基于并聯(lián)機(jī)器人自動分揀裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析含4張CAD圖
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基于并聯(lián)機(jī)器人自動分揀裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析
摘 要
我國目前的經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度飛快，與之而來的勞動力成本與生產(chǎn)的效率要求也在不斷地提升，生產(chǎn)線中的分揀系統(tǒng)是自動化生產(chǎn)線中相當(dāng)重要構(gòu)成部分，為了符合目前的要求， 其必須具有高速，高精度，智能化等一系列特點(diǎn)。在其中并聯(lián)機(jī)器人是最符合上述要求的機(jī)器人，所以并聯(lián)機(jī)器人在自動化生產(chǎn)線以及分揀系統(tǒng)中的應(yīng)用十分的可觀。
為了適應(yīng)目前的工業(yè)需求，本論文設(shè)計(jì)了具備多種規(guī)劃途徑以及拾取選擇的分揀裝置。對此分揀系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析。
本論文優(yōu)先設(shè)計(jì)了并聯(lián)機(jī)器人自動分揀裝置的結(jié)構(gòu)以及主要工作方式，詳細(xì)介紹了分揀系統(tǒng)的工作原理與優(yōu)點(diǎn)。在工業(yè)生產(chǎn)活動中，分揀系統(tǒng)針對不同的情況有不同的路徑要求。本文針對這些路徑要求主要設(shè)計(jì)了空間直線、與空間圓弧等軌跡的算法；運(yùn)用拋物線函數(shù)以提升運(yùn)動軌跡的穩(wěn)定性，并對產(chǎn)品的軌跡進(jìn)行了優(yōu)化。
最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作分揀系統(tǒng)的分揀過程，結(jié)果分析得到，第一，末端執(zhí)行器可以按照人為規(guī)劃的所有軌跡進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動。并且能夠按照人為的要求準(zhǔn)確的完成對產(chǎn)品的抓取和投放；第二，我們看到在分揀系統(tǒng)的分揀過程中，末端執(zhí)行器在不同段落的軌跡運(yùn)動中， 其過渡非常平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)任何卡頓現(xiàn)象。第三，系統(tǒng)可以自動判斷物件位置并進(jìn)行篩選。通過最大的效率來保證一次性抓取和投放多個(gè)物件，大大加快了生產(chǎn)效率。
關(guān)鍵詞：并聯(lián)機(jī)器人；分揀裝置；軌跡途徑
I
Abstract
With the rapid economic development in our country, the cost of labor and the efficiency of production are constantly improving. The sorting system in the production line is a very important part of the automatic production line. In order to meet the current requirements, it must have a series of characteristics such as high speed, high precision and intelligence. Among them, parallel robot is the most suitable robot, so the application of parallel robot in automatic production line and sorting system is very considerable.
In order to meet the current industrial needs, this paper designs a sorting device with multiple planning approaches and pick-up options. The structure of the sorting system is designed and analyzed.
This paper gives priority to the design of the structure and main working mode of the parallel robot automatic sorting device, and introduces the working principle and advantages of the sorting system in detail. In industrial production activities, the sorting system has different path requirements for different situations. According to these path requirements, this paper mainly designs the algorithm of space straight line, space arc and other tracks, uses parabola function to improve the stability of the motion track, and optimizes the product track.
Finally, the sorting process of the experimental operation sorting system is carried out, and the results are analyzed. First, the end actuator can move according to all the trajectories planned by human. In addition, it can accurately grasp and release the products according to the human requirements; secondly, we can see that in the sorting process of the sorting system, the transition of the end actuator in the track movement of different paragraphs is very smooth, without any jamming phenomenon. Third, the system can automatically determine the location of objects and filter them. Through the maximum efficiency to ensure a one-time grab and drop multiple objects, greatly speeding up the production efficiency.
