工业机器人末端执行器研究.pdf

2023年10月西安交通工程学院学术研究Oct.2023第 8 卷第 3 期Academic Research of Xian Traffic Engineering InstituteVol.8No.3工工业业机机器器人人末末端端执执行行器器研研作者简介：作者简介：胡璐萍（1992-），女，研究生，研究方向：机械零件质量检测、机器人结构、机器人视觉等。基金项目：基金项目：陕西省教育厅科研计划项目资助（23JK0531）。究究胡璐萍(西安交通工程学院 陕西西安 710300）摘摘要要：目前工业机器人末端执行器主要用于工件抓取和放置，通过机械臂配合，使得末端执行器到达空间某一位置或实现某一姿态，从而实施一定的作业任务。本文以工业中常见的棒料为抓取对象，设计一款用于工业生产中棒料抓取的工业机器人末端执行器，从而代替传统的人工抓取和放置棒料的末端执行器，以此来推进工业生产智能化的进程。首先，结合棒料的参数对机械结构的驱动和传动方式进行比较和选择，主要为手掌的形状以及手指在手掌上的布局；其次，对于末端执行器的机械系统的静力学、动力学和运动学进行分析计算，确定末端和关节的位置和姿态，以及位置信息和执行器的运动轨迹；最后，通过 Matlab 软件的仿真，优化参数，导出变化曲线图，分析设计参数的合理性。仿真的结果表明：所设计末端执行器机械结构的各个尺寸均满足设计要求，且符合对于棒料抓取的工作需要，为末端执行器的研究提供了一种设计方法。关关键键词词：棒料抓取；末端执行器结构设计；静力学；动力学；运动学中中图图分分类类号号：TH241 文文献献标标识识码码：AResearch on End-effectors of Industrial RobotsHU Luping(Xian Traffic Engineering Institute,Xian Shaanxi 710300,China)Abstract：At present,the end-effector of industrial robots is mainly used for workpiece grasping and placement.Through thecoordination of the robot arm,the end effector can reach a certain position in space or achieve a certain attitude,so as to implementcertain tasks.In this paper,we design an industrial robot end effector for rod grasping in industrial production,so as to replace thetraditional manual end effector for rod grasping and placing,so as to promote the intelligent process of industrial production.Firstly,the driving and transmission modes of the mechanical structure are compared and selected according to the parameters of the barmaterial,mainly for the shape of the palm and the layout of the finger on the palm.Secondly,the statics,dynamics and kinematics ofthe mechanical system of the end-effector are analyzed and calculated to determine the position and attitude of the end and joint,aswell as the position information and the motion trajectory of the actuator.Finally,through Matlab software simulation,optimize