基于RobotStudio的塑料瓶分拣机器人设计_王洋洋.pdf

2023年1月机电技术机电技术基于基于RobotStudio的塑料瓶分拣机器人设计的塑料瓶分拣机器人设计*王洋洋1李国利2张 曌2（1.盐城工学院 机械工程学院，江苏 盐城 224051；2.金陵科技学院 机电工程学院，江苏 南京 211169）摘要针对塑料瓶在传送带上位姿不固定无法准确抓取的情况，设计出了一种吸盘与L型对称夹爪相结合的夹持式机构。首先利用SolidWorks画出末端执行器的模型并利用自带的插件对其进行动画仿真；然后利用ADMAS软件进行运动分析，证实该末端执行器可以对不同大小的塑料瓶进行精准的抓取；最后使用RobotStudio对分拣工作站进行布局设计以及仿真，并对仿真的结果分析。实验证明：该末端执行器能够快速、精准地对塑料瓶进行抓取，且分拣效率较高，符合工业自动化的需求。关键词塑料瓶；末端执行器；RobotStudio；分拣工作站中图分类号：TP242.2文献标识码：A文章编号：1672-4801（2023）01-026-04DOI：10.19508/ki.1672-4801.2023.01.008*江苏省产学研合作项目（BY2021300）作者简介：王洋洋（1997），男，硕士研究生，研究方向为工业机器人与机器视觉。通讯作者：李国利（1973），男，副教授，博士，研究方向为自动化检测与控制技术。随着时代的进步，越来越多的产业采用机械臂来代替人工作业，特别是物流产业，分拣物品速度和效率至关重要，而末端执行器是影响分拣效率的关键因素。鲍秀兰1设计了一种家禽自动净膛末端执行器，可实现在小空间里灵活地捕捉家禽。权龙哲等2研究了一种基于仿生原理的多功能蜓爪式末端执行器用以抓取多种多样的果蔬。姚志英等3设计了一种夹持式的仿生手指末端执行器，实现对瓶装药的抓取。徐丽明等4为了实现对橙子的无损采摘，设计了一种双V型手指脐橙采摘机器人末端执行器。张炜等5设计了一种穴盘苗移栽末端执行器实现了对穴盘苗移栽时可以调整不同的夹持角度。高旭东等6基于欠驱动原理设计了一种多功能末端执行器，可以有效地抓取球状、条状果蔬。程堂灿等7针对药房取药自动化程度低、效率低的特点，在传统直角坐标系机器人的基础上增加了一个旋转机关与抓手相结合的末端执行器以实现自动化药房。本文针对塑料瓶抓取不便的问题设计了一种吸盘与抓手相结合的末端执行器：首先构建了该末端执行器的模型，对其抓取动作进行运动分析；然后建立了分拣工作站并完成仿真实验，以此实现对塑料瓶快速、稳定的抓取。1末端执行器1.1末端执行器的设计塑料瓶随着传送带运动时，由于位姿不固定，传统的末端执行器无法有效地对其进行抓取。末端执行器采用吸盘与夹爪相结合的夹持式机构，利用SolidWorks将末端执行器的模型画出，如图1所示。首先利用吸盘吸取塑料瓶，考虑到在搬运移动的时候，塑料瓶比较轻会发生晃动，采用“L”型手指将塑料瓶夹持住防止掉落。气缸曲柄吸盘“L”型手指图图1 1末端执行器末端执行器为了验证设计的末端执行器是否符合模型的现实要求，利用 SolidWorks中自带的插件对其进行动态效果的仿真，仿真中的抓取物体采用圆柱体替代塑料瓶，如图2所示。图图2 2运动仿真运动仿真26第1期1.2末端执行器的运动分析为了方便分析，将末端执行器的模型导入到ADMAS中，通过ADMAS软件对末端执行器的抓取轨迹进行分析。根据图3可以得知，该末端执行器可抓取物品的直径范围为 2598 mm，可以实现对不同大小的塑料瓶的分拣。时间/s直径/mm图图3 3可抓取物体直径范围可抓取物体直径范围图4为吸盘接触点的受力分析，根据图中曲线可知吸盘可以吸取最大的重量为2 N，以500 mL的空矿泉水瓶为例，它的重量为0.2 N。该末端执行器完全可以实现对塑料瓶的吸取。图图4 4吸盘接触点受力曲线吸盘接触点受力曲线2分拣工作站2.1分拣工作站布局在RobotStudio中建立好新的分拣工作站，然后将用SolidWorks画好的末端执行器模型导入到其中8。