本發(fā)明涉及一種機(jī)器人，具體說是一種可用于鈑金自動(dòng)折彎的機(jī)器人，主要涉及滿足鈑金折彎要求的機(jī)器人桿長(zhǎng)配比關(guān)系。

背景技術(shù)：

隨著鈑金自動(dòng)化行業(yè)的迅速發(fā)展，鈑金自動(dòng)折彎逐漸代替過去的手工扶持操作，從而大大提高了生產(chǎn)效率，并進(jìn)一步保障了生產(chǎn)人員的人身安全。

目前，應(yīng)用最多的是采用6關(guān)節(jié)通用工業(yè)機(jī)器人配合折彎?rùn)C(jī)進(jìn)行聯(lián)合跟隨折彎，隨著鈑金尺寸的擴(kuò)大化（200mm×200mm→2500mm×1250mm），通用工業(yè)機(jī)器人越來越難以兼顧鈑金折彎領(lǐng)域，特別是機(jī)器人各軸桿長(zhǎng)參數(shù)配比不夠合理，導(dǎo)致通用工業(yè)機(jī)器人在折彎應(yīng)用中出現(xiàn)了諸多弊端，如墊高折彎?rùn)C(jī)、挖地坑、鈑金和機(jī)器人本體干涉區(qū)域大等，不得不對(duì)客戶的車間進(jìn)行一定量的改造,使項(xiàng)目總體成本增加較多；此外，還有一種折彎輔助設(shè)備采用的是橫梁式結(jié)構(gòu)，工廠中使用的也較多，但是該設(shè)備占用空間體積大，拆遷不便。

鑒于通用工業(yè)機(jī)器人在折彎應(yīng)用中的諸多弊端，只有尋求一種有效規(guī)避自動(dòng)折彎時(shí)鈑金與機(jī)器人本體干涉的桿長(zhǎng)配比方法，才能夠在滿足客戶使用需求的同時(shí)，不對(duì)客戶車間進(jìn)行改造或改造量較小，又能降低項(xiàng)目總成本。

一般情況下，6關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人包括底座、轉(zhuǎn)座、大臂、小臂部件和手腕部件等基本組成部分，各部分的結(jié)構(gòu)尺寸共同構(gòu)成了機(jī)器人的關(guān)節(jié)桿長(zhǎng)。

在鈑金折彎應(yīng)用中，通用6關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人最大的弊端是各軸桿長(zhǎng)配比不夠合理，其小臂部件桿長(zhǎng)與手腕部件桿長(zhǎng)之和與大臂桿長(zhǎng)之比通常介于1～1.3之間。

以一款50kg負(fù)載通用工業(yè)機(jī)器人折彎2500mm×1250mm×2mm的大尺寸鈑金為例，簡(jiǎn)述該桿長(zhǎng)配比在自動(dòng)化折彎應(yīng)用中的兩種常見弊端：

機(jī)器人各軸桿長(zhǎng)參數(shù)如圖1所示，其中小臂部件8桿長(zhǎng)與手腕部件9桿長(zhǎng)之和（有效桿長(zhǎng)11）與大臂7桿長(zhǎng)之比為977.4/850≈1.15。在折彎大尺寸鈑金（2500mm×1250mm×2mm）2時(shí)，如果機(jī)器人1和折彎?rùn)C(jī)3都采用地面固定，那么，大尺寸鈑金（2500mm×1250mm×2mm）將很難避免與機(jī)器人本體發(fā)生干涉，如圖2所示，圖中標(biāo)注12為干涉區(qū)域。因此，現(xiàn)實(shí)工作中應(yīng)用最多的一種方案是在機(jī)器人下面挖地坑，將機(jī)器人底座5設(shè)置于地坑底部，以降低機(jī)器人高度的方式來適應(yīng)折彎?rùn)C(jī)，如圖3所示。該方案的弊端是：①對(duì)客戶車間改造工程量較大，提高了項(xiàng)目成本；②鈑金成品件碼垛高度大大降低，托盤周轉(zhuǎn)次數(shù)額外增多。另一種常用的方案是墊高折彎?rùn)C(jī)，在折彎?rùn)C(jī)下面設(shè)置支座4，以增高折彎?rùn)C(jī)高度的方式來適應(yīng)機(jī)器人，如圖4所示。該方案的弊端是：①增加了折彎?rùn)C(jī)（3）的安裝調(diào)整工作量，提高了項(xiàng)目成本；②增高了折彎?rùn)C(jī)（3）的下模刀口高度，不便于人工扶持折彎。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于，克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提出了一種用于自動(dòng)折彎時(shí)鈑金與機(jī)體互不干涉的機(jī)器人，通過合理設(shè)計(jì)其各軸桿長(zhǎng)配比關(guān)系，達(dá)到用于大尺寸鈑金折彎時(shí)鈑金與機(jī)體不發(fā)生碰撞干涉目的。