theparameters,derive the change curve,and analyze the rationality of the design parameters.The simulation results show that alldimensions of the designed end-effector mechanical structure meet the design requirements and meet the needs of the work of rodgrabbing,which provides a design method for the study of end-effector.Keywords：bar grabbing;end-effector structure design;statics;dynamics;kinematics引引言言随着科学和人工智能的不断进步，机械智能化已经成为人工智能机器人发展的终极目标，尤其在在工业生产线上的，工业机器人的应用更为广泛，为我国的制造业提供了更好的技术支持1-3。由于工业机器人经常会在高温高压、污染、粉尘以及负载大的环境下重复性工作，所以要求工业机器人具有高精度、高效率的性能，这也对工业机器人提出了更高的要求4。对于工业机器人整个结构中，其末端执行机构是安装在机器人手臂上或移动的机械设备末端，从而实现零件的抓取、移动、安放5等功能，也是制造生产过程中一个重要的组成部分，而工业机器人的末端执行器是安装在移动设备或者机器人的末尾，成为了机械结构与抓取对象以及环境相互作用的最后的一个环节，其性能的好坏在很大程度上决定了整个机械设备的工作效能和产品的生产效率6-7。因此，为了更好的更加适应当代的自动化大生产，使用工业机器人代替人工，降低生产成本，提高劳动的生产效率，本文主要研究工业机器人末端执行器，针对工业机器人在实际生产中的具体的工作要求，建立合适的机械末端抓取模22工业机器人末端执行器研究型，优化设计，完成机器人对于未知物体的抓取任务。1 末端执行器机械设计工业机器人不同于其它自动化专业设备，在设计上具有较大的灵活性，所以在机械系统设计上的差异性较大。而工业机器人的末端执行器的机械结构在很大程度上决定了抓取对象以及环境，其性能的好坏决定了机械设备的工作效能和产品的生产效率。因此本文主要围绕“工业机器人末端系统研究”，针对机器人末端抓取系统所涉及的关键技术，在深入研究国内外机械末端执行器抓取系统操作的基础上8，针对工业机器人在实际生产中的具体的工作要求，建立合适的机械末端抓取模型，优化设计，完成机器人对于未知物体的抓取任务。1.1 末末端端抓抓取取系系统统的的设设计计目目标标在车间，棒料抓取是一个繁琐的过程，目前主要由人工完成，重复性较大，因此本文的主要研究用于棒料抓取的机器人末端抓取系统。关于棒料的主要尺寸如表 1 所示，棒料摆放位置如图 1 所示。表表 1 棒棒料料的的主主要要参参数数棒料项目棒料参数直径30mm长度110mm重量550g(a)单根棒料摆放(b)多根棒料摆放图图 1 棒棒料料摆摆放放位位置置目前工业机器人实现棒料抓取其工作过程如图 2 所示。首先，获取抓取棒料信息后，末端执行器从初始位置靠近棒料，到达抓取点；然后，机械抓伸展开始初步抓取，并根据棒料参数进行手指指节细微调整；最后，手掌位置与手指位置调整好后，指关节锁死，并移动到指定位置，释放后回到初始位置。由此过程可知，工业机器人若要实现棒料抓，其末端执行器需安装在移动设备或机器人手臂末端，并具有棒料抓取、传送、安放到特定位置的功能。图图 2 棒棒料料抓抓取取工工作作过过程程1）机机械械手手手手指指长长度度设设计计对于工业机器人末端执行器抓取过程中，末端执行器工作时需要有伸张-抓取-伸张的过程，所以在设计中要设计关于每指三指节的伸展范围，查阅相关资料，可知三指节的伸展范围如表 2 所示。表表 2 指指节节的的参参数数指节连杆长度转角ii的运动范围近指节371l1060中指节252l2045远指节183l30452）机机械械手手手手指指节节数数目目设设计计机械手所要完成的作业任务繁多，手部的类型也是多种多样。其中机械爪具有某种特定的的通用性，其主要功能是抓、握和放工件。