为了使分拣机器人方便、快捷地对塑料瓶进行搬运，以机器人所在的地面中心点为坐标原点建立坐标系，O（0，0，Z0）为机器人底座中心坐标，M1（x1，y1，z1）为1号物品存储仓的中心点坐标，M2（x2，y2，z2）为2号物品存储仓的中心点坐标，M3（x3，y3，z3）为缓存工作台的中心点坐标。为了保证物品存储仓以及缓存工作台都在机器人的工作范围之内，只需要满足9：|x12+y12+(z1-z0)2 R+rx22+y22+(z2-z0)2 R+rx32+y32+(z3-z0)2 R+r（1）式中：R为机器人能覆盖到的最大半径；r为末端执行器抓取物料中心点到法兰盘中心点的距离。根据RobotStudio建立好新的分拣工作站，得到机器人坐标为O（0，0，800）、1号物品存储仓中心点坐标为 M1（345，540，833）、2号物品存储仓中心点坐标为 M2（1345，540，833）、缓存工作台的中心点坐标M3（845，1260，1230）、r=300 mm，将数据代入上述公式中，可知缓存工作台与存储仓都在机器人工作范围内，分拣工作站的位置布局如图5所示。图图5 5分拣工作站位置布局分拣工作站位置布局2.2动态夹具的建立只将末端执行器导入工作站是无法进行运动的，还需要对夹具建立动态效果，这是比较重要的一部分10。创建动态夹具首先要为其添加Smart子组件，LineSensor 为传感器子组件，Attacher 与 Detacher为夹取与松开动作子组件。然后需要对组件进行属性与连接、信号与连接，先设置一个数字输入信号 di_xp 和一个数字输出信号 do_xp。输入信号di_xp使传感器开始检测，当传感器检测到塑料瓶后将吸盘真空置位，将输入信号传输到 Attacher（夹取）子组件，对塑料瓶进行吸取。当控制信号处在低电平时，即真空复位后 Logicgate NOT 组件将信号反馈给 Detacher 子组件松开塑料瓶。LogicSRLatch 子组件是用来接收真空反馈信号（do_xp）的，完成夹取与松开动作。在吸盘底端设有传感器，当传感器检测到塑料瓶时，吸盘打开真空吸取塑料瓶，同时夹爪抓紧。待机器人将塑料瓶抓取到存储仓后，吸盘真空关闭，夹爪松开产品。创建添加的Smart子组件 I/O 信号的连接与逻辑关系如表1所示。3分拣机器人运动仿真分析3.1分拣机器人运动路径规划利用RobotStudio的离线编程对机器人的运动王洋洋 等：基于RobotStudio的塑料瓶分拣机器人设计272023年1月机电技术机电技术表表1 1动态夹具逻辑关系动态夹具逻辑关系源对象吸盘LineSensor夹爪Logicgate NOTAttacherDetacherLogicSRLatchLogicSRLatch源信号di_xpSensorOutdi_xpOutputExecuteExecuteOutputOutput目标对象LineSensorAttacherLogicgate NOTDetacherLogicSRLatchLogicSRLatch吸盘夹爪目标信号ActiveExecuteInputsExecuteSetResetdoVacuumOKdoVacuumOK路径进行规划，提高分拣工作的速度11。为了使运动的路径最短，机器人采取直线运动的方式，这样可以大大减少工作运行的时间。为了使机器人与工作台不发生碰撞，在路径中加入了1个中间点，路径如图6所示。图图6 6工业机器人运动路径工业机器人运动路径为了保证分拣工作正常运行，防止机器人本体以及夹具与工作台碰撞，对机器人末端夹具进行监测。当两个监测对象发生碰撞时，系统会显示红色并显示碰撞部位的信息，机器人搬运过程中碰撞仿真监测如图7所示。实验表明，在搬运过程中未出现碰撞信息，所以选择的直线运动路径合理。（a）夹具与工作台碰撞图（b）夹具与传送带碰撞图图图7 7碰撞仿真监测图碰撞仿真监测图3.2分拣机器人TCP速度分析在机器人分拣作业过程中，TCP速度是影响每一个搬运周期节拍的关键16。