李阿為，張廣良

(西安航空學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院, 陜西 西安 710077)

0 引言

隨著科技的進(jìn)步，機(jī)器人行業(yè)也迅速發(fā)展，特別是雙臂機(jī)器人已在災(zāi)難營(yíng)救、科學(xué)考察、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域得到應(yīng)用，對(duì)人類征服自然、了解地球、探索宇宙具有重要意義[1]。機(jī)器人將形成一個(gè)巨大的產(chǎn)業(yè)，對(duì)國(guó)家的綜合國(guó)力和可持續(xù)發(fā)展有著深遠(yuǎn)的影響，是衡量一個(gè)國(guó)家制造業(yè)和科技水平的重要標(biāo)志[2]。

裴文良等人設(shè)計(jì)了一種軌道式巡檢機(jī)器人，討論了巡檢機(jī)器人數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能與結(jié)構(gòu)，介紹了控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方法[3]。周明靜等人針對(duì)煤礦井下皮帶運(yùn)輸機(jī)等設(shè)備巡檢、監(jiān)控問(wèn)題，研制了一種軌道式、可代替人工巡檢功能的礦用井下巡檢機(jī)器人裝置，利用該巡檢機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦井下皮帶運(yùn)輸機(jī)、刮板機(jī)等大型設(shè)備的自動(dòng)巡檢，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，從根本上減輕巡檢人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，最大限度提升煤礦的安全管理[4]。胡楠等人針對(duì)配電房等室內(nèi)電力系統(tǒng)供電設(shè)備自動(dòng)巡檢的需求，提出了以微控制器MSP430F5438為核心的自動(dòng)巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，可以實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人對(duì)配電房供電設(shè)備的自動(dòng)巡檢[5]。吳威等人為了解決傳統(tǒng)的閥廳人工巡檢方式所存在的效率低下、巡檢覆蓋率與及時(shí)性等無(wú)法得到保證的問(wèn)題，開發(fā)設(shè)計(jì)了基于智能軌道的閥廳巡檢機(jī)器人系統(tǒng)[6]。肖龍雪等人設(shè)計(jì)了一種內(nèi)頂軌道驅(qū)動(dòng)式課桌清潔機(jī)器人,主要面向高校教室常用的敞開式課桌的清潔作業(yè)。該清掃機(jī)器人能夠進(jìn)行自動(dòng)化課桌清潔工作,對(duì)教室環(huán)境里常見的垃圾具有良好的清掃能力[7]。王化玲等人根據(jù)機(jī)器人巡檢的工作狀況及環(huán)境，開發(fā)了一種適于換流站巡檢的組合式軌道機(jī)器人[8]。王嫦娟等人研究設(shè)計(jì)了一種收集裝置，主要組成部分為垃圾集裝箱、減速器、起重臂、電動(dòng)推桿、鏈條鏈輪部裝、絲杠螺母部裝、定滑輪部裝、張緊輪部裝、電器及潤(rùn)滑系統(tǒng)等[9]。

隨著我國(guó)高速公路的不斷建設(shè)，目前我國(guó)高速公路總長(zhǎng)已超過(guò)了13.1萬(wàn)公里，由于擁堵現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生，導(dǎo)致了嚴(yán)重的垃圾問(wèn)題。我國(guó)在清掃垃圾機(jī)器人方面已經(jīng)有了許多研究，但基本上都是應(yīng)用于家庭、公共場(chǎng)所等，在高速公路上清理垃圾的機(jī)器人還未有報(bào)道。面對(duì)這種情況，本文針對(duì)室外作業(yè)、高速公路的環(huán)境進(jìn)行了軌道式高速公路專用垃圾回收機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)其部分的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)分析和功能性的運(yùn)動(dòng)仿真，然后從實(shí)際出發(fā)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)器人主要由機(jī)器人殼體、末端手爪、關(guān)節(jié)臂以及控制系統(tǒng)4個(gè)部分組成。機(jī)器人殼體是用來(lái)連接關(guān)節(jié)臂、垃圾回收裝置、光伏發(fā)電裝置以及懸掛裝置，實(shí)現(xiàn)在高速路上不占用車道以及在防護(hù)欄上平穩(wěn)地運(yùn)行。末端手爪可以進(jìn)行旋轉(zhuǎn)以及夾持動(dòng)作，其整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程可以將路面上的易拉罐等垃圾夾住并放入垃圾回收裝置中。關(guān)節(jié)臂由3段式組成，前2節(jié)關(guān)節(jié)臂可進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，第3節(jié)關(guān)節(jié)臂進(jìn)行偏轉(zhuǎn)。本次設(shè)計(jì)的末端手爪以及關(guān)節(jié)臂主要是用來(lái)實(shí)現(xiàn)垃圾回收機(jī)器人抓取垃圾和放置垃圾的功能。運(yùn)動(dòng)時(shí)主要由懸掛裝置將其懸掛在高速路路邊雙波形防護(hù)欄上，以雙波形防護(hù)欄為軌道進(jìn)行前進(jìn)或者后退運(yùn)動(dòng)。其工作流程是由光伏發(fā)電供電，關(guān)節(jié)臂上的電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)，使得末端手爪接近物品，末端手爪上的電機(jī)控制末端手爪的張開與閉合進(jìn)行物品的夾持，然后放入垃圾筐中。軌道式高速公路專用垃圾回收機(jī)器人總裝配圖如圖1所示。