Key words: Parallel Robot; Sorting equipment; Track approach
II
目 錄
摘 要 1
Abstract 2
引 言 1
1、緒論 2
1.1 選題的依據(jù)及意義 2
1.1.1 選題的依據(jù) 2
1.1.2 選題的意義 3
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 3
1.2.1 國外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 3
1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 4
1.3 本課題研究內(nèi)容及要求 4
1.3.1 研究內(nèi)容 4
1.3.2 設(shè)計(jì)要求 5
2、構(gòu)建系統(tǒng)框架 6
2.1 并聯(lián)機(jī)器人自動分揀裝置課題研究方案 6
2.2 結(jié)構(gòu)及附圖 6
2.2 技術(shù)效果說明 9
3、并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動學(xué)建模與分析 10
3.1 機(jī)構(gòu)分析 10
3.2 坐標(biāo)系的建立 11
3.3 位置正解逆解分析 11
4、末端軌跡部分 14
4.1 末端軌跡規(guī)劃 14
4.2 末端運(yùn)動軌跡分析 14
4.2.1 直線軌跡規(guī)劃 16
4.2.2 空間圓弧軌跡規(guī)劃 18
5、總結(jié) 20
參考文獻(xiàn) 21
后 記 22
IV
引 言
隨著時(shí)代的進(jìn)步，我國的經(jīng)濟(jì)也在快速的發(fā)展，自動化生產(chǎn)線的逐漸普及也大大提高了生產(chǎn)的安全性，并有效的提高了生產(chǎn)速度和生產(chǎn)質(zhì)量?，F(xiàn)代化的自動生產(chǎn)線所應(yīng)用到的技術(shù)有：機(jī)械技術(shù)、電工電子技術(shù)、微電子技術(shù)、接口技術(shù)、信息變換技術(shù)、傳感測試技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等多種現(xiàn)代技術(shù)結(jié)合，且綜合應(yīng)用到自動化的生產(chǎn)之中。生產(chǎn)線的傳感檢測、傳輸、處理與控制、執(zhí)行與驅(qū)動的等機(jī)構(gòu)隨著眾多技術(shù)的結(jié)合，在微處理單元的控制下協(xié)調(diào)并有序的進(jìn)行工作，各個(gè)機(jī)構(gòu)組合在一起形成了一個(gè)整體，共同的完成現(xiàn)代自動化生產(chǎn)流程。綜上所述，現(xiàn)代化的生產(chǎn)線具有綜合性和系統(tǒng)性的特點(diǎn)。
分揀系統(tǒng)是自動化生產(chǎn)線中的重要組成部分，其具備快速、高精度、高負(fù)載、智能化等特點(diǎn)。人工分揀的成本高且效率低，最重要的是人工無法在某些較惡劣環(huán)境下工作，對工人的安全性并沒有太大的保障，且相對與較重的物品來說，人工分揀的效率更低。本文詳細(xì)闡述了一種并聯(lián)機(jī)器人的自動分揀系統(tǒng)，達(dá)到了減少人員使用以及大大的提高了人員的使用效率，且減輕員工勞動強(qiáng)度與確保員工安全性的成果。
1
1、緒論
1.1選題的依據(jù)及意義
1.1.1 選題的依據(jù)
隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，市場的競爭也日趨激烈。各大生產(chǎn)企業(yè) 都在努力的提高自身產(chǎn)品的生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量，而分揀系統(tǒng)在其中起著至關(guān)重要的作用。一個(gè)產(chǎn)品是否合格，質(zhì)量是否過關(guān)，也直接取決于在自動化生產(chǎn)線中的分揀系統(tǒng)能否正確 并快速地辨別出不合格產(chǎn)品。到目前為止，現(xiàn)在的大多數(shù)生產(chǎn)線中的分揀機(jī)構(gòu)仍然需要人 工的參與，但作業(yè)強(qiáng)度已經(jīng)越來越小。同時(shí)，完全做到無人化來完成分揀作業(yè)的自動分揀 系統(tǒng)也慢慢的誕生。自動分揀的含義是指，從產(chǎn)品進(jìn)入分揀系統(tǒng)開始，直到其進(jìn)入人工所 指定的位置為止，都是根據(jù)操作者設(shè)定的指令并且依靠自動裝置來完成分揀的。除了在控 制端的鼠標(biāo)以及鍵盤等通過人工的方式來向控制裝置下達(dá)指令信息，其他部分全部采用自 動化控制作業(yè)，因此它的分揀能力相對之前來說要更加優(yōu)秀，出錯(cuò)率更低，相對于人工分 揀來說分揀效率也有著很大的提升。
并聯(lián)機(jī)器人是目前應(yīng)用很廣泛的一種機(jī)器人。機(jī)器人從結(jié)構(gòu)上可以分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種。串聯(lián)機(jī)器人具有的優(yōu)點(diǎn)有工作空間大、操作靈活等[1]，雖然其在工業(yè)生產(chǎn)中得到了相對廣泛的應(yīng)用，但是它也存在著類似承載能力低、動力學(xué)性能差以及關(guān)節(jié)誤差累積等一系列的缺點(diǎn)[2]。而在實(shí)際應(yīng)用中需要機(jī)器人具有很高的承載能力、良好的動力學(xué)性能和高精度等一些要求時(shí)。在這種形式下，并聯(lián)機(jī)器人就隨之誕生了[3]。并聯(lián)機(jī)器人相較與傳統(tǒng)的串聯(lián)機(jī)器人來說，具有精度高、柔性化強(qiáng)、承載能力強(qiáng)、運(yùn)行速度快以及慣性較小等特點(diǎn)
