基于SCARA机器人的小型断路器柔性组装方法研究.pdf

第 44 卷第 3 期 温 州 大 学 学 报（自 然 科 学 版）2023 年 8 月 Vol.44 No.3 Journal of Wenzhou University(Natural Science Edition)Aug.2023 基于 SCARA 机器人的小型断路器 柔性组装方法研究 张 琦1，陈 璇1，舒 亮1，崔 研2(1温州大学电气与电子工程学院，浙江温州 325035；2国能准能集团设备 维修中心，内蒙古鄂尔多斯 010300)摘 要：为进一步完善小型断路器柔性装配系统，设计了一套基于 SCARA 机器人的小型断路器柔性组装子系统，基于断路器的不同零件特征，研制了一种柔性夹爪结构，可以在单工位上实现不同断路器零部件的柔性化夹取和装配为实现机器人的柔性化操控，建立了基于 D-H 参数法的 SCARA 机器人动力学模型，根据蒙特卡洛法完成了机器人工作空间的计算，基于五次多项式插值法对机器人的轨迹规划进行了设计在此基础上，结合机器人动力学模型和轨迹规划，对 5 种不同的断路器零件进行了柔性装配验证结果显示，所提出的机器人柔性夹爪结构和机器人控制方法，可以实现机器人各关节位置、速度、加速度的连续平滑变化，最终实现断路器多零件的柔性装配 关键词：断路器柔性化组装；机械臂轨迹规划；SCARA 机器人；五次多项式插值法 中图分类号：TP24 文献标志码：A 文章编号：1674-3563(2023)03-0037-11 DOI：10.20108/j.wzun.2021.12.27.0001 本文的 PDF 文件可以从 https:/ 获得 小型断路器广泛应用于工业、商业和民用住宅等各种场所，是电力系统中必不可少的电气元件随着制造产业的不断升级，断路器的生产制造逐渐由传统的手工装配转向自动化、智能化、柔性化的装配断路器柔性装配系统是集断路器零件的自动化运输、分类分拣、柔性装配、产品检测、智能仓储为一体的智能系统，能够节约大量的人工成本、提高生产效率，完成各项生产数据的检测与记录，提高生产的可靠性和一致性 断路器柔性装配系统中，SCARA（Selective Compliance Assembly Robot Arm）机器人主要用于断路器零件的组装，其运动规划的优劣直接影响到机器人的工作效率和运动平稳性，因此合理的运动规划对提高生产效率、保障成品质量具有重大意义，是机器人研究的重要方向1 机器人的运动规划是指以某种方式在路径点之间插入中间点序列，实现机械臂沿着指定轨迹的平稳运动运动规划包含路径规划和轨迹规划，路径规划是指确定始末点中间要经过的若干个关键点，轨迹规划是指为路径点插值时间序列，确定经过每个路径点的时间 机器人装配系统中，机械臂执行点对点运动，无需指定机械手末端夹具的路径，因此采用关节空间轨迹规划关节空间基本轨迹规划主要包括三次多项式轨迹、五次多项式轨迹以及多段多项式组合轨迹三次多项收稿日期：2021-12-27 基金项目：浙江省重点研发计划项目(2021C01046)；温州市基础性工业科技项目(G20210020)作者简介：张琦(1996)，男，河南三门峡人，硕士研究生，研究方向：电器智能化 通信作者，shuliang 温州大学学报（自然科学版）(2023)第 44 卷第 3 期 38 式轨迹规划2虽然计算简单、容易实现，但不能保障加速度平滑变化，存在冲击和振动多段多项式组合形式轨迹3的缺点在于连接点处的平滑性无法保障五次多项式插值法4通过增加加速度约束，可以较好地处理角加速度存在突变的问题，增加运动轨迹的平滑性，解决适用于点对点的高速高性能运动问题因此本文选择五次多项式插值轨迹来完成 SCARA 机器人5在关节空间中的轨迹规划 文中以 SCARA 机器人为研究对象，利用五次多项式曲线对运行轨迹路径点进行插值，构造了通过指定路径点且加速度平滑连续的关节空间轨迹曲线并在此基础上设计了一种适应于不同类型零件的断路器柔性化组装工艺，将五次多项式插值法应用于断路器柔性化装配工艺中，进行了相应仿真和实验验证 1 断路器零件柔性装载工艺设计 断路器柔性装配系统需要经过多道工序才能将断路器零件组装成合格的断路器产品其主要工序包括零件分拣、姿态调整、柔性组装、盒盖、质量检测等断路器柔性组装工艺是指如何将姿态调整后的零件从零件托盘中高效精准地装配到断路器壳体中小型断路器零件多种多样，主要包括磁轭、U 型连接杆、灭弧罩、线圈、铁芯、手柄等，其物理模型如图 1 所示经过分拣、姿态调整后，零散的断路器零件会以指定姿态放入零件托盘中，如图 2 所示，其中线圈和铁芯会组成新的零部件：磁组件 图 1 小型断路器零件模型 图 2 零件以指定姿态放置在零件托盘 