基于工業(yè)機(jī)器人玻璃在線堆垛系統(tǒng)的研究-碩士論文

1、<p>　　分類號(hào) 密級(jí) </p><p>　　UDC 編號(hào) </p><p>　　碩 士 學(xué) 位 論 文</p><p>　　基于工業(yè)機(jī)器人玻璃在線堆垛系統(tǒng)的研究</p>&l

2、t;p>　　學(xué) 位 申 請(qǐng) 人： 崔慶東 </p><p>　　指 導(dǎo) 教 師： 崔鳳奎 教授 </p><p>　　王曉強(qiáng) 副教授 </p><p>　　學(xué) 科 專 業(yè)： 機(jī)械制造及其自動(dòng)化 </p><p>　　學(xué) 位 類 別：

3、 工 學(xué) </p><p><b>　　2012年5月</b></p><p>　　論文題目： 基于工業(yè)機(jī)器人玻璃在線堆垛系統(tǒng)的研究 </p><p>　　專 業(yè)： 機(jī)械制造及其自動(dòng)化 </p><p>　　研 究 生：

4、 崔慶東 </p><p>　　指導(dǎo)教師： 崔鳳奎、王曉強(qiáng) </p><p><b>　　摘　要</b></p><p>　　本文在深入了解國(guó)內(nèi)外玻璃在線堆垛行業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有智能堆垛機(jī)械手，設(shè)計(jì)了一套基于工業(yè)機(jī)器人的玻璃在線堆垛系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)

5、動(dòng)學(xué)分析及軌跡規(guī)劃，最終實(shí)現(xiàn)玻璃在線堆垛作業(yè)。</p><p>　　首先根據(jù)系統(tǒng)作業(yè)類型，設(shè)計(jì)系統(tǒng)末端執(zhí)行器。末端執(zhí)行器是系統(tǒng)執(zhí)行部件，根據(jù)玻璃在線堆垛作業(yè)類型設(shè)計(jì)末端執(zhí)行器，即吸盤架。根據(jù)吸盤架吸附玻璃重量、尺寸等具體條件設(shè)計(jì)氣路系統(tǒng)；根據(jù)玻璃在線堆垛系統(tǒng)的具體工作情況和實(shí)際要求，選取了真空發(fā)生器等系統(tǒng)關(guān)鍵部件，最終完成系統(tǒng)的搭建。</p><p>　　用Pro/E軟件建立了工業(yè)機(jī)器人系

6、統(tǒng)的三維實(shí)體模型，根據(jù)關(guān)節(jié)空間關(guān)系坐標(biāo)系，建立D-H模型，計(jì)算得到6個(gè)關(guān)節(jié)坐標(biāo)變換矩陣，求出相鄰連桿的坐標(biāo)變換通式，從而求出正向運(yùn)動(dòng)學(xué)方程；在正向運(yùn)動(dòng)學(xué)求解的基礎(chǔ)上，運(yùn)用解析法求解了逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)問題，并對(duì)多解性作了分析；在關(guān)節(jié)空間中，采用三次多項(xiàng)式函數(shù)法對(duì)機(jī)器人的軌跡進(jìn)行了規(guī)劃，對(duì)玻璃堆垛過程中經(jīng)過的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行三次多項(xiàng)式擬合，得到各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的驅(qū)動(dòng)函數(shù)，從而完成系統(tǒng)的軌跡規(guī)劃。</p><p>　　在Pro/E Me

7、chanism模塊中對(duì)三維實(shí)體模型添加驅(qū)動(dòng)和驅(qū)動(dòng)參數(shù)，根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)求解結(jié)果及系統(tǒng)軌跡規(guī)劃曲線進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，同時(shí)模擬了規(guī)劃軌跡的全過程，并對(duì)這一過程進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，最后用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了軌跡規(guī)劃合理性以及可行性。該項(xiàng)研究的意義在于提高工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的工作效率、為系統(tǒng)編程提供數(shù)據(jù)以及為操作工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)提供理論指導(dǎo)。</p><p>　　關(guān) 鍵 詞：工業(yè)機(jī)器人，吸盤架，運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，堆垛系統(tǒng)</p><

8、p>　　論文類型：應(yīng)用基礎(chǔ)研究</p><p>　　Subject: The Research of Glass-online Stacking System Based on the Industrial Robot </p><p>　　Specialty: Mechanical Manufac

9、turing and Automation </p><p>　　Name: Cui Qingdong </p><p>　　Supervisor: Cui Fengkui Wang Xiaoqiang </p><

10、p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　After the research of domestic and international development of glass online stacking industry and combined with the existed smart stacking robot, this paper desig

11、ned a glass stacking system based on the industrial robot. Kinematic analysis and trajectory planning were done, ultimate the glass online stacking job were realized.</p><p>　　First, according to the operati

12、ng type, designed the end effector of the system. The end effector is the implementation component of the system, according to the glass on-line stacking type designed the suction cup holder. According to glass weight, s

13、ize and other specific conditions to design gas system; according to the specific work conditions and actual requirements of the glass on-line stacking system, select the vacuum generator and other key components, finall

14、y completed the system.</p><p>　　Creaded the 3D solid model of the industrial robot IRB2400 with Pro/E software. Relations based on joint space coordinate, established the D-H model, then calculated and got

15、the six joints transformation coordinates, thus got the kinematic equations. The forward kinematics solution based on the use of the analytical method for solving the inverse kinematics problem, and multiplicity of solut

16、ions are analyzed. Cubic polynomial function of the robot trajectory planning in joint space. Uses the key</p><p>　　Add driver and driver parameters to the three-dimensional solid model in Pro/E Mechanism mo

17、dule, according to the result of kinematics and the system trajectory planning curve to simulation, at the same time to simulate the whole process of planning trajectories, and kinematic analysis, finally, show the ratio

18、nality and feasibility of the trajectory planning used experimental. The significance of the study is to improve the work efficiency of the industrial robot system, to provide data for syst</p><p>　　KEY WORD

19、S: Industrial robot, Suction cup frame, Kinematics analysis, Stacking syetem</p><p>　　Dissertation Type: fundamental research</p><p><b>　　目　　錄</b></p><p><b>　　第1章

20、緒論1</b></p><p>　　1.1 課題來(lái)源1</p><p>　　1.2 課題研究的背景與意義1</p><p>　　1.3 玻璃在線堆垛系統(tǒng)1</p><p>　　1.3.1 人工堆垛2</p><p>　　1.3.2 簡(jiǎn)單機(jī)械堆垛2</p><p>　　1.

21、3.3 基于工業(yè)機(jī)器人的玻璃在線堆垛系統(tǒng)3</p><p>　　1.4 基于工業(yè)機(jī)器人玻璃在線堆垛系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀3</p><p>　　1.4.1 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀3</p><p>　　1.4.2 國(guó)外現(xiàn)狀4</p><p>　　1.5 本文主要內(nèi)容5</p><p>　　1.5.1 論文各章主要內(nèi)容概括5<

22、;/p><p>　　1.5.2 本文主要內(nèi)容結(jié)構(gòu)框架5</p><p>　　第2章 基于工業(yè)機(jī)器人的玻璃在線堆垛系統(tǒng)7</p><p>　　2.1 基于工業(yè)機(jī)器人的玻璃在線堆垛系統(tǒng)7</p><p>　　2.2 工業(yè)機(jī)器人8</p><p>　　2.2.1 工業(yè)機(jī)器人8</p><p>　

23、　2.2.2 工業(yè)機(jī)器人在堆垛系統(tǒng)中的應(yīng)用9</p><p>　　2.2.3 控制系統(tǒng)10</p><p>　　2.3 末端執(zhí)行器11</p><p>　　2.3.1 吸盤架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)11</p><p>　　2.3.2 氣路系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)12</p><p>　　2.3.3 真空器材選型13</p>

24、;<p>　　2.4 本章小結(jié)16</p><p>　　第3章 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析17</p><p>　　3.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的重要性和D-H算法17</p><p>　　3.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)基礎(chǔ)18</p><p>　　3.2.1 位置描述18</p><p>　　3.2.2 姿態(tài)描述18</p

25、><p>　　3.2.3 位姿描述20</p><p>　　3.3 坐標(biāo)系的建立21</p><p>　　3.4 正向運(yùn)動(dòng)學(xué)分析24</p><p>　　3.4.1 相鄰連桿坐標(biāo)系的變換通式24</p><p>　　3.4.2 相鄰連桿坐標(biāo)系的齊次變換矩陣26</p><p>　　3.4.