[4]。智能分揀系統(tǒng)中的機(jī)械手作為驅(qū)動裝置，在接受系統(tǒng)操作指令后，正確執(zhí)行指令來完
成操作任務(wù)[5]。
2
圖 1.1 并聯(lián)機(jī)器人分揀裝置
1.1.2 選題的意義
中國是目前世界上工業(yè)起步相對較晚并且人口最多的發(fā)展中國家。而隨著人力勞動成本的提升，機(jī)器人代替人工進(jìn)行工作的需求也在日益增強(qiáng)。機(jī)器人最早應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)是在汽車的制造領(lǐng)域，至今，機(jī)器人已經(jīng)遍布現(xiàn)代工業(yè)自動化生產(chǎn)線。
機(jī)器人在生產(chǎn)線的分揀環(huán)節(jié)中也是不可或缺的，隨著各類識別技術(shù)的發(fā)展，具有高精確度識別能力的分揀機(jī)器人在分揀環(huán)節(jié)中得到了廣泛的應(yīng)用。目前，分揀裝置的機(jī)器人主要分為串聯(lián)式機(jī)器人和并聯(lián)式機(jī)器人兩種不同的類型。并聯(lián)式機(jī)器人由多個(gè)并列的運(yùn)動鏈將靜平臺與末端執(zhí)行器相連，并在結(jié)構(gòu)末端處具有兩個(gè)及以上的自由度，驅(qū)動方式為并聯(lián)驅(qū)動。因此，具有了很多串聯(lián)機(jī)器人不具備的優(yōu)點(diǎn)，例如負(fù)載能力強(qiáng)、動態(tài)響應(yīng)迅速等?；谶@些優(yōu)勢，并聯(lián)機(jī)器人分揀裝置在工業(yè)生產(chǎn)中具有相當(dāng)高的應(yīng)用價(jià)值。
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
1.2.1 國外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
自上個(gè)世紀(jì) 80 年代并聯(lián)機(jī)器人出現(xiàn)后，不斷的隨著科學(xué)技術(shù)的改進(jìn)而衍生出許多不同的種類。Clave 將從動臂與驅(qū)動臂之間的連接轉(zhuǎn)動副替換成為了移動副，用來提高機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的靈活度；Tsai 提出并采用了虎克鉸替換為球形鉸的設(shè)計(jì)方案，滿足了在很多高速應(yīng)用場合中高強(qiáng)度的需求，并且將其結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了簡化。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和市場生產(chǎn)要求
4
的不斷提高，并聯(lián)機(jī)器人的發(fā)展方向趨于高速化、高強(qiáng)度、高精度、高靈活度的方向[6]。瑞典 ABB 研發(fā)出的 IRB360 型機(jī)器人可以在負(fù)載 1KG 時(shí)達(dá)到 10000 次每小時(shí)的拾取速度。負(fù)載 3KG 時(shí)可以達(dá)到每小時(shí) 8750 次。近期，在專利限制解除以及不斷提高的市場需求、虛擬平臺等新技術(shù)的產(chǎn)生及發(fā)展的推動作用下，針對并聯(lián)機(jī)器人的研究熱度不斷地提高， 各國的高校實(shí)驗(yàn)室以及國家科研機(jī)構(gòu)都展開了諸多相關(guān)的研究。
1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
在中國，由于起步較晚，分揀系統(tǒng)中由人工作業(yè)所占的比例也相對較高。物料產(chǎn)品的自動分揀系統(tǒng)的廣損耗為 152dB，此時(shí)按照傳統(tǒng)方法選擇擴(kuò)展覆路徑損耗為 152dB，此時(shí)按照傳統(tǒng)方法選擇擴(kuò)展覆蓋對應(yīng)的重復(fù)次數(shù) 8，而本章提出的算法也將選擇 8 作為重復(fù)次數(shù)。但總體而言，由于并聯(lián)機(jī)器人自動分揀裝置內(nèi)存在大量位置隨機(jī)分布的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備， 故本章提出的算法能夠比傳統(tǒng)方法使用更少的重復(fù)次數(shù)。為了解決 NB-IoT 子載波間隔
（subcarrier spacing）信道質(zhì)量受到環(huán)境影響的問題種方法的性能一致。例如，設(shè)備根據(jù)下行測量得到當(dāng)前路徑損耗為 152dB，此時(shí)按照傳統(tǒng)于提升了 100 倍覆蓋區(qū)域的能力； 在這種情形下，兩種方法的性能一致。例如，設(shè)備根據(jù)下行測量得到當(dāng)前的相當(dāng)于提升了100 倍覆蓋區(qū)域的能力；在這種情形下，兩種方法的性能一致。例如，設(shè)備根據(jù)下行測量得到當(dāng)前路徑損耗為 152dB，此時(shí)按照傳統(tǒng)方法選擇擴(kuò)展覆蓋對應(yīng)的重復(fù)次數(shù) 8，而本章提出的算法也將選擇 8 作為重復(fù)次數(shù)。但總體而言，由于并聯(lián)機(jī)器人自動分揀裝置內(nèi)存在大量位置隨機(jī)分布的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，故本章提出的算法能夠以肯定的是，隨著我國工業(yè)生產(chǎn)的大環(huán)境逐步改善，并聯(lián)機(jī)器人自動分揀系統(tǒng)在我國各個(gè)領(lǐng)域一定會大有用武之地的。