由于断路器壳体的结构复杂，内部空间紧凑，各个零件之间交叉覆盖，相互影响，因此对组装系统的要求精度更高，在设计断路器组装工艺时需要考虑的因素更多，包括设备的选择、零件托盘和断路器壳体的内部结构、零件之间的相对位置、零件本身的形状和大小等等其设计思路分为三个方面：设备选型、夹具设计、工艺流程 1.1 设备选型 SCARA 工业机器人具有三个转动关节和一个移动关节，转动轴相互平行，这种机械结构能够使 SCARA 机器人具有垂直方向的高度稳定性和水平方向的灵活性6-8，虽然无法实现三维空间内任意姿态的调整，但具有定位精度高、重复性好、稳定性强等优点断路器零件摆放到零件托盘后，其姿态已经确定，组装任务只需将托盘中的零件以固定姿态精确、快速地移动到断路器壳体中与并联机器人和六轴机器人相比较，SCARA 机器人更适合断路器的柔性组装工作因此选用 EPSON 公司生产的 SCARA 机器人作为该断路器柔性组装工艺的主要设备，并设计配套夹具完成该工艺设计断路器零件柔性组装工艺平台如图 3 所示，由 SCARA 工业机器人、零件托盘、机械臂末端夹具和断路器壳体构成 张琦等：基于 SCARA 机器人的小型断路器柔性组装方法研究 39 1.2 夹具设计 机械臂末端夹具是实现机械臂柔性组装工艺的关键机构，需要根据各零件的尺寸及工艺需求单独设计图 4 所示为机械臂末端夹具模型图，末端执行器连接机构连接 SCARA 工业机器人末端与四个滑块气缸，每个滑块气缸通过夹爪气缸连接机构与夹爪相连，实现夹爪的快速升降夹爪可分为四种型号，分别适用于不同零件的夹取与放置夹爪 1 用于夹取灭弧罩，其行程为1622 mm；夹爪 2 用于夹取手柄，其行程为 10.8016.88 mm；夹爪 3 用于夹取磁组件，其行程为 05 mm；夹爪 4 用于夹取磁轭与 U 型连接杆，其行程为 06.4 mm 图 3 断路器零件柔性装载单元工艺平台 图 4 机械臂末端夹具模型图 1.3 柔性装配方法 图 5 是断路器壳体内部的结构图根据断路器零件在零件托盘和断路器壳体中的位姿，设计相应的工艺流程并选择合适的夹取位姿实现小型断路器柔性装配思路如下 对比图 2 和图 5 可以发现，零件托盘和断路器壳体中的零件，只有位置和平面角度发生了改变，其姿态固定不变，所以只需经过平移和旋转即可实现目标任务关键任务是考虑零件托盘和断路器壳体内部的空间约束，合理规划各零件的装配顺序和夹取位置 如图 5 所示，根据断路器零件在断路器壳体中的位置，可将断路器壳体内部划分为 A、B、C三个区域 A 区域用于装配磁组件和磁轭，根据零件摆放位置可以确定，装配时应先装配磁组件，再装配磁轭B 区域用于装配灭弧罩，且 A、B 区域相互影响，若装配顺序不当，会引起灭弧罩位置摆放不当，从而导致装配失败考虑到磁组件的装配难度更大，所需精度更高，抗干扰能力更弱，需要相对宽松的装配环境，为减少可能存在的干扰因素，确定先装配 A 区域零件，再装配B 区域零件C 区域用于装配手柄和 U 型连接杆，显然应先装配手柄，再装配 U 型连接杆综合考虑，确定断路器零件的夹取顺序为：磁组件磁轭灭弧罩手柄U 型连接杆位姿夹取模型如图 6 所示 ACB 图 5 断路器壳体内部结构图 图 6 断路器零件位姿夹取模型图 温州大学学报（自然科学版）(2023)第 44 卷第 3 期 40 2 SCARA 机器人运动学分析 运动学分析描述的是关节位置和末端执行器位姿之间的解析关系，其中正向运动学是根据各关节运行角度求机械臂末端位姿，可以用各关节的运动函数来描述末端执行器的运动轨迹；逆向运动学是根据机械臂末端位姿求解各关节的运行角度，其解的本质是将末端执行器的运动轨迹转化成相应的关节运动轨迹9-11分析 SCARA 机器人运动学首先要根据 Denavit-Hartenberg（D-H）法12来描述各关节之间的运动关系，建立 D-H 参数表，然后再根据 D-H 参数表对其正逆运动学进行分析 2.1 SCARA 机器人坐标系建立 为了描述机器人相邻连杆之间的相对位置和方向，使用 D-H 法定义连杆坐标系，如图 7 所示，SCARA 机器人有 3 个旋转关节（第 1、第 2、第 4 关节）和一个移动关节（第 3 关节），旋转关节可以实现平面内的定位和定向，移动关节可以实现末端夹具的升降其 D-H 参数如表 1所示，其中1241 mmD=，1325 mmL=，2L=275 mm为常数，1、2、3d、4为变量 2.2 SCARA 机器人正向运动学分析 用1iiT表示坐标系i相对于坐标系1i的位姿关系：1cos()sin()cos()sin()sin()cos()sin()cos()cos()cos()sin()sin()0sin()cos()0001iiiiiiiiiiiiiiiiiiiLLTd=（1）由表 1 中的 SCARA 机器人 D-H 参数可以得出各坐标系转换矩阵，分别为：11111111011cos()sin()0cos()sin()cos()0sin()0010001LLTD=，（2）表 