26、3 正向運(yùn)動(dòng)學(xué)方程28</p><p>　　3.5 逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)分析30</p><p>　　3.5.1 逆解問題的可解性30</p><p>　　3.5.2 解析算法32</p><p>　　3.6 本章小結(jié)35</p><p>　　第4章 系統(tǒng)軌跡規(guī)劃37</p><p>　　4.

27、1 工作空間求解37</p><p>　　4.2 軌跡規(guī)劃方法40</p><p>　　4.3 關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃41</p><p>　　4.4 關(guān)節(jié)軌跡規(guī)劃函數(shù)41</p><p>　　4.4.1 三次多項(xiàng)式函數(shù)法41</p><p>　　4.4.2 過路徑點(diǎn)的三次多項(xiàng)式函數(shù)法43</p>

28、<p>　　4.5 玻璃在線堆垛系統(tǒng)軌跡規(guī)劃45</p><p>　　4.6 本章小結(jié)48</p><p>　　第5章 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析49</p><p>　　5.1 Pro/E軟件簡(jiǎn)介49</p><p>　　5.1.1 Pro/E概述49</p><p>　　5.1.2 Pro/Mechanis

29、m模塊介紹49</p><p>　　5.2 仿真模型的構(gòu)建50</p><p>　　5.2.1 零部件的三維造型50</p><p>　　5.2.2 裝配模型的建立52</p><p>　　5.3 模型仿真及結(jié)果分析53</p><p>　　5.3.1 模型的導(dǎo)入及驅(qū)動(dòng)的添加53</p>&l

30、t;p>　　5.3.2 仿真結(jié)果及分析54</p><p>　　5.4 本章小結(jié)57</p><p>　　第6章 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及分析59</p><p>　　6.1 實(shí)驗(yàn)方案59</p><p>　　6.2 實(shí)驗(yàn)過程60</p><p>　　6.2.1 坐標(biāo)系設(shè)定及編程60</p><

31、p>　　6.2.2 運(yùn)動(dòng)過程分析61</p><p>　　6.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果比對(duì)61</p><p>　　6.4 本章小結(jié)62</p><p><b>　　第7章 結(jié)論63</b></p><p>　　7.1 本文總結(jié)63</p><p>　　7.2 研究展望64</p>

32、;<p><b>　　參考文獻(xiàn)65</b></p><p><b>　　致　　謝68</b></p><p>　　攻讀碩士學(xué)位期間的研究成果69</p><p><b>　　緒論</b></p><p><b>　　課題來(lái)源</b>&l

33、t;/p><p>　　該項(xiàng)目是河南省重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目——基于工業(yè)機(jī)器人的玻璃在線堆垛系統(tǒng)，項(xiàng)目編號(hào)：102102210029。</p><p>　　課題研究的背景與意義</p><p>　　在國(guó)內(nèi)，利用機(jī)器人對(duì)玻璃進(jìn)行在線堆垛的還很少，而且大多技術(shù)不成熟[1,2]。有些大型企業(yè)引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的生產(chǎn)線，成本之高，中小企業(yè)根本無(wú)法承受。目前國(guó)內(nèi)，對(duì)于玻璃的堆垛，大部分采用的是

34、簡(jiǎn)單機(jī)械——水平堆垛機(jī)、垂直堆垛機(jī)，甚至還有人工堆垛的。這些不僅工作效率低，玻璃損傷大，而且近些年勞動(dòng)力成本逐漸增加，這些因素使得玻璃的生產(chǎn)成本不斷增加。所以，尋求一種高效的、從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看減小成本的玻璃在線堆垛系統(tǒng)成為了必然。國(guó)外相關(guān)技術(shù)有些已經(jīng)相當(dāng)成熟，由于各方面的限制，國(guó)內(nèi)這些技術(shù)還有相當(dāng)一段差距。</p><p>　　然而，隨著社會(huì)的發(fā)展、科技的進(jìn)步，以及經(jīng)濟(jì)進(jìn)一步全球化，先進(jìn)生產(chǎn)線的引入，使得國(guó)內(nèi)各個(gè)行業(yè)相

35、繼引入工業(yè)機(jī)器人。玻璃在線堆垛行業(yè)也不例外。實(shí)踐證明，玻璃在線堆垛技術(shù)，特別是工業(yè)機(jī)器人玻璃在線堆垛技術(shù)以其在機(jī)械性能、設(shè)備占地空間、適用范圍、靈活性等各方面的優(yōu)勢(shì)使之應(yīng)用逐漸廣泛。因此，很有必要研究基于工業(yè)機(jī)器人的玻璃在線堆垛系統(tǒng)。這是玻璃在線堆垛行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。</p><p><b>　　玻璃在線堆垛系統(tǒng)</b></p><p>　　目前，玻璃在線堆垛行業(yè)主要存

36、在三種堆垛形式——人工堆垛、簡(jiǎn)單機(jī)械堆垛、機(jī)器人堆垛[3]。其中，人工堆垛是最古老，最落后的堆垛形式，隨著社會(huì)、科技的進(jìn)步和勞動(dòng)力價(jià)值的提高，人工堆垛形式現(xiàn)在用的很少；簡(jiǎn)單機(jī)械主要包括水平堆垛機(jī)和垂直堆垛機(jī)，是目前玻璃在線堆垛行業(yè)用的最廣泛的一種堆垛形式[4-6,9]；機(jī)器人堆垛是新生事物，存在很大的發(fā)展?jié)摿?，目前?guó)內(nèi)較大的企業(yè)主要采用進(jìn)口的機(jī)器人堆垛設(shè)備，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品也已逐漸投入市場(chǎng)，主要以價(jià)格優(yōu)勢(shì)參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，技術(shù)目前還不夠成熟[7,8

37、]。</p><p><b>　　人工堆垛</b></p><p>　　人工堆垛是以工人為主體的堆垛形式，即大部分甚至全部工作由人工完成。玻璃在線堆垛，有相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間都是由人工堆垛完成。即使是在高新技術(shù)不斷涌現(xiàn)的今天，仍有相當(dāng)一部分中小型玻璃廠采用人工堆垛。人工堆垛不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大，不安全，而且損壞比較嚴(yán)重，如摔碎，擦傷等。而且堆垛效果易受工人精神狀態(tài)的影響，堆垛質(zhì)量

38、不穩(wěn)定。更重要的是，堆垛過程中很容易引發(fā)人員傷亡。隨著工人工資的提高以及人們對(duì)勞動(dòng)條件的要求越來(lái)越高，人工堆垛玻璃問題逐漸凸顯；隨著玻璃行業(yè)的高速發(fā)展，玻璃規(guī)格進(jìn)一步增加，人力堆垛已無(wú)法適應(yīng)；隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)的進(jìn)步以及人們對(duì)勞動(dòng)條件的要求越來(lái)越高，人工堆垛玻璃勢(shì)必向機(jī)器堆垛轉(zhuǎn)變，用機(jī)械取代人工勞動(dòng)勢(shì)在必行。</p><p><b>　　簡(jiǎn)單機(jī)械堆垛</b></p><

39、p>　　簡(jiǎn)單機(jī)械堆垛機(jī)主要包括水平堆垛機(jī)和垂直堆垛機(jī)[10-12]：</p><p>　　水平堆垛機(jī)：水平堆垛機(jī)一般是利用安裝在珩架上的堆垛小車把玻璃從生產(chǎn)線輥道上取下，平整地堆成垛，然后裝箱打包運(yùn)走。取片時(shí)堆垛小車上的吸盤架下降，當(dāng)吸盤與玻璃接觸良好后，利用真空形成負(fù)壓，吸盤吸住玻璃。然后玻璃連同吸盤架一起上升到一定高度，使玻璃脫離生產(chǎn)線輥道。堆垛小車沿珩架運(yùn)動(dòng)到堆垛工位將玻璃放到堆垛平臺(tái)上，堆垛小車再回