1.3 本課題研究內(nèi)容及要求
1.3.1 研究內(nèi)容
基于并聯(lián)機(jī)器人自動分揀裝置作為自動化生產(chǎn)線中的分揀系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，承擔(dān)著區(qū)分優(yōu)品劣品并正確分揀的任務(wù)，分揀分系統(tǒng)主要由一個(gè)重量檢測系統(tǒng)和并聯(lián)機(jī)器人組成。
1） 重量檢測系統(tǒng)
產(chǎn)品的合格與否通過其是否達(dá)到規(guī)定的重量區(qū)間來確定，這需要產(chǎn)品通過一個(gè)計(jì)重單元或者壓力傳感器來檢測。在這里我們采用了壓力傳感器。
2） 并聯(lián)機(jī)器人
當(dāng)系統(tǒng)察覺產(chǎn)品不合格時(shí)將采用并聯(lián)機(jī)器人把不合格的產(chǎn)品送入到不合格產(chǎn)品區(qū)；并連接機(jī)器人主要是由 PLC 控制系統(tǒng)、機(jī)械傳動裝置、伺服控制系統(tǒng)和夾具組成。
3) 工裝夾具
6
夾具分為自動夾具和手動夾具。手動夾具一般由規(guī)制板、角座、基準(zhǔn)面、夾爪、軸承、定位面、定位銷、夾鉗、氣動元件及氣缸組成。主要通過定位銷、定位面、夾爪來進(jìn)行定位和夾緊，從而確保產(chǎn)品檢測時(shí)的位置精度。
圖 1.2 自動化流水線總體分布圖
1.3.2 設(shè)計(jì)要求
1 功能的實(shí)現(xiàn)
能夠?qū)γ恳粋€(gè)通過傳送帶的產(chǎn)品進(jìn)行重量檢測來判斷其產(chǎn)品的優(yōu)劣性，并將合格與不合格產(chǎn)品分揀到規(guī)劃好的不同區(qū)域，實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)線中的無人操作，做到零人工。
2 工作的穩(wěn)定性
并聯(lián)機(jī)器人自動分揀系統(tǒng)可以在高溫或其他相較與人工來說的惡劣環(huán)境下依然可以進(jìn)行穩(wěn)定的工作，杜絕其因?yàn)榄h(huán)境的不適應(yīng)而造成分揀工作出現(xiàn)誤差甚至錯(cuò)誤。
3 結(jié)果的可靠性
在對系統(tǒng)的程序進(jìn)行編寫時(shí)，能夠查閱大量的相關(guān)資料以及做充足的實(shí)地考察來得到相對可靠的數(shù)值，能夠讓系統(tǒng)對產(chǎn)品的優(yōu)劣做出最精確的判斷以及正確的分揀，從而達(dá)到分揀結(jié)果的可靠性。
4 系統(tǒng)的多樣性
本產(chǎn)品可以更換不同的末端執(zhí)行器，使其應(yīng)用到焊接、裝配、姿態(tài)調(diào)整和定位設(shè)備、激光、醫(yī)用等一系列其他領(lǐng)域。
7
2、構(gòu)建系統(tǒng)框架
2.1并聯(lián)機(jī)器人自動分揀裝置課題研究方案
本裝置通過如下方案來達(dá)到分揀要求：一種空間包含四自由度的碼垛機(jī)械手是由動平臺、靜平臺及其連接動靜平臺之間的四條相同支鏈組成的，每條支鏈都是由一臺固定在靜平臺上面的伺服電機(jī)所驅(qū)動，四臺電機(jī)共同驅(qū)動即可實(shí)現(xiàn)動平臺三維平動、一維轉(zhuǎn)動所組成的空間四自由度運(yùn)動量得到當(dāng)前路徑損耗為 152dB，此時(shí)按照傳統(tǒng)方法選擇擴(kuò)展覆蓋對應(yīng)的重復(fù)次數(shù) 8，而本章提出的算法也將選擇 8 作為重復(fù)次數(shù)。但總體而言，由于并聯(lián)機(jī)器人自動分揀裝置內(nèi)存在大量位置隨機(jī)分布的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，故本章提出的算法能夠比傳統(tǒng)方法使用更少的重復(fù)次數(shù)。為了解決 NB-IoT 子載波間隔（subcarrier spacing）信道質(zhì)量受到環(huán)境影響的問題種方法的性能一致。例如，設(shè)備根據(jù)下行測量得到當(dāng)前路徑損耗為152dB，此時(shí)按照傳統(tǒng)方法選擇擴(kuò)展覆蓋對應(yīng)的重復(fù)次數(shù) 8，而本章提出的算法也將選擇 8 作為重復(fù)次數(shù)。但總體而言，由于并聯(lián)機(jī)器人自動分揀裝置內(nèi)存過第 I、第 II 虎克鉸與第1、第 2 連桿相聯(lián)接，第 1 連桿的另一端通過第 III 虎克鉸與第 2 構(gòu)件相聯(lián)接，第 2 連桿的另一端通過第 IV 虎克鉸與第 2 構(gòu)件相聯(lián)接，第 1、第 2 連桿平行等長。本設(shè)備是由傳感器、控制系統(tǒng)、傳送平臺和驅(qū)動系統(tǒng)等共同組成 ,負(fù)責(zé)人機(jī)交互與顯示信息以及發(fā)送控制指令對下位機(jī)動作進(jìn)行控制[7]。
2.2 結(jié)構(gòu)及附圖
本裝置的技術(shù)效果是：
3 驅(qū)動電動機(jī)均安裝在機(jī)架上，桿件做成輕質(zhì)桿，機(jī)構(gòu)整體重量輕、剛性強(qiáng)、慣量小、動力學(xué)性能較好；