本發(fā)明的基本思路：為了規(guī)避通用工業(yè)機(jī)器人在折彎應(yīng)用中的諸多弊端，需要發(fā)明一種機(jī)器人各軸桿長(zhǎng)配比的方法，其中小臂部件桿長(zhǎng)與手腕部件桿長(zhǎng)之和與大臂桿長(zhǎng)之比需要重點(diǎn)考慮。各軸桿長(zhǎng)代號(hào)設(shè)置如圖5所示，小臂部件8桿長(zhǎng)與手腕部件9桿長(zhǎng)之和設(shè)為x，大臂7桿長(zhǎng)設(shè)為y，轉(zhuǎn)座6的j2軸距離j1軸的距離設(shè)為z，轉(zhuǎn)座6的j2軸距離地平面的距離設(shè)置為h。

桿長(zhǎng)配比原則：1、本體結(jié)構(gòu)（幾何）不干涉；2、在折彎應(yīng)用空間中，避免機(jī)器人雅克比矩陣的奇異性，即主要避免空間邊界和空間內(nèi)部的2類奇異位形，同時(shí)追求雅克比矩陣條件數(shù)的最小化。

通過進(jìn)一步分析，需要在折彎工序起始點(diǎn)避免本體干涉，通過圖解法構(gòu)建幾何模型。折彎工序起始姿態(tài)如圖6所示：

op為板料對(duì)角線長(zhǎng)度的1/2，gw為小臂長(zhǎng)度，對(duì)應(yīng)約束需為：

i.quote；

ii.對(duì)應(yīng)折彎起始姿態(tài)下，g的高度位置應(yīng)低于op，即quote（折彎?rùn)C(jī)未墊高時(shí)，下模刀口與地面之間的距離一般介于900～1000mm之間，取平均值950mm），且此時(shí)j2軸對(duì)應(yīng)角度不應(yīng)貼近負(fù)向限位。c2表示cos(theata2)，s2表示sin(theata2)，theata2為j2軸角度。

對(duì)于空間邊界和內(nèi)部奇異位形，分別采用雅克比矩陣約束和關(guān)節(jié)軸線共線位置排除法避免。結(jié)合圖5，折彎結(jié)束位姿應(yīng)滿足以下約束：

i.det[j(θ)]=quote，且雅克比矩陣條件數(shù)應(yīng)盡量??；

ii.quote，該約束確保折彎結(jié)束姿態(tài)j6軸和j4軸不共線。

綜上所述，通過模擬分析和迭代計(jì)算，在折彎跟隨過程中，機(jī)器人各軸桿長(zhǎng)的配比關(guān)系如下：

ⅰ、當(dāng)小臂部件桿長(zhǎng)與手腕部件桿長(zhǎng)之和與大臂桿長(zhǎng)之比x/y≈2～3時(shí)，可以較好的避免大尺寸鈑金（2500mm×1250mm×2mm）（2）與機(jī)器人本體發(fā)生干涉；

ⅱ、轉(zhuǎn)座j2軸距離地面的距離h由折彎?rùn)C(jī)下模刀口的高度（950mm）決定，當(dāng)兩者距離差保持在500～600mm時(shí)，可以確保折彎跟隨過程中機(jī)器人不經(jīng)過奇異點(diǎn)；

ⅲ、轉(zhuǎn)座j2軸距離j1軸的距離z由機(jī)器人臂展決定，而機(jī)器人臂展又取決于機(jī)器人設(shè)定的所折鈑金的最大邊長(zhǎng)尺寸（對(duì)于2500mm×1250mm×2mm的鈑金而言，機(jī)器人臂展≈2500mm）。

綜上，用于自動(dòng)折彎時(shí)，如實(shí)現(xiàn)鈑金與機(jī)體互不干涉，則機(jī)器人各軸桿長(zhǎng)配比關(guān)系應(yīng)滿足下列條件：

x/y=2～3；

折彎?rùn)C(jī)下模刀口高度-h=500～600mm；

z=機(jī)器人臂展（或設(shè)定的鈑金最大邊長(zhǎng)）－x－y。

機(jī)器人各軸桿長(zhǎng)只有在滿足上述配比關(guān)系的情況下才能較好的適應(yīng)折彎?rùn)C(jī)，才能有效規(guī)避通用工業(yè)機(jī)器人在折彎應(yīng)用中的諸多弊端。

本發(fā)明用于自動(dòng)折彎時(shí)鈑金與機(jī)體互不干涉的機(jī)器人，為6關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人，包括底座、轉(zhuǎn)座、大臂、小臂部件和手腕部件；其特征是：

小臂部件桿長(zhǎng)與手腕部件桿長(zhǎng)之和x/大臂桿長(zhǎng)y=2～3；

折彎?rùn)C(jī)下模刀口高度-轉(zhuǎn)座j2軸距離地面的距離h=500～600mm；

轉(zhuǎn)座j2軸距離j1軸的距離z=機(jī)器人臂展/設(shè)定的鈑金最大邊長(zhǎng)－小臂部件桿長(zhǎng)與手腕部件桿長(zhǎng)之和x－大臂桿長(zhǎng)y。