40、到生產(chǎn)線輥道上抓取下一片玻璃[13]。水平堆垛機(jī)由于堆垛小車在珩架上運(yùn)動(dòng)，小車本身有一定的重量，慣性較大，加之吸盤架升降時(shí)間長(zhǎng)，所以堆垛周期較長(zhǎng)（7～20s），且需要豎起二次裝箱或儲(chǔ)存，造成成品的擦傷或二次損壞，降低合格率[14,15]。</p><p>　　垂直堆垛機(jī)：垂直堆垛機(jī)堆垛周期一般比水平堆垛機(jī)的堆垛周期要短，速度較快。以擺桿型垂直堆垛機(jī)來(lái)講，小片堆垛機(jī)堆垛周期小于6s，能適應(yīng)較大規(guī)模平板玻璃生產(chǎn)線的堆

41、垛需要。并且解決了國(guó)外同類堆垛機(jī)玻璃底部“蹭邊”現(xiàn)象的發(fā)生，在集裝架小車上設(shè)置了雙絲桿步退機(jī)構(gòu)，避免因玻璃架放置不正，導(dǎo)致玻璃局部受力而壓碎玻璃。</p><p>　　垂直堆垛機(jī)主要采用四連桿機(jī)構(gòu)，運(yùn)行平穩(wěn)，軌跡合理，堆垛效果較好，玻璃劃傷少，堆垛周期較短，一般為小片3～5s，中片4～8s，大片15～30s。但人工鋪紙相對(duì)較難，且單臺(tái)垂直堆垛機(jī)只能堆垛一種規(guī)格或品種的玻璃。所以，如果用垂直堆垛機(jī)在線堆垛玻璃，一個(gè)

42、生產(chǎn)線上如果有多種規(guī)格的玻璃，那么就要安裝不同規(guī)格的垂直堆垛機(jī)。很明顯，占用資源比較多，要求場(chǎng)地比較大。</p><p>　　基于工業(yè)機(jī)器人的玻璃在線堆垛系統(tǒng)</p><p>　　基于工業(yè)機(jī)器人的玻璃在線堆垛系統(tǒng)，涉及多門相關(guān)學(xué)科，是高新技術(shù)的產(chǎn)物，其主要由兩部分組成，即工業(yè)機(jī)器人和末端執(zhí)行器，其中工業(yè)機(jī)器人包括機(jī)器人本體及控制器。隨著科技的進(jìn)步和機(jī)器人技術(shù)的不斷成熟，工業(yè)機(jī)器人不但性能和

43、可操作性大大提高，而且制造成本逐步下降，這就為工業(yè)機(jī)器人的推廣應(yīng)用提供了可能性?；诠I(yè)機(jī)器人的玻璃在線堆垛系統(tǒng)是人工智能的體現(xiàn)，具有較強(qiáng)的柔性控制方式，這是一般堆垛機(jī)械無(wú)法與之相比的。工業(yè)機(jī)器人堆垛系統(tǒng)在許多生產(chǎn)領(lǐng)域的使用實(shí)踐證明，它在提高生產(chǎn)自動(dòng)化水平，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量以及經(jīng)濟(jì)效益，改善工人勞動(dòng)條件等方面，有著不可替代的作用[16-22]。隨著經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)器人技術(shù)進(jìn)一步成熟并逐步實(shí)現(xiàn)模塊化、集成化，

44、工業(yè)機(jī)器人價(jià)格逐年下降，性能逐步提高，可完成的工作越來(lái)越復(fù)雜，受到制造業(yè)的廣泛關(guān)注。</p><p>　　基于工業(yè)機(jī)器人玻璃在線堆垛系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀</p><p><b>　　國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀</b></p><p>　　國(guó)內(nèi)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)起步較晚，發(fā)展也比較緩慢，因此堆垛系統(tǒng)相對(duì)不成熟[23-28]。近年來(lái)，隨著國(guó)際現(xiàn)代化堆垛系統(tǒng)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)專家、

45、學(xué)者對(duì)此也展開了深入的研究。從規(guī)劃的空間來(lái)說機(jī)器人的軌跡規(guī)劃分為關(guān)節(jié)空間的軌跡規(guī)劃和笛卡兒空間的軌跡規(guī)劃兩種，關(guān)節(jié)空間的軌跡規(guī)劃是以關(guān)節(jié)角度的函數(shù)來(lái)描述機(jī)器人的軌跡的，也就是說機(jī)器人末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)軌跡是由關(guān)節(jié)變量直接確定的，所以在關(guān)節(jié)空間中進(jìn)行軌跡規(guī)劃時(shí)，計(jì)算簡(jiǎn)單。再者，由于關(guān)節(jié)空間與直角坐標(biāo)空間之間并不是連續(xù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因而不存在機(jī)構(gòu)的奇異性問題。但關(guān)節(jié)空間和直角空間的幾何元素不是線性關(guān)系，所以當(dāng)關(guān)節(jié)變量呈線性變化時(shí)在直角空間參考點(diǎn)

46、的運(yùn)動(dòng)軌跡并不形成直線。所以只有那些無(wú)路徑要求的作業(yè)，才能在關(guān)節(jié)空間直接進(jìn)行軌跡規(guī)劃。如呂世增、張大衛(wèi)等人對(duì)對(duì)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)旋量方程的求解問題的研究?；谛坷碚摻?R機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，與傳統(tǒng)的 D-H 參數(shù)法相比，旋量法從整體上描述剛體的運(yùn)動(dòng)，避免了用局部坐標(biāo)系描述時(shí)所造成的奇異性問題[29]；周鈞等人對(duì)玻璃堆垛機(jī)步退問題的研究，采用隨機(jī)步退原理，避免產(chǎn)生累積誤差[30]；張裊娜等對(duì)柔性機(jī)械臂的控制及仿真的研究，用Lagra</p

47、><p><b>　　國(guó)外現(xiàn)狀</b></p><p>　　國(guó)外的玻璃在線堆垛系統(tǒng)，技術(shù)較為成熟。主要以德國(guó)格林策巴赫公司（GRENZEBACH公司）的產(chǎn)品為代表。該產(chǎn)品自動(dòng)化程度高，堆垛效果好。主要表現(xiàn)為碼放整齊，玻璃在倒運(yùn)過程中不易破壞（具有自動(dòng)鋪紙功能，但條件要求苛刻）[32]。但其價(jià)格昂貴，令中小型企業(yè)望而卻步。其它的主要有以色列愛司康以及意大利保特羅公司的機(jī)械手

48、堆垛系統(tǒng)。</p><p>　　目前，國(guó)外專家學(xué)者的研究主要集中在系統(tǒng)軌跡規(guī)劃上。從規(guī)劃的時(shí)間來(lái)看機(jī)器人的時(shí)間最優(yōu)軌跡規(guī)劃是現(xiàn)在大多數(shù)學(xué)者比較感興趣的課題。機(jī)器人的時(shí)間最優(yōu)軌跡規(guī)劃是指以時(shí)間最短作為性能指標(biāo)并在滿足各種約束的條件下優(yōu)化機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡，使機(jī)器人手部在兩點(diǎn)之間或沿著規(guī)化軌跡運(yùn)動(dòng)的時(shí)間最短，進(jìn)行這項(xiàng)研究的實(shí)際意義在于提高工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的工作效率。對(duì)于時(shí)間最優(yōu)軌跡規(guī)劃迄今為止己有不少學(xué)者對(duì)它進(jìn)行過研究并