1 SCARA 机器人 D-H 参数表 杆件 Li i di i 变量 变量取值范围 1 L1 0 D1 1 1-132,+132 2 L2 0 0 2 2-150,+150 3 0 0-d3 0 3d 0 mm,200 mm 4 0 0 0 4 4-360,+360 图 7 SCARA 机器人 D-H 运动学参数 张琦等：基于 SCARA 机器人的小型断路器柔性组装方法研究 41 2222222212cos()sin()0cos()sin()cos()0sin()00100001LLT=，（3）233100001000010001Td=，（4）444434cos()sin()00sin()cos()0000100001T=，（5）0012341234124124212111241242121113cos()sin()0cos()cos()sin()cos()0sin()sin()0010001TTTTTLLLLDd=+（6）2.3 SCARA 机器人逆向运动学分析 已知末端执行器的位姿方程00123411223344()()()()0001xxxxyyyyzzzznoapnoapTTTTdTnoap=，其中，124124124124212112121113cos()sin()sin()cos()*cos()*cos()*cos()*cos()00001xyxyxyzzxyzznnoopLLpLLnoaaapDd=+=+=+=+=+=+=，求各关节角度1、2、3d、4的过程如下 1）由2121121211cos()cos()sin()sin()xypLLpLL=+=+可得，2222121222cos()xyppLLLL+=+，故222212212cos()2xyppLLLL+=显然，解的存在性要求21cos()1，从而有2sin()=221 cos()，其中正号对应关节 2 朝下的姿态，负号对应关节 2 朝上的姿态可以这样计算2：222tan2sin(),cos()A=温州大学学报（自然科学版）(2023)第 44 卷第 3 期 42 2）将2带入2121121211cos()cos()sin()sin()xypLLpLL=+=+，得到一个关于两个未知量1sin()和1cos()的两个方程构成的代数系统，其解为：1222212212222122cos()sin()sin()cos()sin()cos()yxxyxyxyLLpLpppLLpLppp+=+=+与前面类似，有111tan2sin(),cos()A=3）由124124cos()sin()xynn=+=+可得，124arctan()yxnn+=，所以412arctan()yxnn=4）最后，由13zpDd=，可得31zdDp=3 SCARA 机器人运动规划 3.1 SCARA 机器人工作空间 机器人工作空间是指机器人末端执行器所能到达的空间点的集合在对机器人进行路径规划之前，往往需要先计算出机器人可运动的工作空间采用蒙特卡洛（Monte Carlo）法进行随机采样13-15，通过大量采样点对机器人工作空间的描述即可使机器人工作空间可视化 具体步骤如下 1）通过 D-H 参数对 SCARA 机器人进行建模 2）根据机器人各关节变量的取值范围，在 MATLAB 中随机生成各关节变量的随机值：minmaxmin()rand(,1)iiiin=+，其中n为随机点的数量，本次仿真中5 000n=将所有关节变量的随机数组带入 SCARA 机器人正向运动学方程组中，求解其末端执行器在笛卡尔空间中的位置，这些随机位置的集合就构成了机器人的蒙特卡洛工作空间（见图 8 和图 9）图 8 SCARA 机器人工作空间三维视图 图 9 SCARA 机器人工作空间平面视图 3.2 SCARA 机器人轨迹规划 首先对机器人进行路径规划，根据装配工艺，确定装配过程中的关键路径点，如起始点、中 张琦等：基于 SCARA 机器人的小型断路器柔性组装方法研究 43 间点、接近点、终止点等，然后再对机器人进行轨迹规划，通过逆运动学求解出各个路径点的关节空间角度，经过插值拟合得到连续插值的运动轨迹 不同的插值算法规划出的插值轨迹也不尽相同，其速度、加速度的轨迹曲线差异更大机器人的运动轨迹在满足时间响应的前提下应尽可能平稳、无抖动，这就要求机器人的位移、速度、加速度曲线连续变化因此，本文采用五次多项式插值法对 SCARA 机器人进行轨迹规划，期望找到一条位移、速度、加速度都连续变化的轨迹曲线 1）从任务空间中选取 A、B 两点的位姿作为初始位姿和终止位姿 1000.601000010.4410001A=，0.866 00.500.238 20.50.866 000.462 50010.2410001B=2）通过逆运动学求解出关节角度()000.20()/2/30q Aq