為了保證在j2軸負(fù)向運(yùn)動(dòng)時(shí)小臂部件和j3軸電機(jī)不與j1軸電機(jī)發(fā)生干涉，將j4軸與j1軸采用偏置布置（j4軸軸線與j1軸軸線不共面），偏置距根據(jù)結(jié)構(gòu)空間限制（外購伺服電機(jī)、減速機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸等）而定，同時(shí)將j3軸電機(jī)設(shè)置在大臂外側(cè)。

相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)方案，本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)和有益效果如下：

本發(fā)明通過合理的桿長(zhǎng)配比關(guān)系，用于大尺寸鈑金折彎，鈑金和機(jī)體不會(huì)相互干渉，規(guī)避了通用工業(yè)機(jī)器人在折彎應(yīng)用中的諸多弊端，如墊高折彎?rùn)C(jī)、挖地坑、鈑金和機(jī)器人本體干涉區(qū)域大等，不需要對(duì)客戶車間結(jié)構(gòu)進(jìn)行大量改造，減小了折彎?rùn)C(jī)在安裝過程中的較平調(diào)整難度，降低了總項(xiàng)目成本。

附圖說明

圖1是現(xiàn)有機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是現(xiàn)有機(jī)器人在大尺寸鈑金折彎時(shí)，鈑金與機(jī)體相互干渉示意圖。

圖3是現(xiàn)有機(jī)器人為滿足大尺寸鈑金折彎而采用的地坑安裝方式示意圖。

圖4是現(xiàn)有機(jī)器人為滿足大尺寸鈑金折彎而采用的墊高折彎?rùn)C(jī)安裝方式示意圖。

圖5是本發(fā)明用于自動(dòng)折彎時(shí)鈑金與機(jī)體互不干涉的機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

圖6是本發(fā)明用于自動(dòng)折彎時(shí)鈑金與機(jī)體互不干涉的機(jī)器人折彎工序起始姿態(tài)圖。

圖7是本發(fā)明用于自動(dòng)折彎時(shí)鈑金與機(jī)體互不干涉的機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖。

圖8是圖7的俯視圖。

圖9是本發(fā)明用于自動(dòng)折彎時(shí)鈑金與機(jī)體互不干涉的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)空間示意圖。

圖10是圖9俯視圖。

圖11是本發(fā)明用于自動(dòng)折彎時(shí)鈑金與機(jī)體互不干涉的機(jī)器人用于大尺寸鈑金折彎工作狀態(tài)示意圖（折彎起始位）。

圖12是本發(fā)明用于自動(dòng)折彎時(shí)鈑金與機(jī)體互不干涉的機(jī)器人用于大尺寸鈑金折彎工作狀態(tài)示意圖（折彎過程中）。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

6關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人包括底座5、轉(zhuǎn)座6、大臂7、小臂部件8和手腕部件9等基本組成部分，各部分的結(jié)構(gòu)尺寸共同構(gòu)成了機(jī)器人的關(guān)節(jié)桿長(zhǎng)。各軸桿長(zhǎng)代號(hào)設(shè)置如圖5所示，小臂部件8桿長(zhǎng)與手腕部件9桿長(zhǎng)之和設(shè)為x，大臂7桿長(zhǎng)設(shè)為y，轉(zhuǎn)座6的j2軸距離j1軸的距離設(shè)置為z，轉(zhuǎn)座6的j2軸距離地平面的距離設(shè)置為h。

為了實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的，本發(fā)明用于自動(dòng)折彎時(shí)鈑金與機(jī)體互不干涉的機(jī)器人，各軸桿長(zhǎng)配比關(guān)系如下：

小臂部件桿長(zhǎng)與手腕部件桿長(zhǎng)之和x/大臂桿長(zhǎng)y=2～3；

折彎?rùn)C(jī)下模刀口高度-轉(zhuǎn)座j2軸距離地面的距離h=500～600mm；

轉(zhuǎn)座j2軸距離j1軸的距離z=機(jī)器人臂展/設(shè)定鈑金最大邊長(zhǎng)－小臂部件桿長(zhǎng)與手腕部件桿長(zhǎng)之和x－大臂桿長(zhǎng)y。

對(duì)于2500mm×1250mm×2mm的大尺寸鈑金，當(dāng)x=1455mm、y=610mm、z=500mm、h=356mm時(shí)，可以較好的滿足實(shí)際使用。

此外，為了保證在j2軸負(fù)向運(yùn)動(dòng)時(shí)小臂部件8和j3軸電機(jī)11不與j1軸電機(jī)發(fā)生干涉，需要將j4軸與j1軸采用偏置布置，偏置距根據(jù)結(jié)構(gòu)空間限制（外購伺服電機(jī)、減速機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸等）而定，同時(shí)將j3軸電機(jī)設(shè)置在大臂外側(cè)（j1軸所在側(cè)為內(nèi)側(cè)），最終各軸桿長(zhǎng)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)空間分別如圖7、圖8、圖9和圖10所示，其中j4軸與j1軸偏置距為70mm。