基于动力学的PT1300型码垛机器人弹簧平衡机构设计.pdf

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1、机器人现代制造工程(ModernManufacturingEn舀neefing)2013年第6期基于动力学的PTl300型码垛机器人弹簧平衡机构设计’张良安1，解安东1，马寅东1，刘凤臣2，单家正1(1安徽工业大学，马鞍山243000；2杭州娃哈哈集团，杭州310000)摘要：随着实际应用中负载和速度要求的不断提高，码垛机器人的动力学特性被赋予了更高的要求，而优化机器人弹簧平衡机构对于改善其动力学性能和运动中的平稳性具有重要意义。基于凯恩(Kane)方程的动力学算法，以F]'1300型码垛机器人为研究对象建立码垛机器人刚体逆动力学

2、模型。在给定机器人运动路径及运动规律前提下，基于动力学层面提出一种弹簧乎衡机构设计方法。研究结果表明，采用该方法设计的弹簧平衡机构可明显降低关节驱动力矩，达到了预期效果。关键词：码垛机器人；动力学；弹簧；平衡；力矩中图分类号：CNll-4569／TH文献标志码：A文章编号：1671—3133(2013)06—0039—05SpringbalancingmechanismdesignofPTl300typepalletizingrobotZhangLiang’anl，XieAndon91，MaYindon91，“uFengchen2

3、，ShanJiazhen91(1AnhuiUniversityofTechnology，Maanshan243000，Anhui，China；2WahahaGroup，Hangzhou310000，China)Abstract：Astherisingdemandofloadandspeedinthepalletizingrobotsapplications，thebetterdynamicscharacteristicsarere·quired．Optimizingthespringbalancingmechanismisoneo

4、fthesignificantmethodtoimprovethedynamicperformance．BasedontheKaneequation，therigidbodyinversedynamicmodelofPTl300typepalletizingrobotisestablished．Thenanoptimizationmethodbasedondynamicsisproposedunderthegiventhepathandmovingprinciple．Theresultshowsthespringbalancing

5、mechanismdesignedusingthismethodCanobviouslydecreasethetorquetodrivethejoint．Keywords：palletizingrobot；dynamics；spring；balance；moment0引言码垛就是采用集成化的思想，将单一的物件按照一定模式堆码成跺，从而实现物料的搬运、装卸运输和存储等一系列物流操作¨o。自20世纪80年代初，瑞典和日本将机器人技术用于码垛工艺以来，码垛机器人应用范围不断扩大，工作负载不断增大，从而对机器人的动态性能需求迅速增加。因此

6、，为改善机器人动力学性能，增加机器人运动过程中的平稳性，设计其平衡机构具有重要的现实意义。其常用的平衡方式主要有：气缸及液压缸平衡、配重块平衡和弹簧平衡心。41等。气缸及液压缸平衡方式结构复杂、成本较高；配重块平衡方式会增加主臂杆惯性，使得机器人动力学性能变差；弹簧平衡方式结构简单、无需增加动力源、安装调整方便，故本文采用弹簧平衡方式。目前，国内外学者对码垛机器人弹簧平衡机构设计大多处在静力学层面上"引。由于机器人运动过程中的高速度和高加速度特性，使得机器人关节驱动力矩不仅包括臂杆重力产生的力矩，还包括哥氏力、离心力和惯性力产生的

7、力矩。因此，为更有效地改善其动态性能，本文以安徽工业大学、天津大学及杭州娃哈哈机械研究院共同研发的PTl300型码垛机器人为研究对象，从动力学角度展开其弹簧平衡机构的分析，并将优化结果用于指导样机设计。1机构介绍PTl300型码垛机器人虚拟样机如图1所示。PTl300型码垛机器人的基本结构由底座、主臂、前臂、前臂驱动臂、前臂驱动连杆、水平保持连杆、水平保持三角臂、末端手腕支架及平衡弹簧缸组成。各关节依·高档数控机床与基础制造装备科技重大专项基金项目(201IZX04013-011)392013年第6期现代制造工程(ModemMan

8、ufacturingEngineering)次称之为腰关节、肩关节、肘关节以及腕关节。平衡弹簧缸一端固定在距底座一定高度处，另一端固定在主臂顶端，主臂倾动时，平衡弹簧缸(即平衡弹簧)由于被拉伸而在肩关节产生转矩，以此达到平衡主臂关节驱动力矩的目的。