而手指的数目是影响机械手工作性能的关键因素，通常会影响机械手的运动范围，根据棒料的形状，质量等多方面的综合考虑，本文的机械手最终采用三指节手指设计，其抓取的过程与两指节机械手类似，但更好更稳定的实现了棒料的抓取10。如图 3 所示。图图 3 三三指指节节工工作作原原理理23工业机器人末端执行器研究3）机机械械手手手手掌掌设设计计现有的机械手，主要分有手掌和没有手掌两大类，其中没有手掌的机械手，适用于小物件的抓取，要求精度较高；有手掌的机械手适用于大物件的抓取，抓取过程中可借助手掌接增加接触面积，稳固较好11-12。本文需要抓取棒料，要求要有一定的抓取精度和高的稳固牢靠性，所以采用有手掌的机械手，机械手由手掌和三指组成，三根手指结构相同，均匀的分布在手掌上，如下图 4 所示。本文设计的末端抓取结构主要是根据人的类的手设计的，而仿生手的设计规范尺寸要求机械手的几何尺寸要符合 50%的成年男性的几何尺寸，如表 3 所示13（a）对心抓（b）空间交错抓取（c）手掌模型图图 4 手掌模型图手掌模型图。表表 340 岁岁男男性性手手的的平平均均尺尺寸寸位置第 5 百分位数第 50 百分位数第 95 百分位数手掌长度179mm193mm206mm手掌宽度82mm89mm96mm手掌周长203mm218mm234mm而我们所设计的三指主要是根据人类抓取物体时最常用的三指，但根据实际情况，我们要实现棒料的抓取，且与人类最常用的大拇指、食指、中指有一定的区别，所以我们根据实际工作需要，将安装机械手的长度设置为 190mm，宽度设计为90mm。2 末端执行器运动学分析2.1 末末端端执执行行器器静静力力学学分分析析工业机器人的末端执行器在工作开始和结束都必须到指定的位置上，为了保证静止时的位置和方向，末端执行器必须施加一些所要求的力来平衡所受到的外部载荷14-16，其手受力分析图如图 5所示。图图 5 末末端端执执行行器器结结构构简简图图为了满足计算要求的执行力保证末端的具体配置，使得末端执行器静止时处于平衡状态，则手指指腹与物体间接触力表达式如公式(1)、(2)、(3)所示。321322111kkkhlhllUTfa(1)323221223332coskkhlhlhlThkfa(2)33221323khlhlhhTfa(3)式中：i 取 1,2,3；fi为法向接触力；aT为驱动力矩；li为指节长度；ki为分别为接触点位置；J 为接触位置的三角矩阵；i为指节间的转角；i为指节间的扭角。通过分析可以看出，驱动输入力矩aT与手指的相关结构参数有着较为复杂的关系，但当仿生型末端执行器的相关参数确定时，在一定程度上驱动输入力矩aT与接触力之间正相关的关系。2.2 末末端端执执行行器器正正运运动动学学分分析析为确定末端执行器各指节运动的位置参数，就需要求解末端执行器在空间中的位姿，即建立指尖和关节运动之间对应的关系，而应用最广泛的方法则是 D-H 参数法。由于本文所设计的末端执行器采用模块化设计思想，三根手指结构原理相同，并依据人手构造原理及运动特性，采用 D-H 参数法对单根手指各指节建立坐标系17-19，如图 6 所示。图图 6 机机械械手手结结构构简简图图24工业机器人末端执行器研究表表 4 平平面面机机械械手手的的 D-H 参参数数坐标系编号连杆长度ia连杆扭角i杆间距离id转角ii的运动范围111la 00.51060222la 002045333la 003045如图 6 所示，利用表 4 中所说明的 D-H 参数应用式(2)可以求的变换矩阵 Ti。（1）0 点-连杆 1 之间10000100sinl0cossincosl0sin-cos1111111110T（2）连杆 1-2 之间10000100sinl0cossincosl0sin-cos2222222221T（3）连杆 2-3 之间10000100sinl0cossincosl0sin-cos3333333332T因此，0 点-连杆 3，将末端执行器变为基体坐标系中的变换矩阵为：10000100r0cossinr0sin-cos243213211432132132211030）（）（）（）（TTTT其中：)cos(l)cos(lcoslr32132121114)(sinl)(sinlsinlr32132121124末端点位置矢量为：10)(sinl)(sinlsinl)(cl)(clcl100032132121132132121130osososT我们可以求得末端点在基体笛卡儿坐标系中的坐标为：)(cl)(clclX321321211ososos；)(sinl)(sinlsinlY321321211以上求解，对机械手建立笛卡儿坐标系空间，通过 D-H 标记和坐标系处理，得到了末端点在基体笛卡儿坐标系中位置，为今后末端执行器抓取棒料提供了位置信息。