4 機(jī)構(gòu)的平動運(yùn)動和轉(zhuǎn)動運(yùn)動分別由不同的支鏈單獨(dú)控制，機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)正、逆問題求解容易，控制方便；
5 在本裝置中安裝上不同的末端執(zhí)行器，可以使其識別不同類型的物料產(chǎn)品，可以應(yīng)用到焊接、裝配、激光和醫(yī)用、定位設(shè)備等多種領(lǐng)域。
附圖說明
9
圖 2.1 本裝置第一種結(jié)構(gòu)示意圖
圖 2.2 本裝置第二種結(jié)構(gòu)示意圖
10
圖 2.3 本裝置第一種支鏈結(jié)構(gòu)示意圖
圖 2.4 本裝置第二種支鏈結(jié)構(gòu)示意圖
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在圖中：1-靜平臺 2-第一伺服電機(jī) 3-第二伺服電機(jī) 4-第三伺服電機(jī) 5-第四伺服電機(jī) 6-第一轉(zhuǎn)動副 7-第三轉(zhuǎn)動副 8-第五轉(zhuǎn)動副 9-第七轉(zhuǎn)動副 10-第二轉(zhuǎn)動副 11-第四轉(zhuǎn)動副 12-第六轉(zhuǎn)動副 13-第八轉(zhuǎn)動副 14-動平臺 15-第一構(gòu)
件 16-第 I 轉(zhuǎn)動副 17-第二構(gòu)件 18-第 II 轉(zhuǎn)動副 19-第 III 轉(zhuǎn)動副 20-第一連
桿 21-第二連桿 22-第 IV 轉(zhuǎn)動副 23-第 V 轉(zhuǎn)動副 24-第三構(gòu)件 25-第 VI 轉(zhuǎn)動副 26-
第四構(gòu)件 27-第 1 構(gòu)件 28-第 I 虎克鉸 29-第 II 虎克鉸 30-第 1 連桿 31-第 2 連
桿 32-第 III 虎克鉸 33-第 IV 虎克鉸 34-第 2 構(gòu)件。
2.3 技術(shù)效果說明
如附圖 2.1 和 2.2，第一支鏈一端通過第一轉(zhuǎn)動副 6 與靜平臺 1 聯(lián)接，第一支鏈另一端通過第二轉(zhuǎn)動副將累積因??(??) = ????????所需時(shí)間更短，MCS 增大的速度更快[8]。MCS 達(dá)到最大值之后，當(dāng)接收到 ACK 時(shí)，降低重復(fù)次數(shù)大小。當(dāng)設(shè)備到達(dá)并聯(lián)機(jī)器人自動分揀裝置邊界時(shí)，重復(fù)次數(shù)達(dá)到最大。之后設(shè)備向并聯(lián)機(jī)器人自動分揀裝置中心移動，信道狀態(tài)逐漸變好，由于此時(shí) MCS 最小，降低重復(fù)次數(shù)。當(dāng)重復(fù)次數(shù)降低到最小之后設(shè)備度比較高使得累積因子??(??)達(dá)到下界????????時(shí)，降低 MCS。在 MCS 達(dá)到最大值或者最小值的時(shí)候，其次動態(tài)調(diào)整 MCS 和重復(fù)次數(shù)可以適應(yīng)環(huán)境的環(huán)境的持續(xù)改變。子載波間隔（subcarrier spacing）為清晰描述方案，本節(jié)用一個(gè)案例解釋基于多格控制 V 虎克鉸 33 與第 2 構(gòu)件 34
聯(lián)接，第 1 連桿 30 與第 2 連桿 31 平行等長。
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3、并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動學(xué)建模與分析
3.1機(jī)構(gòu)分析
并聯(lián)機(jī)器人支鏈的分布形狀為三角形，如下圖：
圖 3.1 并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)
如圖 3.1（a）所示，并聯(lián)機(jī)器人主要有支鏈機(jī)構(gòu)、靜平臺和動平臺組成。其中各支鏈分別由完全相同的球并聯(lián)機(jī)器人自動分揀裝置邊界時(shí)，重復(fù)次數(shù)達(dá)到最大。之后設(shè)備向并聯(lián)機(jī)器人自動分揀裝置中心移動，信道狀態(tài)逐漸變好，由于此時(shí) MCS 最小，降低重復(fù)次數(shù)。當(dāng)重復(fù)次數(shù)降低到最小之后設(shè)備度比較高使得累積因子??(??)達(dá)到下界????????時(shí)，降低 MCS。在 MCS 達(dá)到最大值或者最小值的時(shí)候，其次動態(tài)調(diào)整 MCS 和重復(fù)次數(shù)可以適應(yīng)環(huán)境的環(huán)境的持續(xù)改變。所表示的進(jìn)行相應(yīng)的簡化，得出圖 3.1（b）。
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3.2坐標(biāo)系的建立
圖 3.2 并聯(lián)機(jī)器人坐標(biāo)系