实验设定了三种不同的 TCP 速度，分别为 1000 mm/s、2000 mm/s、3000 mm/s。利用 RobotStudio 中的信号分析器观察速度轨迹曲线，由于搬运动作是重复的，选取一个周期内轨迹进行分析，轨迹曲线如图8所示。0100020003000012345678910111213141516TCP速度为3000 mm/s时间t/sTCP速度为2000 mm/sTCP速度为1000 mm/s速度V/(mm/s)图图8 8分拣机器人速度轨迹曲线分拣机器人速度轨迹曲线由图8可以看出，TCP速度为3000 mm/s时完成一个周期的时间比 2000 mm/s 时快了 0.7 s，比1000 mm/s时快了1.2 s；但是速度越快，检测到的急剧变化的现象就越明显。分拣机器人使用合理的TCP速度可以保证机器人的正常运行，延长机器人的使用寿命。3.3分拣机器人作业能耗分析本文设定了1000 mm/s、2000 mm/s、3000 mm/s三种运行速度，记录完成一个周期分拣动作的能耗，能耗曲线如图9所示。TCP速度为3000 mm/sTCP速度为2000 mm/sTCP速度为1000 mm/s01000200030004000024681011121416时间t/s能量消耗/J图图9 9分拣机器人能耗曲线分拣机器人能耗曲线由图9可知，TCP速度越快，机器人的能耗就越大，当速度为3000 mm/s时消耗4361 J能量，当速度降到1000 mm/s时消耗2370 J能量，能耗减少了1991 J，时间只增加了1.2 s。3.4仿真结果分析通过上述分析，分拣作业时，各个关节均能100%抵达，未与周围环境发生碰撞。将机器人的最大速度设置为1000 mm/s可大大提高机器人的28第1期参考文献：1 鲍秀兰，张磊，王树才.家禽净膛机械手末端执行器的设计及运动学分析J.华中农业大学学报，2017，36（4）：117-124.2 权龙哲，赵琳，李星辉，等.多功能蜓爪式仿生末端执行器设计与实验J.农业机械学报，2017（8）：33-42，52.3 姚志英，吴梦委，姚滢滢.一种瓶装药品抓取末端执行器的研究J.制造业自动化，2019，41（2）：65-69.4 徐丽明，刘旭东，张凯良，等.脐橙采摘机器人末端执行器设计与实验J.农业工程学报，2018（12）：53-61.5 张炜，仲高艳，黎宁慧，等.穴盘苗移栽末端执行器设计与仿真分析J.农机化研究，2015（11）：125-129.6 高旭东，韩喜春，张正苏，等.智能果蔬分拣机器人系统设计J.交通科技与经济，2016，18（6）：61-64，74.7 程堂灿，张凤生，王敬.药房取药机器人结构设计与力学分析J.机电技术，2019（2）：2-68 李国利.工业机器人编程及应用技术M.北京：机械工业出版社，2021.9 肖全，鞠全勇.基于RobotStudio的机器人搬运工作站设计与路径仿真J.机电技术，2020（4）：33-36，58.10 CHEN H A，XI N.Automated Robot tool trajectory connection for spray forming process J.Journal of Manufacturning Science and Engineering，2012，134（2）：21017：1-021017：9.11 CONNOLLY C.Technology and applications of ABB robot studioJ.Industrial Robot：International Journal，2009，36（6）：540-545.工作寿命，而每个周期的工作时间只增加了一点。4结束语本文针对废旧塑料瓶抓取不便，分拣过程容易掉落的问题，设计了一种吸盘与L型对称夹爪相结合的夹持式机构。通过ADAMS软件分析，该末端执行器完全可以实现对各种尺寸塑料瓶的抓取并且不容易脱落。建立的分拣工