3 实验分析该实验在在Windows 11 Matlab2016b中对机械手爪各个指节的运动进行仿真，利用 Matlab 软件，对末端执行器进行仿真模型的建立并对其抓取运动空间以及相关运动参数进行验证，通过相关参数的可视化图形验证末端执行器设计的可行性,然后通过 Solidworks2020 进行受力分析，分析远指、中指、近指和手掌的应力和应变情况。近指节、中指节、远指节的长度参数分别为37mm、25mm、18mm，基于所建立的 D-H 模型，利用 Matlab 建立连杆模型，如图7所示。3.1 基基于于 Matlab 的的工工作作空空间间仿仿真真图图 7 末末端端运运动动轨轨迹迹仿仿真真通过对于单根手指工作空间的仿真，可以清晰直观的看出，末端执行器的手指能够实现抓取，其运动轨迹为弧线，可以完成棒料的抓取工作。3.2 基基于于 Matlab 的的动动力力学学仿仿真真末端执行器的单根手指动力学问题主要注重的是关节力和力矩的运动过程中的参数（位置，速度，角加速度）之间的变化联系，该部分主要利用robot ikine 函数，将所有的关节的角度、角速度、角加速度并绘制出出变化曲线，如图 8、图 9、图10 所示。图图 8 单单根根手手指指角角度度变变化化25工业机器人末端执行器研究图 7 所示的是由上节各个角度的关系，三根指节的关节 2（远指节）,关节 3（中指节）和关节 4（近指节），其中，关节 2 的角度是不断上升的，关节 3 和关节 4 是下降的，实现了手爪张开到抓取的工作。并且，图像中的曲线是光滑的，没有突变，说明了参数的设计是合理的。图图 9 单单根根手手指指角角速速度度变变化化图图 10 单单根根手手指指角角加加速速度度变变化化图 9 和图 10 所示的手指关节角速度以及角加速度的变化图，而且而曲线平滑，连续且比较稳定，说明手指在仿真过程中运行比较平稳，没有较大的波动，轨迹规划合理。综上所述，由轨迹规划曲线结果可知，末端执行器在完成抓取动作的过程中，动作连续，运行平稳。三个指节的角度变化持续稳定，各指节的角速度、角加速度的始末值为零，运动变化曲线连续且光滑，未出现突变等情况。说明该末端执行器在完成抓取运动的过程中运行稳定，说明该末端执行器的设计符合既定要求，能够稳定可靠的完成抓取任务。3.3 手手指指各各指指节节仿仿真真分分析析选用 80A 硬度的 TPU 材料作为末端执行器手指的覆盖层，实现了通过柔性材料对被抓取物品的保护。同时，末端执行器整体采用屈服强度为27.574MPa 的 1060 铝合金材料进行刚性设计，既能够实现抓取任务，又能够保护被抓取物品和使用者。运用 Simulation 对手指各个指节逐一分析，在指节连接处添加固定支撑，依据被抓取物品质量选择外载荷力大小为 60N，在各指节与被抓取物接触面上添加 60N 的力然后添加相应的约束载荷，设置分析类型并进行求解计算，其近指节、中指节和远指节静力学分析结果和相关参数，如图 11、图 12和图 13 所示。（a）近近指指节节应应力力（b）近近指指节节应应变变图图 11 近近指指节节应应力力、应应变变分分析析图图（a）中中指指节节应应力力（b）中中指指节节应应变变图图 12 中中指指节节应应力力、应应变变分分析析图图（a）近指节应力）近指节应力图图 13 远远指指节节应应力力、应应变变分分析析（b）远指节应变）远指节应变图图运用 Simulation 对手掌进行网格划分，对底部进行约束，再对表面施加 30N 的力，得到手掌应力应变图，如图 14 所示：手掌受力时产生的最大应力为 14.182MPa,相较于手掌屈服强度为 27.574MPa的铝合金，处于材料预科范围之内；手掌受力时产生的最大形变量为 0.001234mm，与手掌宽度 90mm相比，几乎不会影响末端执行器抓取通过各指节的应力图可知近指节、中指节和远指节的最大应力分别为 12.930MPa、9.555MPa、11.152MPa，而末端执行器手指整体选用屈服强度为 27.574MPa 的铝合金，处于材料预科范围之内。