49、建立了許多解決這個(gè)問題的方法，這些方法大致可以分為以下幾種類型：(1)利用最大速度和(或)最大加速度約束條件，求解機(jī)器人的時(shí)間最優(yōu)軌跡規(guī)劃[33]。(2)利用各種非線性約束最優(yōu)化算法來(lái)求解具有運(yùn)動(dòng)學(xué)(或)動(dòng)力學(xué)約束的機(jī)器人時(shí)間最優(yōu)軌跡規(guī)劃[34]。在軌跡規(guī)劃中涉及到的優(yōu)化算法有采用改進(jìn)的混沌優(yōu)化算法、黃金分割法、模糊算法、遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法[35,36]等等。結(jié)果表明這些優(yōu)化算法求解速度快，易于實(shí)現(xiàn)，進(jìn)一步減少了運(yùn)行時(shí)間，從而有效地

50、實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)約束條件下的時(shí)間最優(yōu)軌跡的設(shè)計(jì)。但由于各種優(yōu)化算法各有其優(yōu)缺點(diǎn)，至今還沒有一種通用的優(yōu)化算法來(lái)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)軌跡的確定。</p><p>　　在視覺定位系統(tǒng)方面，Hartley 和Faugeras等提出了自標(biāo)定或弱標(biāo)定的方法、H. Yoshimi 和K. Allen 提出了非標(biāo)定目標(biāo)對(duì)準(zhǔn)手眼協(xié)調(diào)系統(tǒng)[37,38]；對(duì)于多關(guān)節(jié)機(jī)器人，在非線性系統(tǒng)的軌跡規(guī)劃中，對(duì)逆系統(tǒng)方法進(jìn)行了許多研究，Asp

51、inwall的脈沖構(gòu)造法，把機(jī)械手的動(dòng)作歸結(jié)為非線性的兩點(diǎn)邊值問題[39-42]，這些方法比較復(fù)雜，目前還不成熟。</p><p><b>　　本文主要內(nèi)容</b></p><p>　　論文各章主要內(nèi)容概括</p><p>　　第1章：緒論。提出了課題的來(lái)源并分析了本課題的研究背景與意義?；仡櫫瞬Ａг诰€堆垛系統(tǒng)的發(fā)展歷程及目前存在的幾種玻璃在線

52、堆垛形式；分析了玻璃在線堆垛系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀，并提出了玻璃在線堆垛系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。</p><p>　　第2章：基于工業(yè)機(jī)器人的玻璃在堆垛系統(tǒng)的組成。本章主要介紹了基于工業(yè)機(jī)器人的玻璃在堆垛系統(tǒng)的兩個(gè)組成部分，即工業(yè)機(jī)器人和末端執(zhí)行器；簡(jiǎn)要介紹了工業(yè)機(jī)器人概況并提出本研究中所用到的工業(yè)機(jī)器人；設(shè)計(jì)出了末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)、氣路系統(tǒng)，并完成真空元器件的選取工作；最后給出了基于工業(yè)機(jī)器人玻璃在堆垛系統(tǒng)的安裝圖。</

53、p><p>　　第3章：工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。簡(jiǎn)要介紹了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的重要性和算法；回顧了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析中用到的基本數(shù)學(xué)知識(shí)；分析了空間連桿坐標(biāo)系的構(gòu)建方法，并建立各關(guān)節(jié)空間坐標(biāo)系。最后用D-H方法推導(dǎo)出各關(guān)節(jié)變換矩陣，完成機(jī)器人正、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的求解。為后續(xù)的軌跡規(guī)劃及仿真打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。</p><p>　　第4章：機(jī)器人軌跡規(guī)劃。介紹了機(jī)器人軌跡規(guī)劃的基本概念和一般性問題；針對(duì)本課題所用的關(guān)

54、節(jié)機(jī)器人分析了關(guān)節(jié)空間路徑軌跡規(guī)劃；選定本課題的規(guī)劃方法-三次多項(xiàng)式法，分析了三次多項(xiàng)式差值，求出了位置、速度、加速度函數(shù)及其解，為后續(xù)的仿真分析做好充分的準(zhǔn)備。</p><p>　　第5章：運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析。本章介紹了三維實(shí)體建模軟件Pro/Engineer及其仿真分析模塊Pro/Mechanism；對(duì)實(shí)驗(yàn)用的工業(yè)機(jī)器人IRB2400/16進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，創(chuàng)建機(jī)器人零部件，然后完成裝配；在Mechanism中進(jìn)行仿

55、真分析，繪出仿真曲線圖，并對(duì)仿真結(jié)果做了具體分析。</p><p>　　第6章：實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)主要是驗(yàn)證前面各章分析和規(guī)劃的是否正確與合理。主要完成了玻璃在線堆垛的一整套動(dòng)作，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與規(guī)劃數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果做了具體分析。</p><p>　　第7章：結(jié)論?？偨Y(jié)了研究的主要結(jié)論，提出了本研究進(jìn)一步的研究方向。</p><p>　　本文主要內(nèi)容結(jié)構(gòu)框架</p

56、><p>　　本文的研究?jī)?nèi)容主要從以下幾個(gè)方面展開：(1) ABB-IRB 2400/10 型工業(yè)機(jī)器人的坐標(biāo)系的建立及其坐標(biāo)變換。機(jī)器人的坐標(biāo)系及其坐標(biāo)變換是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的基礎(chǔ)，它直接關(guān)系到運(yùn)動(dòng)求解的難易程度。(2) ABB-IRB 2400/10 型工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。主要研究了機(jī)器人的正向運(yùn)動(dòng)學(xué)和逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)。正向運(yùn)動(dòng)學(xué)為求解機(jī)器人的工作空間提供理論依據(jù)，逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)是在笛卡爾空間規(guī)劃?rùn)C(jī)器人軌跡的基礎(chǔ)。(3)

57、ABB-IRB 2400/10 型工業(yè)機(jī)器人的工作空間。求解機(jī)器人的工作空間是為軌跡規(guī)劃做準(zhǔn)備工作。(4) 規(guī)劃ABB-IRB 2400/10 型工業(yè)機(jī)器人在關(guān)節(jié)空間的軌跡。(5) 建立ABB-IRB 2400/10型工業(yè)機(jī)器人的模型，在Pro/Mechanism模塊里進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，并分析仿真結(jié)果。(6) 驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。框架結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。</p><p><b>　　圖1-1論文的結(jié)構(gòu)</b&

58、gt;</p><p>　　Fig. 1-1 The structure of the article</p><p>　　基于工業(yè)機(jī)器人的玻璃在線堆垛系統(tǒng)</p><p>　　基于工業(yè)機(jī)器人的玻璃在線堆垛系統(tǒng)，涉及多門相關(guān)學(xué)科，是高新技術(shù)的產(chǎn)物，其主要由兩部分組成，即工業(yè)機(jī)器人和末端執(zhí)行器，其中工業(yè)機(jī)器人包括機(jī)器人本體及控制器。工業(yè)機(jī)器人本體是根據(jù)作業(yè)類型、單次作

59、業(yè)量以及作業(yè)范圍選取的；控制器一般是與工業(yè)機(jī)器人本體相對(duì)應(yīng)的，對(duì)每個(gè)類型的工業(yè)機(jī)器人，廠家都有與之標(biāo)配的控制器或控制系統(tǒng)，不需要用戶另外選擇；末端執(zhí)行器是綜合作業(yè)對(duì)象類型、作業(yè)對(duì)象尺寸、工業(yè)機(jī)器人本體承重等因素后而自行設(shè)計(jì)的機(jī)械執(zhí)行結(jié)構(gòu)。</p><p>　　基于工業(yè)機(jī)器人的玻璃在線堆垛系統(tǒng)</p><p>　　本研究設(shè)計(jì)的基于工業(yè)機(jī)器人的玻璃在線堆垛系統(tǒng)如圖2-1所示。</p>

60、;<p>　　圖2-1基于工業(yè)機(jī)器人的玻璃在線堆垛系統(tǒng)</p><p>　　Fig. 2-1 The glass online stacking system based on the industrial robot</p><p>　　主要包括工業(yè)機(jī)器人本體、控制柜、末端執(zhí)行器及氣路系統(tǒng)等。該系統(tǒng)主要完成對(duì)玻璃的在線堆垛作業(yè)，工業(yè)機(jī)器人本體的六個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸均有AC伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)

