1.概述
本文旨在说明一种用于工业流水线上灌装机器人设计方案，并通过仿真手段对机器人的工作过程进行了分析验证。该机器人采用双连杆机构，三臂并联形式，能够在传送带运动过程中，自动完成对准、下探以及灌装操作，能够有效缩减产线的生产节拍耗时，提高作业效率。
2.机构设计
该机器人机构设计如下图所示，通过法兰盘固定安装在工位吊顶上无需移动。通过3个水平面上互为120度的摆臂连杆连杆机构可实现灌装平台的任意姿态，在实际工作过程中，考虑到装药的流体属性受重力影响等因素，令灌装平台始终保持水平。
灌装平台等效力作用点如下图所示。
灌装机器人的各部件尺寸及质量如下表所示。
主要部件尺寸及惯量
部件 | 长度 [mm] | 质量 [kg] |
摆臂 | 161.9 | 1.942 |
单个连杆 | 315 | 0.36 |
万向节 | - | 0.103 |
灌装平台 | - | 0.497 |
3.伺服系统设计
参数 | 数值 |
最大扭矩 | 10 Nm |
最大功率 | 15 W |
最高转速 | 20 rpm |
系统效率 | 85% |
力矩环电流控制采用矢量控制算法（FOC），首先对反馈电流进行坐标变换，使电流表示在旋转坐标系下。通过预标定好的电机控制MAP，根据实际工况所需力矩查找对应的直轴和交轴电流，结合实际电流采样值通过PID进行控制。计算得出的所需电压矢量，通过空间矢量调制技术（SVPWM）调制成逆变器所需的PWM波形。
4.控制系统设计
固定法兰盘的中心（Ox，Oy，Oz）为参考点，（X，Y，Z）为目标位置，灌装平台的质心（Gx，Gy，Gz）为当前实际位置，通过伺服电机分别控制三个万向节（Px1/2/3，Py1/2/3，Pz1/2/3）位置，实现保持灌装平台水平姿态，并且向目标位置移动的过程。位置关系如下图所示。
由上图可推算出尺寸，当目标移动位置为(X,Y,Z)时，三个万向节距法兰盘重点的距离分别为：
5.工作过程分析
机器人按照指令，依次完成四个容器的灌装。过程仿真如下图所示。
令Y方向上的运动为正弦曲线，以此来模拟传送带的运动过程。在X方向上机器人的运动位置按照容器并排排列顺序分为3档并不断往复循环。Z方向上，在开始工作的前1 s内，机器人首先从静置位置下探，下探到待机位置准备灌装，在X/Y/Z三个方向的配合移动下，机器人对容器1至4以此完成灌装操作。下图的控制与响应曲线对比反映出该控制系统能够满足灌装位置精度的要求，并且系统响应迅速，无较大超调。
灌装机器人工作过程的位置指令与响应
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作者：高琢
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