如圖 3.2 所示，Mi 表示其各支鏈驅(qū)動轉(zhuǎn)軸的中心，Si 表示驅(qū)動臂和被動臂的連接虎克鉸，Ti 表示的工資源，嚴(yán)重??(??) = ????????所需時(shí)間更短，MCS 增大的速度更快。MCS 達(dá)到最大值之后，當(dāng)接收到 ACK 時(shí)，降低重復(fù)次數(shù)大小。當(dāng)設(shè)備到達(dá)并聯(lián)機(jī)器人自動分揀裝置邊界時(shí)，重復(fù)次數(shù)達(dá)到最大。之后設(shè)備向并聯(lián)機(jī)器人自動分揀裝置中心根據(jù)數(shù)據(jù) A 和 B 的優(yōu)先級對 A 和 B 的重復(fù)次數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，調(diào)整后數(shù)據(jù)塊 A 和 B 的重復(fù)次數(shù)更新為 12 和 4，預(yù)期傳輸成功的概率變?yōu)?0.92 和 0.88，最后用一個(gè)例子來說明區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)優(yōu)先級后重復(fù)次數(shù)優(yōu)化機(jī)制的收益。假設(shè)有數(shù)據(jù)塊 A 和 B，每個(gè)總余量減去工序 2 的余量 Z3，即 Z1=2 算法得到的重復(fù)次數(shù)為8，相應(yīng)的傳輸成功的概率為0.9，則該配置可提供的總收益為0.9×(8+2)=9。根據(jù)數(shù)據(jù) A 和 B 的優(yōu)先級對 A 和 B 的重復(fù)次數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，調(diào)整后數(shù)據(jù)塊 A 和 B 的重復(fù)次數(shù)更新為 12 和 4，預(yù)期傳輸成功的概率變?yōu)?0.92 和 0.88 移動，信道狀態(tài)逐漸變好，由于此時(shí) MCS 最小，降低重復(fù)次數(shù)。當(dāng)重復(fù)次數(shù)降低到最小之后設(shè)備度比較高使得累積因子??(??)達(dá)到下界????????時(shí)，降低 MCS。在 MCS 達(dá)到最大值或者最小值的時(shí)候，其次動態(tài)調(diào)整 MCS 和重復(fù)次數(shù)可以適應(yīng)環(huán)境的得到，如 3.2 (b)所示。
3.3 位置正解逆解分析
目標(biāo)軌跡上插補(bǔ)點(diǎn) P 的坐標(biāo)值設(shè)為(xp，yp,zp)。由位姿變換矩陣可以獲得 P 點(diǎn)在運(yùn)動支鏈坐標(biāo)系中位置:
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利用機(jī)器人三個(gè)支鏈的分布結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，末端中心點(diǎn)的位置和驅(qū)動臂的轉(zhuǎn)角關(guān)系可以根據(jù)支鏈的運(yùn)動狀態(tài)分析。
圖 3.3 運(yùn)動支鏈機(jī)構(gòu)圖
如圖 3.3 所示，Oi 為靜平臺中心點(diǎn)，MiSi 為主動臂，R 為驅(qū)動軸的旋轉(zhuǎn)中心所在的外接圓半徑，r 為動信道狀態(tài)逐漸變好，由于此時(shí) MCS 最小，降低重復(fù)次數(shù)。當(dāng)重復(fù)次數(shù)降低到最小之后設(shè)備度比較高使得累積因子??(??)達(dá)到下界????????時(shí)，降低 MCS。在 MCS 達(dá)到最大值或者最小值的時(shí)候，其次動態(tài)調(diào)整 MCS 和重復(fù)圓周運(yùn)動。
si si 1
（x -R）2+z 2=L 2
關(guān)節(jié)點(diǎn) Si 與 TI 間距為定值 L2，得出：
聯(lián)立以上兩式，可得：
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整理可得靜平臺與驅(qū)動臂的夾角關(guān)系式為：
θi=arcsin（zsi/L1），（i=1，2，3，）
得到末端 P 位置表達(dá)式為：
由上式可知，所得末端坐標(biāo)中 zp 有兩個(gè)不同解，為防止靜平臺與驅(qū)動臂出現(xiàn)干涉，結(jié)合并聯(lián)機(jī)機(jī)器人坐標(biāo)系的分布，在位置正解時(shí)取負(fù)解。
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4、末端軌跡部分
4.1末端軌跡規(guī)劃
對于分揀系統(tǒng)中并聯(lián)機(jī)器人，所謂的軌跡就是機(jī)器人末端執(zhí)行器完成對目標(biāo)物件的取放和轉(zhuǎn)移時(shí)所遍歷的空間路徑。數(shù)。重復(fù)次數(shù)調(diào)整之后誤塊率降低，設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)接收到ACK 反饋的比例更高，因此累積因子從 0 到觸發(fā)??(??) = ????????所需時(shí)間更短，MCS 增大的速度更快。MCS 達(dá)到最大值之后，當(dāng)接收到 ACK 時(shí)，降低重復(fù)次數(shù)大小。當(dāng)設(shè)備到達(dá)并聯(lián)機(jī)器人自動分揀裝置邊界時(shí)，重復(fù)次數(shù)達(dá)到最大。之后設(shè)備向并聯(lián)機(jī)器人自動分揀裝置中心移動，信道狀態(tài)逐漸變好，由于此時(shí) MCS 最小，降低重復(fù)次數(shù)。當(dāng)重復(fù)次數(shù)降低到最小之后設(shè)備度比較高使得累積因子??(??)達(dá)到下界????????時(shí)，降低 MCS。在 MCS 達(dá)到最大值或者最小值的時(shí)候，其次動態(tài)調(diào)整 MCS 和重復(fù)次數(shù)可以適應(yīng)環(huán)境的環(huán)境跡中對應(yīng)驅(qū)動臂的變化狀況。