61、，每個(gè)電機(jī)厚均有編碼器與剎車，運(yùn)動(dòng)精度（綜合）達(dá)到0.05 mm至0.2 mm；控制柜里主要有運(yùn)動(dòng)控制器、驅(qū)動(dòng)器以及I/O接口，通過I/O接口可以添加外圍設(shè)備，也可以接入工業(yè)以太網(wǎng)；末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)及其與工業(yè)機(jī)器人的連接形式如圖2-1中所示；氣路系統(tǒng)有各種真空元器件組成，其安裝見圖2-1。</p><p>　　基于工業(yè)機(jī)器人的玻璃在線堆垛系統(tǒng)是人工智能的體現(xiàn)，具有較強(qiáng)的柔性控制方式，這是一般堆垛機(jī)械無(wú)法與之相比的

62、。工業(yè)機(jī)器人堆垛系統(tǒng)在許多生產(chǎn)領(lǐng)域的使用實(shí)踐證明，它在提高生產(chǎn)自動(dòng)化水平，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量以及經(jīng)濟(jì)效益，改善工人勞動(dòng)條件等方面，有著不可替代的作用。隨著經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)器人技術(shù)進(jìn)一步成熟并逐步實(shí)現(xiàn)模塊化、集成化，工業(yè)機(jī)器人價(jià)格逐年下降，性能逐步提高，可完成的工作越來(lái)越復(fù)雜，受到制造業(yè)的廣泛關(guān)注。</p><p>　　基于工業(yè)機(jī)器人的玻璃在線堆垛系統(tǒng)的特點(diǎn)：基于工業(yè)機(jī)器人的玻璃在線堆垛

63、系統(tǒng)不僅工作效率高、速度快、穩(wěn)定可靠、重復(fù)精度高，而且單臺(tái)機(jī)器可同時(shí)堆垛多種規(guī)格或等級(jí)的玻璃；機(jī)器利用率高，核心部件工業(yè)機(jī)器人可以工作長(zhǎng)達(dá)10-15年，如果期間生產(chǎn)線改造或其他原因停產(chǎn)，只需要稍加改造或更換執(zhí)行機(jī)構(gòu)就能滿足新的生產(chǎn)要求，而簡(jiǎn)單的堆垛機(jī)械只能廢棄或低價(jià)轉(zhuǎn)讓；自動(dòng)化程度極高，基于工業(yè)機(jī)器人的玻璃在線堆垛系統(tǒng)一旦用于生產(chǎn)線，需要人工干預(yù)很少，只有當(dāng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)或堆垛計(jì)劃需要調(diào)整時(shí)才需要人工干預(yù)；但是，基于工業(yè)機(jī)器人的玻璃在線堆垛系

64、統(tǒng)造價(jià)相對(duì)較高，需要專業(yè)技術(shù)人員維護(hù)與保養(yǎng)，而且，使用中一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障，由于其組成部分較復(fù)雜，問題不容易解決，需要多方面考慮，一般情況下維修周期較長(zhǎng)。近年來(lái)，隨著自動(dòng)化水平和科技的進(jìn)步，基于工業(yè)機(jī)器人的玻璃在線堆垛系統(tǒng)價(jià)格逐漸下降，性能趨于穩(wěn)定，這些都有利于基于工業(yè)機(jī)器人的玻璃在線堆垛系統(tǒng)的推廣與應(yīng)用[43,44]。</p><p><b>　　工業(yè)機(jī)器人</b></p>&

65、lt;p><b>　　工業(yè)機(jī)器人</b></p><p>　　“機(jī)器人”在現(xiàn)代社會(huì)中已經(jīng)不是一個(gè)陌生的名詞，衣食住行所用的，都不乏用到機(jī)器人生產(chǎn)、加工。機(jī)器人是一種可重復(fù)編程控制的智能機(jī)械，它已經(jīng)滲透了生產(chǎn)、生活的各個(gè)方面。比如汽車，它的后期成型加工幾乎全靠機(jī)器人完成，用到焊接機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人、噴涂機(jī)器人等等。機(jī)器人不僅能夠代替工人完成重復(fù)、勞動(dòng)強(qiáng)度大、環(huán)境惡劣、危險(xiǎn)等的各種簡(jiǎn)單勞動(dòng)

66、，智能機(jī)器人還能夠根據(jù)環(huán)境條件作出具體分析，具有分析判斷的能力。</p><p>　　機(jī)器人技術(shù)涵蓋了計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、自動(dòng)控制理論、傳感技術(shù)，并綜合了人工智能及仿生學(xué)等前沿學(xué)科理論，是體現(xiàn)一個(gè)國(guó)家或地區(qū)自動(dòng)化水平高低的重</p><p>　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制理論的發(fā)展，機(jī)器人從無(wú)到有，從美國(guó)第一臺(tái)機(jī)器人誕生，到日本機(jī)器人的普及，越來(lái)越受到人們的關(guān)注。隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器

67、人技術(shù)已經(jīng)很成熟，用于工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐也越來(lái)越廣泛。</p><p>　　國(guó)外工業(yè)機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。20世紀(jì)80年代以來(lái)，由于工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式由液壓驅(qū)動(dòng)向伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)變，使機(jī)器人無(wú)論從響應(yīng)速度、靈活性、精度方面都有很大的提高；中央處理器（CPU）處理速度的提高使工業(yè)機(jī)器人的性能更加完善，處理速度的提高，讓機(jī)器人能夠完成更為復(fù)雜的工作任務(wù)，增大了工業(yè)機(jī)器人的作業(yè)范圍；傳感器技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用不僅提高了工業(yè)機(jī)器人

68、的智能化程度，也拓寬了它的應(yīng)用領(lǐng)域。發(fā)展到今天，以日本、美國(guó)、德國(guó)為首的發(fā)達(dá)國(guó)家的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，并向智能機(jī)器人、特種機(jī)器人方向發(fā)展[45,46]。</p><p>　　我國(guó)工業(yè)機(jī)器人起步較晚，開始使用在上世紀(jì)90年代，改革開放以來(lái)發(fā)展迅速，如今也已有自己的產(chǎn)品，但距離發(fā)達(dá)國(guó)家的技術(shù)還有一定差距。我國(guó)早在“七五”、“八五”、“九五”及“863”計(jì)劃中，就對(duì)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用給予了特別重視。經(jīng)過

69、艱苦奮戰(zhàn)，開發(fā)了搬運(yùn)、點(diǎn)焊、裝配、噴涂、碼垛等具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的工業(yè)機(jī)器人，有些關(guān)鍵技術(shù)已接近世界先進(jìn)水平。經(jīng)過20多年的學(xué)習(xí)與開發(fā)，我國(guó)在機(jī)器人技術(shù)和應(yīng)用方面都有很大的提高，并且成功的將工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用于傳統(tǒng)行業(yè)，提高了企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力；并開發(fā)了世界一流水平的水下作業(yè)機(jī)器人及排爆機(jī)器人。本研究中用到的機(jī)器人是IRB2400。IRB是指ABB公司的標(biāo)準(zhǔn)系列機(jī)器人。</p><p>　　工業(yè)機(jī)器人在堆垛系統(tǒng)中的應(yīng)用<

70、/p><p>　　基于工業(yè)機(jī)器人的玻璃在線堆垛系統(tǒng)的基礎(chǔ)是工業(yè)機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人在工業(yè)中的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)廣泛，尤以在汽車等行業(yè)應(yīng)用最多。隨著科技的進(jìn)步和機(jī)器人技術(shù)的不斷成熟，工業(yè)機(jī)器人不但性能和可操作性大大提高，而且制造成本逐步下降，這就為工業(yè)機(jī)器人的推廣應(yīng)用提供了可能性。</p><p>　　工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用于玻璃在線堆垛系統(tǒng)中，其主要表現(xiàn)形式是在工業(yè)機(jī)器人手腕的末端配上自行設(shè)計(jì)的吸盤架，再加上

