一种搬运机器人夹持机构设计与抗倾覆性分析

张奇梁 ，孙江宏 ，2，杜宏辰 ，张 楠

（1.北京信息科技大学 机电工程学院，北京 100192；2.清华大学 机械电子工程研究所，北京 100084）

1 引言

随着现代信息技术和自动化技术的高速发展以及环保意识的增强，垃圾的快速处理和自动收集得到越来越多关注。我国现有垃圾收集模式是“垃圾桶—环卫人员手推车—垃圾收集点—垃圾中转站—垃圾处理场[1]”，存在着劳动强度大、效率低等弊端。用人工来完成垃圾桶的搬运码垛处理已远不能满足发展需要，自动化操作手段已成为必然趋势[2]。

搬运码垛机器人广泛应用于现代自动化生产和物流管理中[3-5]。按结构特点分为：直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型、关节型等[6]。但大多用于流水线作业的固定工位。基于垃圾处理环境、自由度、结构刚度、制造成本等方面考虑，设计了十字坐标型单立柱轻型搬运机器人。它是由直角坐标型机器人衍生而来，实现搬运机器人机械臂在竖直和水平方向的托举和夹持功能，工作载重在（10～25）kg范围内，并通过底盘车体移动完成转向和搬运等工作。基于机器人的搬运特性，建立和分析了夹持机构动力学模型，并针对搬运物体时其倾覆稳定性的重要性，研究了夹持机构工作时机器人整体抗倾覆性模型，并在此基础上，设计了夹持机构的控制策略。

现有文献中，关于机器人动态倾覆稳定性的判别方法主要有压力中心法（center of pressuermethod，COP）[7]、有效质量中心方法（effeetive mass cenetr，EMC）[8]、倾倒稳定边界法（tumble stability margin，TSM）[9]、力-角稳定性度量法（foree-angle stability measure，FASM）[10]等。借鉴力-角稳定性度量法，提出了基于扭矩输入和角度、角速度输出的PID控制模型，对机器人的搬运倾覆稳定性进行了分析。……