器均固定在三角架上的安裝方式。該種連接方式使得三角架和大臂副桿承受了小臂、手腕體和負載等組件關(guān)于3軸的轉矩M,但小臂不與大臂耦合旋轉，在很大程度上簡(jiǎn)化機器人的運動(dòng)方式和控制方法。

　　鑒于ER300碼垛機器人沒(méi)有復雜的耦合運動(dòng)，本文不采用傳統的D-H方法進(jìn)行計算。為研究計算D點(diǎn)運動(dòng)可達空間，這里將全局坐標系原點(diǎn)O0固定在1軸與地面的交點(diǎn)處，Y0與1軸重合，其余局部坐標系如圖2所示

　　在全局坐標系中，各關(guān)節點(diǎn)坐標與關(guān)節旋轉角之間的換算關(guān)系如下：

　　其中，R、H分別為1軸回轉半徑和底座高度;L2、L3分別為大臂和小臂長(cháng)度;、分別為大臂相對Y1軸旋轉角度，小臂相對X2軸旋轉角度，本文規定逆時(shí)針旋轉為正向;S為長(cháng)。