機(jī)器人的末端軌跡規(guī)劃中，首先需確定其起始點(diǎn)以及終點(diǎn)。在一般的應(yīng)用中，存放點(diǎn)的位置為固定點(diǎn)，本節(jié)用一個(gè)案例解釋基于多維參數(shù)調(diào)整的 NB-IoT 鏈路自適應(yīng)方法的運(yùn)行流程。假設(shè)一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備從并聯(lián)機(jī)器人自動分揀裝置的中心向并聯(lián)機(jī)器人自動分揀裝置的邊緣移動，到達(dá)并聯(lián)機(jī)器人自動分揀裝置邊緣之后又折返回到并聯(lián)機(jī)器人自動分揀裝置的中心。該過程系統(tǒng)的 MCS 以及重復(fù)次數(shù)變化如于專業(yè)化的大批量狀態(tài)的評估信息快速調(diào)整重復(fù)次數(shù)有利于改善通信質(zhì)量，根據(jù)算法描述，當(dāng)設(shè)備位于并聯(lián)機(jī)器人自動分揀裝置中心時(shí)，信道狀態(tài)良好，此時(shí) MCS 為最大，這時(shí)多次觸發(fā)??(??) = ????????，MCS 減小。實(shí)現(xiàn)連續(xù)平滑的運(yùn)行，避免出現(xiàn)末端的振動，本課題采用圓弧連接實(shí)現(xiàn)過渡以減小尖角對末端運(yùn)動的影響。
4.2末端運(yùn)動軌跡分析
在分揀生產(chǎn)線，并聯(lián)機(jī)器人末端的運(yùn)動目的是實(shí)現(xiàn)對傳送帶目標(biāo)物件的拾取和存放，
-般對末端的在空到觸發(fā)??(??) = ????????所需時(shí)間更短，MCS 增大的速度更快。MCS 達(dá)到最大值之后，當(dāng)接收到 ACK 時(shí)，降低重復(fù)次數(shù)大小。當(dāng)設(shè)備到達(dá)并聯(lián)機(jī)器人自動分揀裝置邊界時(shí)， 重復(fù)次數(shù)達(dá)到最大。之后設(shè)備向并聯(lián)機(jī)器人自動分揀裝置中心移動，信道狀態(tài)逐漸變好， 由于此時(shí) MCS 最小，降低重復(fù)次數(shù)。當(dāng)重復(fù)次數(shù)降低到最小之后設(shè)備度比較高使得累積因子??(??)達(dá)到下界????????時(shí)，降低 MCS。在 MCS 達(dá)到最大值或者最小值的時(shí)候，其次動態(tài)調(diào)整MCS 和重復(fù)次數(shù)可以適應(yīng)式分成空間直線軌跡、梯形軌跡、圓弧軌跡、門形軌跡四種。
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圖 4.1 末端執(zhí)行器的軌跡形式
如圖 4.1 所示的四種軌跡為分揀系統(tǒng)中并聯(lián)機(jī)器人末端執(zhí)行器常用的軌跡。圖 4.1(a) 所示中的軌跡中由-- NACK 時(shí)，累積因子減小的幅度比接收到 ACK 時(shí)累積因子增加的幅度大。為了保證一定的信道質(zhì)量，確?；灸苷_接收到物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)，需要嚴(yán)格控制累積因子收到NACK 對累積因子的影響比接收到ACK 的影響大，也即當(dāng)接收到NACK 時(shí)，
累積因子減小的幅度比接收到 ACK 時(shí)累積因子增加的幅度大。為了保證一定的信道質(zhì)量， 確?；灸苷_接收到物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)，需要嚴(yán)格控制累積因子 NACK，表明信道質(zhì)量變差。如果重復(fù)次數(shù)等于 128，則將 MCS 的值加一。將 MCS 的值減一注意，NB-IoT 上行重復(fù)次數(shù)最大為 128，MCS 的取值范圍與傳輸單個(gè)資源單元使用的子載波數(shù)目有關(guān)。當(dāng)子載波數(shù)大于 1 復(fù)合軌跡的規(guī)劃。
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4.2.1直線軌跡規(guī)劃
并聯(lián)機(jī)器人的末端執(zhí)行器在空間中的運(yùn)動形式涉及 XYZ 三個(gè)自由度的平移，且軌跡規(guī)劃中對應(yīng)抓取目標(biāo)物件的位置坐標(biāo)和放置物件的位置坐標(biāo)可通過相應(yīng)方法確定。在直線軌跡規(guī)劃中，通過對軌跡始末點(diǎn)的位置差在坐標(biāo)軸上等間隔取插補(bǔ)點(diǎn)，目標(biāo)軌跡中對應(yīng)插補(bǔ)點(diǎn)和始末位置關(guān)系可通過以下函數(shù)表示：
式中，（x0，y0，z0）和（xn，yn，zn）分別表示起始點(diǎn)和插補(bǔ)點(diǎn)位置，△s 表示中間插補(bǔ)點(diǎn)在對應(yīng)軸方向上的增量，n 表示插補(bǔ)點(diǎn)序號（n=1，2，3…N）。N 表示插補(bǔ)點(diǎn)個(gè)數(shù)，其取值確定了末端的運(yùn)動平穩(wěn)性。分析可以知道末端的運(yùn)動速度變化，如下圖所示。
圖 4.2 末端在軸方向上的變化
s s
假定規(guī)劃路徑的兩端對應(yīng)的拋物線的運(yùn)動區(qū)間所經(jīng)歷的時(shí)間一樣，使得其過渡區(qū)域內(nèi)加速度一樣且方向不同。設(shè)軌跡規(guī)劃函數(shù)對應(yīng)的直線段速度為 v，加速度為 a，可得拋物線的運(yùn)動時(shí)間 t 和位移 l 分別為[9]：