B=3）确定从 A 点到 B 点的运动时间2st=，运用五次多项式插值法计算其运动轨迹，计算结果如图 10图 15 所示 观察图 11图 15 可以发现，在运动过程中，SCARA 机器人各关节曲线始终光滑连续，且末端执行器的变化曲线也光滑连续，无突变情况以上说明五次多项式插值法可以实现 SCARA 机器人的平滑运动，这为之后的运动控制奠定了基础 4 实验验证与分析 4.1 小型断路器柔性组装子系统平台搭建 为验证本文所提出的断路器柔性组装子系统设计方案的有效性，以 SCARA 机器人为主要研究对象，制作相应的柔性夹具，设计相应的组装工艺 将五次多项式轨迹规划算法运用到 SCARA机器人的运动控制中，保障机械手运动过程中的平滑性，在确保机器人装配精度的前提下，最大程度地释放 SCARA 机器人的性能，提高机器人的装配效率 如图 16 所示，小型断路器柔性组装子系统实验验证方案主要分为 3 个部分：搭建实验平台、工艺设计、实验结果展示实验平台主要由移动载具、SCARA 机器人和半成品断路器组成当移动载具将断路器零件运输到指定位置后，光电传感器将检测信号传递给机器人控制器，然后机器人控制器控制 SCARA 机器人开始动作，依次将断路器零件从移动载具平稳快速地夹取到半成品断路器中，完成组装任务工艺设计主要分为柔性夹具设计和装配流程设计依据图 6 所示的夹爪模型，再配合气缸和滑块完成柔性夹具的四爪一体化设计，实现多种断路器零件的夹取需求装配流程需要根据具体的实验环境（移动载具和半成品断路器的空间结构）反复调试经过大量实验验证，反复修改装配流程后，最终确定断路器零件的装配顺序为：灭弧室、磁组件、磁轭、U 型连接杆、手柄，具体流程见图 16 的工艺设计部分最后是实验结果的展示，此时断路器的所有零件均已装配完成，为下一步的合盖环节做好准备 温州大学学报（自然科学版）(2023)第 44 卷第 3 期 44 图 11 各关节位移随时间的变化（纵坐标数值单位：关节 1、关节 2、关节 4 的是 rad，关节 3 的是 m）图 12 各关节速度随时间的变化（纵坐标数值 单位：关节 1、关节 2、关节 4 的 是 rad/s，关节 3 的是 m/s）图 13 各关节加速度随时间的变化（纵坐标数值 单位：关节 1、关节 2、关节 4 的 是 rad/s2，关节 3 的是 m/s2）图 10 末端执行器在三维空间中的 运行轨迹 图 14 末端执行器角速度大小随时间的变化 图 15 末端执行器线速度大小随时间的变化 张琦等：基于 SCARA 机器人的小型断路器柔性组装方法研究 45 图 16 小型断路器柔性组装子系统实验验证方案 4.2 对比分析 精准度高、运动速度快、重复性好是 SCARA 机器人的最大优势采用传统的门控运动方式会使机械臂末端夹具在垂直距离的运动上消耗大量时间，这会严重降低产品的装配效率，而采用五次多项式轨迹规划算法在保障运动过程的平滑性基础上可通过对关键点的调试有效改善这一现象表 2 记录了 SCARA 机器人在执行组装任务时，使用门控运动方式和五次多项式轨迹规划算法所行走的距离和所需时间 如表 2 所示，相较于门控运动方式，采用五次多项式轨迹规划算法在运动时间和运动距离上都有不同程度的减少，单个断路器的装配时间整体缩短了 2.4 秒，整体装配效率提升了 10.0%实验数据表明，将五次多项式轨迹规划算法应用于 SCARA 机器人的运动规划中可有效提高机器人的装配效率，从而验证了算法的有效性 5 结 论 本文设计了小型断路器柔性组装子系统，完成了断路器从半成品到成品的装配过程首先针对组装过程中遇到的一系列难题，设计了一整套的组装工艺，然后针对 SCARA 机器人的运动规划问题，分析了 SCARA 机器人的正逆运动学，用蒙特克洛法可视化其工作空间，并用五次多项 温州大学学报（自然科学版）(2023)第 44 卷第 3 期 46 表 2 使用门控运动方式和五次多项式轨迹规划算法的数据对比 零件 对比参数 门控运动方式 五次多项式轨迹规划算法 效率提升/%灭弧室 运动距离/cm 86.5 73.0 15.6 运行时间/s 5.5 5.0 9.1 磁组件 运动距离/cm 62.3 56.6 9.1 运行时间/s 4.2 4.0 4.8 磁轭 运动距离/cm 81.0 71.3 12.0 运行时间/s 5.3 4.8 9.4 U 型连接杆 运动距离/cm 67.8 60.4 10.9 运行时间/s 4.6 4.0 13.0 手柄 运动距离/cm 65.0 58.0 10.8 运行时间/s 4.4 3.8 13.6 总计 运动距离/cm 362.6 319.3 11.9 运行时间/s 24.0 21.6 10.0 式插值法规划其运动轨迹，通过分析各关节的角度位移、角速度、角加速度曲线以及末端执行器的角速度、线速度曲线，得出五次多项式插值法能够实现 SCARA 机器人平滑运动的结论最后，根据设计方案，搭建出实物组装子系统，并完成了方案验证结果显示，相较于门控运动方式，五次多项式轨迹规划算法使得单个断路器的装配时间减少了 2.4 秒，整体装配效率提高了10.0%以上表明，采用五次多项式轨迹规划算法能有效减少小型断路器的组装时间，提高生产线的整体装配效率，具有较高的实用价值 参考文献 1 舒亮,葛亮君,吴自然,等.