通过各指节应变图可得知近指节、中指节和远指节最大形变量分为：0.00008689mm、0.00007799mm、0.0001587mm，与各指节尺寸相比而言，处于形变量的有效范围内，因此末端执行器的设计符合实际抓取需求。3.4 手掌仿真分析手掌仿真分析。26工业机器人末端执行器研究（a）手手掌掌应应力力（b）手手掌掌应应变变图图 14 手手掌掌应应力力、应应变变图图4 总结与展望4.1 总总结结为了解放人力劳动，提高劳动效率本文以抓取棒料为研究对象，进行工业机器人末端执行器设计，主要从机械结构的角度出发进行研究分析。通过整体结构设计、运动学及动力学计算，完成苹果采摘末端执行器最终的设计，通过仿真分析，验证该设计符合末端执行器的设计要求，能够稳定可靠的完成抓取任务。4.2 展展望望本文主要是对棒料抓取末端执行器仿生研究，但应用到实际工作中仍存在不足，如采摘机器人作业效率低的问题，目前开发的棒料抓取机器人作业一次只能抓取一个棒料，利用率不高，另一方面，棒料抓取的精准识别技术也需要完善。参参考考文文献献1Quang Ngo X,Nguyen Chau T,Thang Doan C,et al.Design ofMobile Manipulator for Fire Extinguisher Testing.Part I KeySpecificationsandConceptualDesignJ.arXive-prints,2023,25(4):67-90.2NOUBY M G,AHMAD O M.Hydro-Pneumatic PassiveSus-pension System Performance Analysis Using AMESimSoftware L.International Journal of Vehicle Structures&Sy-stems,2020,12(1):9-12.3杨智勇,谢迪,王君等.仿人机械手运动空间范围特性分析J.机械设计与制造,2022,382(12):73-78.4周旭,周海波,陈睿等.基于双目视觉的机械手捡球机器人设计J.机床与液压,2020,48(3):34-0;79.5丁彩红,张中,赖勇.主从机械手手爪设计与优化J.机械设计与制造,2018,34(12):189-192.6吴伟国.工业机器人系统设计M北京:化学工业出版社，2019.8.7王立杰,岳侗,李明杰等.一种带块式指节限位机构模块化机械手的研究J.现代制造工程,2023,No.513(06):33-38+63.8ZHANG S,GU z Q,WU W G,et al.Transient numericalin-vestigation of a large-scale hydro-pneum-atic suspensionconsideringvariationsincheckvalveparametersandoperationalconditionsInternationalJournalofNumericalMethodsfor Heat&Fluid Flow,2020,30(4):1967-1990.9郑帅帅.基于深度学习的工业机器人抓取检测研究D.哈尔滨:哈尔滨工业大学,2020.10丁心安.基于 Pro/E 机械手爪设计与运动探析J.时代汽车,2020(19):97-98.11韩建海.工业机器人M.武汉:华中科技大学出版社,2019.7.12黄文正,张丹,朱佳等.仿人机械臂和灵巧机械手的结构设计研究与实践J.绿色科技,2018(06):168-173.13葛震浩.三指欠驱动机械手的研究D.西安电子科技大学,2019.14郭洪红,贺继林,田宏宇,席巍,谭苗苗工业机器人技术第三版M.西安电子科技大学出版社 2016.6.15雷翔鹏,刘业峰.基于 ADAMS 的欠驱动三指机械手虚拟设计及参数优化J.计算机测量与控制,2020,28(11):251-255+269.16Reza N.Jazar 著,周高峰等译.应用机器人学:运动学,动力学与控制技术M.机械工业出版社 2017.8.17孙树栋.工业机器人技术基础M西北工业大学出版社，2006.12.18李懿,马翔宇.欠驱动机械手设计与分析J.煤矿机械，2018,39(2):19-20.19梁浩,余跃庆,张成新.基于 ADAMS 及 ANSYS 的柔性机器人动力学仿真系统J.机械科学与技术,2002(06):892-895.27