1—懸掛裝置； 2—收集垃圾裝置；3—光合發(fā)電裝置；4—電機(jī)；5—末端手爪手掌；6—驅(qū)動(dòng)元件；7—驅(qū)動(dòng)搖桿；8—手指；9—從動(dòng)搖桿；10—轉(zhuǎn)動(dòng)元件；11—末端手爪滑動(dòng)元件；12—末端手爪旋轉(zhuǎn)裝置；13—第3節(jié)關(guān)節(jié)臂；14—第2節(jié)關(guān)節(jié)臂；15—電機(jī)；16—第1節(jié)關(guān)節(jié)臂；17—電機(jī)；18—機(jī)器人輪子。圖1 機(jī)器人的總裝配圖

機(jī)器人末端手爪由手指、驅(qū)動(dòng)搖桿、從動(dòng)搖桿、驅(qū)動(dòng)元件、末端手爪手掌元件、轉(zhuǎn)動(dòng)元件、電機(jī)、滑動(dòng)元件、旋轉(zhuǎn)裝置等元件組成，其運(yùn)動(dòng)過(guò)程是由旋轉(zhuǎn)裝置進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，則末端手爪就可以?shī)A持各種角度的物品(易拉罐)，由轉(zhuǎn)動(dòng)元件帶動(dòng)滑動(dòng)元件，從而帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)元件，由驅(qū)動(dòng)元件帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)搖桿，則末端手爪進(jìn)行張開與閉合運(yùn)動(dòng)。

1—手指；2—驅(qū)動(dòng)搖桿；3—從動(dòng)搖桿；4—驅(qū)動(dòng)元件；5—末端手爪手掌元件；6—轉(zhuǎn)動(dòng)元件；7—電機(jī)；8—滑動(dòng)元件；9—旋轉(zhuǎn)裝置。圖2 機(jī)械手結(jié)構(gòu)圖

高速路常用護(hù)欄立柱高為1200mm、1500mm，立柱預(yù)埋為250mm～300mm，即關(guān)節(jié)臂到路面長(zhǎng)1000mm左右。由此設(shè)計(jì)出零件尺寸，見表1。

表1 零件部分尺寸 單位：mm

第1節(jié)關(guān)節(jié)臂用來(lái)連接機(jī)器人以及第2節(jié)關(guān)節(jié)臂，其驅(qū)動(dòng)方式是用電機(jī)連接軸直接驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)臂的運(yùn)轉(zhuǎn)，其運(yùn)動(dòng)方式為旋轉(zhuǎn)；第2節(jié)關(guān)節(jié)臂負(fù)責(zé)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以及連接作用；第3節(jié)關(guān)節(jié)臂與第2節(jié)關(guān)節(jié)臂連接，第3節(jié)關(guān)節(jié)臂做偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并且與末端手爪相連，其相連處末端手爪有旋轉(zhuǎn)裝置。

2 仿真分析

本文設(shè)計(jì)的垃圾回收機(jī)器人是用于高速公路環(huán)境下進(jìn)行垃圾清理的，由于人們?cè)诖谁h(huán)境下清理垃圾具有一定的危險(xiǎn)性，本設(shè)計(jì)較好地解決了高速公路垃圾難處理的難題。