71、控制系統(tǒng)對(duì)玻璃進(jìn)行在線堆垛。對(duì)于中小型玻璃，企業(yè)一般采用在玻璃輸送軌道兩側(cè)交錯(cuò)布置若干臺(tái)工業(yè)機(jī)器人。對(duì)于大型玻璃的堆垛要用到承載能力較大的工業(yè)機(jī)器人或兩臺(tái)協(xié)同工作的中型工業(yè)機(jī)器人。如果在生產(chǎn)線上安裝承載能力較大的工業(yè)機(jī)器人，固然可以，但是，由于承載能力較大的工業(yè)機(jī)器人功率大，且只適合堆垛較大的玻璃。所以，可以考慮采用兩臺(tái)中型工業(yè)機(jī)器人協(xié)同工作來(lái)代替單臺(tái)承載能力較大的工業(yè)機(jī)器人。中型工業(yè)機(jī)器人還可以單獨(dú)工作以堆垛中小型玻璃，這樣，既可以節(jié)

72、約企業(yè)成本，又可以提高機(jī)器的利用率。</p><p>　　基于工業(yè)機(jī)器人的玻璃在線堆垛系統(tǒng)用到的末端執(zhí)行器是吸盤架。吸盤架用螺栓連接在工業(yè)機(jī)器人的手腕上?；诠I(yè)機(jī)器人的玻璃在線堆垛系統(tǒng)的抓取機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)就在于，用戶可以根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)的玻璃的規(guī)格安裝與之對(duì)應(yīng)的吸盤架。這樣就保證了一條生產(chǎn)線上的單臺(tái)工業(yè)機(jī)器人可以完成大部分甚至全部工作。這也正是基于工業(yè)機(jī)器人的玻璃在線堆的優(yōu)點(diǎn)之所在。如果生產(chǎn)線改造或其他原因停產(chǎn)，只需要

73、稍加改造或更換執(zhí)行機(jī)構(gòu)就能滿足新的生產(chǎn)要求。</p><p><b>　　控制系統(tǒng)</b></p><p>　　圖2-2工業(yè)機(jī)器人控制框圖</p><p>　　Fig. 2-2 Industrial robot control block diagram</p><p>　　一般工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)控制框圖如圖2-2。系統(tǒng)采用

74、DCS（Distributed Control System，DCS）控制方式?？刂葡到y(tǒng)一般由操作臺(tái)、上位機(jī)、控制器、傳感器、外圍設(shè)備等幾部分組成。操作臺(tái)是人機(jī)對(duì)話，實(shí)現(xiàn)人工干預(yù)的主要途徑，同時(shí)顯示各種進(jìn)程或數(shù)據(jù)。上位機(jī)是指人可以直接發(fā)出操控命令的計(jì)算機(jī)。控制器接受由上位機(jī)傳來(lái)的信號(hào)，解釋成相應(yīng)時(shí)序信號(hào)再傳送到伺服電機(jī)，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)以帶動(dòng)工業(yè)機(jī)器人本體進(jìn)行工作（本研究中還未涉及到傳感器）。</p><p>　　目

75、前，基于工業(yè)機(jī)器人的玻璃在線堆垛系統(tǒng)控制比較專業(yè)，也比較復(fù)雜，其控制流程圖參見圖6-1。當(dāng)一條生產(chǎn)線安裝成功之后，由于其自動(dòng)化水平較高，所以需要的人工干預(yù)比較少。只有當(dāng)生產(chǎn)計(jì)劃或參數(shù)需要調(diào)整時(shí)才需要人工干預(yù)。</p><p><b>　　末端執(zhí)行器</b></p><p>　　目前，機(jī)器人行業(yè)中，以工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用最為廣泛，技術(shù)也最為成熟?；诠I(yè)機(jī)器人的大多數(shù)系統(tǒng)，在

76、執(zhí)行部分的末端，根據(jù)不同的需要，會(huì)安裝相應(yīng)的工具，這部分就稱為末端執(zhí)行器。實(shí)際應(yīng)用中，設(shè)計(jì)人員會(huì)根據(jù)不同的需要，對(duì)工業(yè)機(jī)器人配備相對(duì)應(yīng)的末端執(zhí)行器，以保證系統(tǒng)能正常完成需要的工作。本研究中，系統(tǒng)要完成玻璃的堆垛工作，末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)成吸盤架。</p><p>　　眾所周知，碼垛行業(yè)也是近幾年來(lái)的新興產(chǎn)業(yè)，并且有很好的發(fā)展前景。用于碼垛的主要機(jī)械就是工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)不同的需要設(shè)計(jì)安裝對(duì)應(yīng)的末端執(zhí)行器

77、。而對(duì)于工業(yè)機(jī)器人來(lái)說，只需要將末端執(zhí)行器換掉，就能執(zhí)行新的工作。這樣不僅減輕了公司的經(jīng)濟(jì)壓力，而且系統(tǒng)的堆垛效果好，堆垛精度也很高。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，不僅堆垛成本低，而且也有利于避免在堆垛過程中認(rèn)為的擦傷或污染。</p><p>　　在末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)中，根據(jù)堆垛物品的不同，考慮其物理特性，設(shè)計(jì)出合乎要求的末端執(zhí)行器。比如，在鋼鐵生產(chǎn)過程中，對(duì)于成型的鋼板，要想堆垛或裝箱，根據(jù)其物理特性，一般采用電磁鐵吸附。即末端執(zhí)

78、行器采用電感線圈，當(dāng)通電時(shí)，機(jī)器人將鋼板吸起，進(jìn)而完成堆垛或裝箱；而對(duì)于比較輕的比如紙張、鞋盒之類的物件，一般采用空氣吸附的辦法，即在工業(yè)機(jī)器人的末端裝上帶有真空吸盤的吸盤架，將吸盤貼在物品表面，然后抽氣，當(dāng)達(dá)到一定的真空度時(shí)，物品就能被吸附，從而完成其他的堆垛或者裝卸工作。</p><p><b>　　吸盤架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　對(duì)于吸盤架的結(jié)構(gòu)，要

79、求不僅要強(qiáng)度夠，而且要重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中抓取物的重量最大為16kg，所以能抓取的玻璃也只能是小型的玻璃。有于吸盤架要有一定的重量，所以吸盤架最終能抓取的玻璃的重量在10kg左右?？紤]到玻璃的厚度在3至5mm，計(jì)算到玻璃的外形尺寸在1000×500mm范圍內(nèi)。因?yàn)樵O(shè)計(jì)的吸盤架只是用于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的性能，又加上成本的問題，設(shè)計(jì)的吸盤架外形比較簡(jiǎn)單，外形圖如圖2-3所示：</p><p><b&g

80、t;　　圖2-3吸盤架</b></p><p>　　Fig. 2-3 Suction cup frame</p><p>　　將六個(gè)吸盤裝在吸盤架的對(duì)應(yīng)位置，注意安裝時(shí)要保證各個(gè)吸盤的唇部在一個(gè)平面內(nèi)，然后用PU管連接，如圖2-3所示。由于抓取重量的限制，其他氣動(dòng)元器件沒有加在吸盤架上，以增加抓取重量。</p><p><b>　　氣路系統(tǒng)方案

81、設(shè)計(jì)</b></p><p>　　在吸盤架的設(shè)計(jì)中，一個(gè)重要的方面就是要設(shè)計(jì)出一個(gè)最佳的氣路方案。氣路要求是：盡量縮短氣管的長(zhǎng)度，以減少被吸真空的體積，從而提高玻璃吸附效率。設(shè)計(jì)氣路的平面圖如圖2-4所示，其原理圖如圖2-5所示。</p><p>　　圖2-4氣路平面圖 圖2-5氣路原理圖</p><p>　　F

82、ig. 2-4 Gas path plan Fig. 2-5 Pneumatic schematic diagram</p><p>　　圖2-4中1至11名稱及作用：</p><p>　　1. 真空發(fā)生器--利用壓縮空氣來(lái)產(chǎn)生真空；</p><p>　　2. 空氣調(diào)節(jié)閥--控制供應(yīng)真空泵的壓縮空氣（ON / OFF）；</p>