双重寻优的机器人轨迹规划及其在断路器柔性装配中的应用研究J.温州大学学报(自然科学版),2021,42(1):36-48.2 殷凤健,梁庆华,程旭,等.基于时间最优的机械臂关节空间轨迹规划算法J.机械设计与研究,2017,33(5):12-15.3 李玉齐.六自由度机械臂轨迹规划与协调仿真研究J.电子测量技术,2018,41(2):50-54.4 徐海黎,解祥荣,庄健,等.工业机器人的最优时间与最优能量轨迹规划J.机械工程学报,2010,46(9):19-25.5 杨明,张如昊,张军,等.SCARA 四轴机器人控制系统综述J.电气传动,2020,50(1):14-23.6 杨成文,张铁.基于 ADAMS 的 SCARA 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of Electrical and Electronic Engineering,Wenzhou University,Wenzhou,China 325035;2.China Energy Zhunneng Maintenance Center,Ordos,China 010300)Abstract:In order to further improve the flexible assembly system of miniature circuit breaker,a miniature circuit breaker flexible assembly subsystem based on SCARA(Selective Compliance Assembly Robot Arm)robot was designed,and a flexible gripper structure was developed based on the different parts of the circuit breaker,which can realize the flexible clamping and assembly of different circuit breaker parts in a single station.In order to realize the flexible control of the robot,the SCARA robot dynamic model based on the D-H parameter method was established,the calculation of the robot working space was completed according to the Monte Carlo method,and the trajectory planning of the robot was designed based on the quintic polynomial interpolation method.On this basis,combined with the robot dynamic model and trajectory planning,the flexible assembly scheme of 6 different circuit breaker parts was verified.The results show that the proposed robot flexible gripper structure and robot control method can achieve the continuous and smooth change of the position,speed and acceleration of each joint of the robot,and finally realize the flexible assembly of multiple parts of the circuit breaker.Key words:Flexible Assembly of Circuit Breakers;Robotic Arm Trajectory Planning;SCARA Robot;Quintic Polynomial Interpolation (英文审校：黄璐)