通過(guò)在UG軟件三維建模及參數(shù)的設(shè)置，對(duì)垃圾回收機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，仿真總時(shí)長(zhǎng)是25s，總步長(zhǎng)是100，具體仿真結(jié)果如圖3-圖6所示。為了更加直觀地表現(xiàn)出各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)情況，初始狀態(tài)的關(guān)節(jié)臂與末端手爪統(tǒng)一平行，基本上處于同一高度位置，即1.00 m，方便后面的運(yùn)動(dòng)與初始狀態(tài)作比較。

圖3 初始狀態(tài)

圖4 第1關(guān)節(jié)臂旋轉(zhuǎn)5 s后

圖5 第2關(guān)節(jié)臂旋轉(zhuǎn)5 s后

圖6 15 s時(shí)末端手爪狀態(tài)

由圖3-圖6的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，求解了第1關(guān)節(jié)、第2關(guān)節(jié)和末端手爪的角位移曲線、速度曲線，具體變化趨勢(shì)如圖7-圖12所示，且由圖7和圖8知第1關(guān)節(jié)角位移最大值為90.769 rad、最小值為84.728 rad，最大速度為34.964mm/s，0.25s時(shí)速度為6.643mm/s；同理可得第2關(guān)節(jié)、末端手爪的位移和速度數(shù)值。由表1零件部分尺寸，結(jié)合各關(guān)節(jié)臂尺寸及角位移情況可求解其運(yùn)動(dòng)作業(yè)范圍，為回收機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供了數(shù)值基礎(chǔ)。

圖7 第1節(jié)關(guān)節(jié)臂前5 s角位移曲線

圖8 第1節(jié)關(guān)節(jié)臂前5 s速度曲線

圖9 第2節(jié)關(guān)節(jié)臂10 s～15 s角位移曲線

圖10 第2節(jié)關(guān)節(jié)臂10 s～15 s速度曲線

圖11 末端手爪15 s～20 s旋轉(zhuǎn)角位移曲線

圖12 末端手爪15 s～20 s旋轉(zhuǎn)速度曲線

3 PLC控制

為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自動(dòng)化作業(yè)，選取西門子PLC來(lái)控制關(guān)節(jié)臂的運(yùn)動(dòng)、末端手爪的旋轉(zhuǎn)及開合動(dòng)作以及機(jī)器人整體在防護(hù)欄上的運(yùn)行等。根據(jù)控制的需要，列出I/O分配表，如表2所示。

表2 I/O分配表

仿真結(jié)果說(shuō)明：?jiǎn)?dòng)仿真程序處于運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)控程序運(yùn)行過(guò)程。按下啟動(dòng)按鈕I0.0，程序開始運(yùn)行，高速脈沖輸出端Q0.0顯示結(jié)果為運(yùn)行狀態(tài)，且發(fā)出高速脈沖。脈沖發(fā)生器一直處于發(fā)生狀態(tài)，當(dāng)某臺(tái)電機(jī)動(dòng)作的時(shí)候，其電機(jī)的脫開指令不動(dòng)作，此時(shí)這臺(tái)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器完全接通，處于運(yùn)行狀態(tài)，其他電機(jī)則脫開指令動(dòng)作，也就意味著其他電機(jī)不動(dòng)作。圖13為Q0.3和Q0.5通電，此時(shí)對(duì)應(yīng)的電機(jī)M1和M3處于動(dòng)作狀態(tài)。若按下停止按鈕I0.1時(shí)，脈沖發(fā)生器停止發(fā)生脈沖并且清零，則電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。仿真結(jié)果顯示速度、加速度運(yùn)行過(guò)程沒(méi)有突變，運(yùn)行平穩(wěn)。

4 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)是針對(duì)高速公路上收集易拉罐等垃圾而設(shè)計(jì)一款收集的機(jī)器人。首先進(jìn)行了機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，它是以防護(hù)欄為軌道沿著高速路運(yùn)行，根據(jù)防護(hù)欄的高度以及尺寸大小進(jìn)行機(jī)器人機(jī)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)，選擇機(jī)械臂為3節(jié)式，機(jī)械手采用4桿機(jī)構(gòu)，且可以做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。使用NX三維軟件對(duì)機(jī)器人進(jìn)行零件的建模以及整體裝配，用運(yùn)動(dòng)仿真模塊對(duì)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，分析其可行性。用西門子S7-200進(jìn)行控制系統(tǒng)的編程并進(jìn)行了仿真，分析可行性。

圖13 仿真結(jié)果示意圖