83、;<p>　　3. 空氣調(diào)節(jié)閥--解除真空；</p><p>　　4. 真空過濾器--防止不純物進(jìn)入真空泵；</p><p>　　5. 真空開關(guān)--達(dá)到設(shè)定的真空度就發(fā)出信號(hào)；</p><p>　　6. 緩沖連接器--緩沖、調(diào)節(jié)真空吸盤和物體之間的高度；</p><p>　　7. 真空吸盤--吸住被移送物體的表面搬運(yùn)物體的配件；

84、</p><p>　　8. 空氣壓力調(diào)節(jié)過濾器--調(diào)節(jié)空氣壓力以及過濾作用；</p><p>　　9. 分配器--一個(gè)系統(tǒng)分多數(shù)系統(tǒng)連接；</p><p>　　10. 流量調(diào)節(jié)閥--調(diào)節(jié)流量；</p><p>　　11. 截止閥--防止真空系統(tǒng)的逆流。</p><p><b>　　真空器材選型</b&g

85、t;</p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)好的氣路系統(tǒng)，通過計(jì)算，選擇合適的相關(guān)材料和器材。其中空氣調(diào)節(jié)閥、空氣調(diào)節(jié)閥、真空過濾器、真空開關(guān)、空氣壓力調(diào)節(jié)過濾器、流量調(diào)節(jié)閥、截止閥等是常用的氣動(dòng)器材，按照相應(yīng)的參數(shù)，參照說明書，即可選擇。這里主要介紹真空吸盤和真空發(fā)生器的計(jì)算選擇。</p><p><b>　　1. 真空吸盤選型</b></p><p>

86、;　　真空吸盤是玻璃堆垛行業(yè)常用的一種真空器材。一般用于平板玻璃的搬運(yùn)或堆垛。通過吸盤唇邊與玻璃接觸，用真空發(fā)生器或真空泵等將吸盤內(nèi)抽成真空或達(dá)到一定的真空度，然后機(jī)械手通過提起吸盤架，將玻璃連帶提起，進(jìn)而達(dá)到搬運(yùn)或堆垛的功效。針對(duì)被搬運(yùn)物體的不同，要選擇相應(yīng)材質(zhì)的吸盤，這是真空吸盤能很好吸附物體的保證，同時(shí)，選擇合適材質(zhì)的吸盤還能增加吸盤的壽命，從而減小成本。在選擇真空吸盤時(shí)要考慮的幾個(gè)重要事項(xiàng)：</p><p&g

87、t;　　(1)被吸附物體的表面形狀。這是選擇真空吸盤類型的依據(jù)。本研究中，搬運(yùn)的玻璃是表面平整的一般平板玻璃，所以，選取“平形”真空吸盤，該類吸盤主要用于被吸附物表面平整且變形量小的物體；</p><p>　　(2)真空吸盤的工作環(huán)境。工作過程中，吸附物體的溫度、油性、摩擦系數(shù)等決定真空吸盤的材料。一般情況下，玻璃搬運(yùn)或堆垛是玻璃出廠或入庫(kù)的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，所以，玻璃的溫度為常溫，一般沒有油性，摩擦系數(shù)視玻璃類型與

88、吸盤材料而定。根據(jù)本研究的具體情況，選取聚氨酯橡膠真空吸盤。</p><p>　　(3)吸盤與被吸附物體的接觸形式。考慮到玻璃是硬性材料，吸盤在與玻璃接觸時(shí)不能采用剛性接觸，必須添加緩沖器，這里選擇緩沖器為彈簧。緩沖距離要適中，壓力在玻璃承受的范圍之內(nèi)，原則上，只要所有吸盤唇邊都貼附在玻璃表面即可。</p><p>　　(4)被吸附物體的質(zhì)量。這是選擇吸盤尺寸和數(shù)量的依據(jù)。下面計(jì)算真空吸盤

89、的具體選用尺寸。</p><p>　　根據(jù)吸附力F，采用力學(xué)公式：F=PA即可求出真空吸盤的規(guī)格尺寸，其中：P-真空壓力；A-吸盤吸附有效面積（一般有效面積比空載時(shí)小10%）。由于本課題中運(yùn)動(dòng)比較復(fù)雜，所以用更為精確的公式計(jì)算：</p><p><b>　　(2-1)</b></p><p>　　式(2-1)中，D為吸盤直徑（mm）；P為真空度

90、（-kpa）；W為吸附力（N）；n為吸盤數(shù)量（個(gè)）；t為安全系數(shù)；這里P=50kpa，w為玻璃的最大重量160N，吸盤的數(shù)量n取6個(gè)，安全系數(shù)t一般取2.5～4，當(dāng)玻璃在搬運(yùn)過程中有垂直或傾斜的時(shí)候取4～6，這里取5。帶入公式求得D=58mm，取直徑D=60mm。</p><p><b>　　圖2-6真空吸盤</b></p><p>　　Fig. 2-6 Vacuum

91、 chuck</p><p>　　考慮到吸附物的可吸附尺寸，所選的真空吸盤的直徑應(yīng)設(shè)定為大于根據(jù)計(jì)算所得出的所需吸盤直徑D；因真空吸盤在吸附時(shí)會(huì)變形，吸盤的外徑將增加10%左右，所以選擇時(shí)，請(qǐng)考慮到此點(diǎn)，不要使吸盤從吸附物的邊緣露出；因?yàn)檎婵諌毫?huì)使真空吸盤變形，所以吸附面積要比真空吸盤的直徑小。變形度根據(jù)真空吸盤的材質(zhì)、形狀、橡膠的硬度而有所區(qū)別，因此，在計(jì)算得出吸盤直徑時(shí)需要留出余量，安全系數(shù)中包括變形部分。

92、</p><p>　　根據(jù)以上分析計(jì)算，選用帶有彈簧緩沖裝置的真空聚氨酯橡膠吸盤。如圖2-6所示，彈簧緩沖距離為12mm，其型號(hào)為PFTS-60-10-S。</p><p>　　2. 真空發(fā)生器選型</p><p>　　真空發(fā)生器是一種利用高壓氣體產(chǎn)生真空的氣動(dòng)元件。工業(yè)中，在有壓縮氣體的地方，可以利用真空發(fā)生器產(chǎn)生負(fù)壓。其工作原理如圖2-7所示：</p>

93、;<p>　　圖2-7真空發(fā)生器原理圖</p><p>　　Fig. 2-7 Principle diagram of vacuum generator</p><p>　　真空發(fā)生器的工作過程分析：把壓縮空氣供應(yīng)給接口（一次側(cè)）時(shí)，壓縮空氣會(huì)被導(dǎo)入噴嘴；壓縮空氣在噴嘴受到節(jié)流，高速（聲速）釋放到擴(kuò)散室，膨脹擴(kuò)散并流向擴(kuò)壓器；通過空氣的高速流動(dòng)，擴(kuò)散室的壓力下降（伯努利定理）

94、，真空接口（二次側(cè)）的空氣會(huì)流入擴(kuò)散室；流入的二次側(cè)的空氣和從噴嘴放出的壓縮空氣一起，從擴(kuò)散器被釋放到大氣中。</p><p>　　選擇真空發(fā)生器主要考慮一下幾個(gè)方面：</p><p>　　首先是真空發(fā)生器的吸入量，即流量，一般情況下，流量越大，到達(dá)一定的真空度就越快；其次要考慮希望的真空度到達(dá)時(shí)間，根據(jù)連接管路的粗細(xì)和希望的吸附時(shí)間選取合適的真空發(fā)生器；最后，根據(jù)吸盤的直徑和數(shù)量選取合適

95、的真空發(fā)生器，當(dāng)吸盤直徑在80mm以下時(shí)，真空發(fā)生器的噴嘴直徑選0.5mm，但是，當(dāng)吸盤的數(shù)量大于1時(shí)，真空發(fā)生器的噴嘴直徑選擇時(shí)要增加一個(gè)級(jí)別。</p><p>　　圖2-8 CV-20HSCK真空發(fā)生器</p><p>　　Fig. 2-8 CV-20HSCK vacuum generator</p><p>　　根據(jù)以上分析和研究需要，本課題選用的真空發(fā)生器型