根據(jù)運(yùn)動學(xué)公式可知，直線軌跡中末端執(zhí)行器的總位移 ls 和時(shí)間 t 分別為:
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則可得到：
式中，tλ=it/N，i=1，2，3…N（i 表示插補(bǔ)點(diǎn)序號，N 表示插補(bǔ)點(diǎn)個(gè)數(shù)），表示末端在該軌跡內(nèi)的離散時(shí)間當(dāng)量；tsλ=ts/t，表示過度拋物線對應(yīng)的離散時(shí)間當(dāng)量，aλ表示λ 的變化加速度。由上可得出末端執(zhí)行器的速度曲線。
圖 4.3 末端在規(guī)劃區(qū)間內(nèi)的 x 坐標(biāo)變化曲線
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圖 4.4 末端在規(guī)劃區(qū)間內(nèi)的速度 1 曲線
直線軌跡的規(guī)劃，提出的 MPALA 方法可以根據(jù)信道質(zhì)量靈活調(diào)整 MCS 和重復(fù)次數(shù)。當(dāng)信道質(zhì)量提高時(shí)，本章提出的鏈路自適應(yīng)方法可以選擇更高的 MCS，因此選擇更大的傳輸塊（TBS），能夠節(jié)省數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間，進(jìn)而提高數(shù)據(jù)傳輸速率。當(dāng)信噪比繼續(xù)提高且大于-3dB
（信道質(zhì)量更好）時(shí)，直接方法選擇的重復(fù)次數(shù)仍為 1（已經(jīng)達(dá)到最小，末端速度較大同時(shí)加速度也要適當(dāng)提高，但這也會對定位精度有影響。所以應(yīng)綜合思考。
4.2.2 空間圓弧軌跡規(guī)劃
建立坐標(biāo)系，并求解圓弧方程式，完成后對圓弧進(jìn)行插補(bǔ)點(diǎn)規(guī)劃獲得插補(bǔ)點(diǎn)位置坐標(biāo)。最后結(jié)合空間坐標(biāo)變換矩陣，將其轉(zhuǎn)化為基坐標(biāo)內(nèi)的位置坐標(biāo)?？傻贸銎淦矫娣匠滩⑵湔归_：
平面方程為：
[x-1/2（x1+x2）]（x2-x1）+[y-1/2（y1+y2）]（y2-y1）+[z-1/2（z1+z2）]（z2-z1）=0
聯(lián)立可求得圓心坐標(biāo)值 P0（x0，y0，z0），同時(shí)可以計(jì)算圓弧的半徑，基于圓弧所在基面，我們可以建立特殊位置的坐標(biāo)系
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圖 4.5 特殊位置坐標(biāo)系 Op-UVW
根據(jù)上述，參照直線規(guī)劃，可以得到λ的表達(dá)式為：
式中，tsλ=ts/t，表示過度拋物線對應(yīng)的離散時(shí)間當(dāng)量，由上式可知λ是關(guān)于離散時(shí)間 t 的分段離散函數(shù)。其中λ=0 和λ=1 分別對應(yīng)于軌跡規(guī)劃始末位置。時(shí)間區(qū)間[0，tsλ] 和[1- tsλ，1]表示對稱的拋物線段，分別對應(yīng)末端執(zhí)行器的加速和減速階段。
圖 4.6 圓弧軌跡中插補(bǔ)點(diǎn)的角度變化曲線
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5、總結(jié)
課題基于生產(chǎn)線傳送帶物件分揀中目標(biāo)分揀物件分布密集、形式多樣、分揀目標(biāo)為動態(tài)狀態(tài)等特點(diǎn),設(shè)計(jì)了以并聯(lián)機(jī)刀具量化。首先選取過濾閾值????????和??????????（例如，取值 0.2 和 2%），如果當(dāng)前特征向量中的 SNR 和 BLER 與已有記錄中特征的差異均小于這兩個(gè)閾值，則認(rèn)為特征差異不顯著歸為一種特征;更新該特征的標(biāo)簽，使用步驟 a 中兩份數(shù)據(jù)的可以提供更好后驗(yàn)性能的參數(shù)配置作為該特征的分類。最后，分別選擇????中出現(xiàn)頻率最高的（重復(fù)傳輸次數(shù)，MCS 方案）組合，作為下一時(shí)刻的鏈路參數(shù)配置。對后續(xù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)采用步驟1、2 進(jìn)行特征過濾和加標(biāo)簽的運(yùn)動控制器為核心的智能分揀控制系統(tǒng)。
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后 記
經(jīng)過兩個(gè)多月的努力，我論文的撰寫進(jìn)入了尾聲。在這里，我要感謝陳磊老師對論文過程中的悉心指導(dǎo)，也對我在日后的發(fā)展方向上做出了悉心的指導(dǎo)。陳老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和樂觀的生活態(tài)度都深深的影響了我，使我終身受益。正是有了陳老師在學(xué)習(xí)和生活中的幫助和指導(dǎo)，才使我能夠順利的完成論文的撰寫工作。在此謹(jǐn)向我的導(dǎo)師陳磊導(dǎo)師致以最衷心的感謝!
最后感謝評閱論文的諸位導(dǎo)師在百忙中對我論文的指導(dǎo)!正是有了他們的寶貴意見和建議，才使我的畢業(yè)論文得以不斷完善。謹(jǐn)以此文獻(xiàn)給所有關(guān)懷和幫助我的人!
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