96、號(hào)為：CV-20HSCK，參數(shù)如表2-1所示，實(shí)物圖如圖2-8所示。</p><p>　　表2-1 CV-20HSCK真空發(fā)生器參數(shù)</p><p>　　Table2-1 CV-20HSCK vacuum generator parameters</p><p>　　有真空發(fā)生器的工作原理可知，真空發(fā)生器是沒有活動(dòng)部件的單一結(jié)構(gòu)，所以壽命較長(zhǎng)，在工業(yè)中應(yīng)用廣泛。&l

97、t;/p><p><b>　　本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要介紹了基于工業(yè)機(jī)器人的玻璃在線堆垛系統(tǒng)的組成，對(duì)主要部件工業(yè)機(jī)器人做了簡(jiǎn)要介紹，并對(duì)末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)做了具體說明，包括吸盤架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、氣路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及氣路元件的型號(hào)選擇，最后將零部件安裝成一個(gè)整體，即基于工業(yè)機(jī)器人的玻璃在線堆垛系統(tǒng)，并分析了它的特點(diǎn)。</p><p>

98、<b>　　系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析</b></p><p>　　運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的重要性和D-H算法</p><p>　　運(yùn)動(dòng)學(xué)分析是研究物體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的有效方法，在分析過程中，不需要考慮產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)力一切力和力矩，而只需要考慮運(yùn)動(dòng)物體的位置、速度和加速度與時(shí)間的關(guān)系。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)實(shí)際上是研究機(jī)器人本體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，這是對(duì)機(jī)器人理論分析的基礎(chǔ)。</p><p>　

99、　圖3-1正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)問題關(guān)系</p><p>　　Fig. 3-1 The relationship of positive kinematics and inverse kinematics</p><p>　　機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析包括正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，也就是運(yùn)動(dòng)學(xué)的正、逆解問題[47-50]。機(jī)器人正解是已知機(jī)器人各連桿參數(shù)和關(guān)節(jié)角度變化來(lái)求解末端執(zhí)行器的位姿；機(jī)器人逆解是已知末

100、端執(zhí)行器的位姿和各連桿參數(shù)，求相應(yīng)的各個(gè)關(guān)節(jié)角度變化。兩者的關(guān)系如圖3-1所示。在實(shí)際應(yīng)用中，一般情況下是初始位置和末端位置給定，看機(jī)器人怎么運(yùn)動(dòng)能夠達(dá)到預(yù)期的位置，這需要求出所有連桿角度變化值，這就是運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問題要解決的問題。所以，一般遇到的是逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)求解。顯然，正運(yùn)動(dòng)學(xué)問題的求解過程比較簡(jiǎn)單，解也是唯一確定的；而逆運(yùn)動(dòng)學(xué)問題的求解過程相對(duì)比較復(fù)雜，一般情況下還會(huì)有多解現(xiàn)象，求解起來(lái)比較困難，所以求解過程中需要一些技巧。</p

101、><p>　　機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析中，要用到D-H算法，下面簡(jiǎn)要說明其來(lái)歷和原理。D-H算法是Denavit和Hartenberg于1956年提出的求解運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的一種算法[51]，對(duì)于關(guān)節(jié)機(jī)器人，它定義了各個(gè)連桿坐標(biāo)系和基坐標(biāo)系，并以4×4矩陣表示出相鄰坐標(biāo)系的齊次變換，并可寫出其通式。把所有相鄰坐標(biāo)系之間的齊次變化矩陣練乘，就得到末端執(zhí)行器的位姿矩陣，也就是運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。從而完成運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。對(duì)于每個(gè)連桿，D-

102、H法用兩個(gè)參數(shù)表示，即連桿長(zhǎng)度和連桿扭角；對(duì)于相鄰連桿D-H方法也是用兩個(gè)參數(shù)來(lái)表示，即連桿距離和回轉(zhuǎn)角。這四個(gè)參數(shù)可以完整描述連桿之間的相對(duì)坐標(biāo)關(guān)系。對(duì)于關(guān)節(jié)機(jī)器人來(lái)說，只有回轉(zhuǎn)角是變量，其余三個(gè)都是常量，可以根據(jù)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)參數(shù)求出。</p><p>　　用D-H法求解機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)方程是目前用的較多的方法，因?yàn)樗m用于任何類型的機(jī)器人及機(jī)械手，并且很容易求得末端執(zhí)行器相對(duì)于基坐標(biāo)系的位姿矩陣，求解方法實(shí)用且簡(jiǎn)

103、單。</p><p><b>　　運(yùn)動(dòng)學(xué)基礎(chǔ)</b></p><p>　　工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的描述主要包含兩個(gè)方面：一是位置的描述，二是姿態(tài)的描述。將二者聯(lián)系起來(lái)的紐帶就是矩陣。通過四階方陣的三維齊次變換，可以把末端執(zhí)行器的工具坐標(biāo)與機(jī)器人的基坐標(biāo)建立起一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。位置和姿態(tài)的描述是運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的基礎(chǔ)和前提，是運(yùn)動(dòng)學(xué)方程建立成功與否的關(guān)鍵。</p>&l

104、t;p><b>　　位置描述</b></p><p>　　空間點(diǎn)在直角坐標(biāo)系里可以用3×1矩陣表示。對(duì)于直角坐標(biāo)系里的空間點(diǎn)P可以用矩陣AP來(lái)表示，點(diǎn)P在坐標(biāo)系{OA}的位置如圖3-2所示。</p><p><b>　　姿態(tài)描述</b></p><p>　　為了描述機(jī)器人的動(dòng)作，不僅要知道空間點(diǎn)P的位置，而

105、且要知道它的姿態(tài)。物體的姿態(tài)可以用固結(jié)于該物體的坐標(biāo)系表示。為了表示剛體B的姿態(tài)，在B剛體上固結(jié)一坐標(biāo)系{B}，坐標(biāo)系{B}的三個(gè)單位向量XB、YB、ZB相對(duì)于參考坐標(biāo)系{A}的方向余弦可以組成3×3矩陣，該矩陣可以表示B相對(duì)于{A}的姿態(tài)。</p><p><b>　　(3-1)</b></p><p>　　圖3-2點(diǎn)P在坐標(biāo)系里的位置</p>

106、<p>　　Fig. 3-2 P in the coordinate position</p><p><b>　　(3-2)</b></p><p>　　對(duì)于繞X、Y、Z軸作角的旋轉(zhuǎn)變換，對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矩陣分別為：</p><p><b>　　(3-3)</b></p><p><

107、b>　　(3-4)</b></p><p><b>　　(3-5)</b></p><p><b>　　位姿描述</b></p><p>　　位置和姿態(tài)簡(jiǎn)稱位姿。實(shí)際應(yīng)用中，不僅要確定玻璃的位置，還要知道它的方向，即如何擺放的，當(dāng)完全確定了玻璃在空間坐標(biāo)系的位置和形態(tài)，該物體位姿才確定。位姿的描述是智能系

108、統(tǒng)的一般性問題，位姿描述的正確與否直接關(guān)系到系統(tǒng)作業(yè)。</p><p>　　一般情況下，物體B要達(dá)到與物體A有相同的位姿，即重合。必須要經(jīng)過平移和旋轉(zhuǎn)。用位置矢量APB描述{B}的坐標(biāo)原點(diǎn)相對(duì)于{A}的位置，用旋轉(zhuǎn)矩陣描述{B}相對(duì)于{A}的方位，如圖3-3所示。任一點(diǎn)P在兩坐標(biāo)中的描述AP和BP具有以下變換關(guān)系</p><p><b>　　(3-6)</b><

109、/p><p>　　圖3-3坐標(biāo)系的位姿關(guān)系</p><p>　　Fig. 3-3 The relationship of coordinate pose</p><p><b>　　坐標(biāo)系的建立</b></p><p>　　IRB2400型機(jī)器人是六自由度的關(guān)節(jié)機(jī)器人，它的六個(gè)自由度都是轉(zhuǎn)動(dòng)副。在建立機(jī)器人坐標(biāo)系之前，首先要