袋装食品的抓起、放置及装箱过程十分简单但重复性很高，采用人工完成成本过高，且容易发生误装等操作失误，影响产品质量。随着社会的发展，人们对食品装箱效率要求不断提高，人工显然无法满足行业要求，因此自动装箱机器人应运而生。通常完成这项工作采用的是串联机器人，也就是在各个关节上安装驱动装置，但这样做的缺点是运动惯量较大，导致运动缓慢，影响装箱效率。在这种情况下，并联装箱机器人应运而生。与串联机器人不同的是，并联装箱机器人的驱动装置是安装于机架上，所以运动惯性较小，因此可以实现机械手臂的高速运动。目前，并联机器人往往被用到需要快速、精确完成任务的场合中，在食品袋抓取的应用中较为少见[1]。
1988年，Clavle[2]发明了Delta机器人，随后被用于包装分拣等行业。Nabat等[3]在此基础上发明了一种四自由度并联机器人，但由于具有极高的运动速度，因此在稳定性方面有所欠缺。在装箱作业中，孟维健等[4]设计了一种二自由度并联拾放机器人，仅用于平面内产品的拾放。为了解决小型袋装食品在非平面空间内装箱的问题，本研究拟设计一种四自由度并联机器人，与只有1条运动支链的串联机器人相比，它的机械结构相对封闭，静平台与末端的机械臂之间采用2条独立运动的支链相连接，因此，承载能力更强，自身重量更轻，并且运动速度和精度均有所提高。
1 四自由度并联机器人结构设计
此装箱机器人主要针对体积为55 mm×30 mm×6 mm、额定重量为60～100 g的小型无规则放置的袋装食品，目的是将其规则地装入食品箱中，按照不同的食品种类，有4排5列和4排6列2种不同的装箱要求。
1.1 四自由度并联机器人性能参数确定
此并联机器人有4个自由度，也就是说它可以在X轴、Y轴、Z轴方向移动，并且可以环绕Z轴进行转动；机器人定位精度要求误差不超过1 mm，最大加速度要求100 m/s2，最大速度要求5 m/s；同时机器人的工作区间范围要满足直径600 mm，高度160 mm。
1.2 并联拾放机器人机械结构
四自由度并联机器人原型选择Delta并联机构，它具有3个自由度，并且拥有3组完全相同的平行四边形支链结构[5]，同时，外传动驱动也使得动平台和静平台随时保持平行，这样保证了其可以在三维空间内高速运动。与此同时，该并联机器人的静平台还安装有1个驱动，可以保证机器手臂进行旋转。
接着采用Pro/E软件对装箱机器人进行建模[6]。按照上文描述的结构参数和结构原型，可以确定此并联机器人主要由以下几部分组成：动平台、静平台、3组机械臂、真空吸盘、可伸缩的转轴。其中机械臂均由主动部分和从动部分组成，且3组要求完全相同并且各自独立。主动部分与静平台上的旋转驱动电机连接，从动部分与动平台和主动部分连接，具体如图1所示。
1. 静平台 2. 步进电机 3. 万向节 4. 虎克铰 5. 末端吸盘 6. 动平台 7. 伸缩杆 8. 从动臂 9. 主动臂 10. 伺服电机
图1 并联拾放机器人结构示意图
Figure 1 A schematic diagram of the structure of a parallel pickup and discharge robot
装箱机器人在工作时，在控制器的指令下，伺服电机与步进电机同时进行弧形运动，接着伺服电机通过旋转驱动机构带动主动臂运动，同时驱动从动臂运动，使并联机器人完成在X轴、Y轴、Z轴3个方向上的平行运动；而步进电机则带动机械人末端的吸盘，从而实现机器人沿Z轴方向的旋转运动。
2 四自由度并联机器人动作轨迹规划
机器人在运动过程中的位置、运动距离、速度等指标合称为机器人的运动轨迹。考察机器人运动轨迹对衡量其运动精确度、稳定度、速度等有着重要的意义。因此，需要科学设计机器人的运动轨迹，以保证机器人快速准确地完成装箱工作。
2.1 直角坐标中的轨迹规划研究
在直角坐标中对装箱机器人的运动轨迹进行规划，就是设计其机械臂的运动位置、运动速度，并考察装箱机器人随时间的变化情况[7]，使得机械臂按照袋装食品装箱的要求进行准确合理的运动。
在直角坐标系中，袋装食品装箱机器人机械臂的移动路径是“上升—平移—下降”的过程，其运动轨迹共有3段，见图2。
图2 袋装食品装箱机器人移动路径
Figure 2 Mobile path of packing robot in bagged food
如图2所示，假设在机器人运动过程中轨迹为XOY平面，机器人需要在P点抓取食品袋，然后抬起60 mm到A点，再平移200 mm到B点，接着下降60 mm，将食品袋放置于食品箱Q点内。
结合路径规划，设T1为机械臂从P点运动到A点的时间，S1为这段运动的位移，在此设定S1=60 mm；设T2为机械臂从A点运动到B点的时间，S2为这段运动的位移，在此设定S2=200 mm；设T3为机械臂从B点运动到Q点的时间，S3为这段运动的位移，在此设定求S3=60 mm；
机器人机械臂沿PA、AB、BQ运动的运动轨迹都采用修正的梯形方式，总运行时间T按式(1)计算：
(1)
式中：
s——移动距离，m；
amax——最大加速度，m/s2。
结合1.1中关于最大加速度amax=100 m/s2的规定，根据式(1)可计算得到3个阶段各自的运行时间：T1=0.054 s，T2=0.099 s，T3=0.054 s。
2.2 基于Adams运动规划仿真验证
基于以上规划函数，采用Pro/E建立机器人的模型，并且采用Adams软件进行运动仿真，这样可以更加清晰地看到此并联装箱机器人的运动过程，同时可以计算出机械臂在运动过程中的运动参数，从而判断该机器人是否能够满足自动抓取、移动、放置等装箱要求，同时判断其运动的准确性和平稳性。机器人仿真分析流程图见图3。
图3 机器人运动仿真规划流程图
Figure 3 Flow chart of robot motion simulation planning
在Pro/E中建立袋装食品装箱机器人三维模型，并将结果导入到Adams/View软件中。在Adams/View软件中对机器人各个部件的材料、质量、体积等进行定义[8]，接着根据机器人各部件之间的运动关系确定约束条件。静平台与大地固定连接，且静平台和3个主动臂之间需要添加转动副；主动臂与从动支链间也需要添加转动副。添加完成后，机器人的仿真模型便完成。
接着对机器人进行运动轨迹的规划，由于前文已给出了机械臂运动过程中各个阶段的位移S1、S2、S3和运动时间T1、T2，T3，可以计算出机器人在整个运动流程中所需的总时间T=0.207 s，因此在设置仿真时间时填写0.207 s，运动步数为400。以上工作完成后，对机器人进行运动轨迹的仿真试验。
2.3 轨迹仿真结果分析
袋装食品装箱机器人的机械臂在X、Y、Z 3个方向上运动位移随时间变化曲线见图4，在X、Y 2个方向上运动速度随时间变化曲线见图5。
图4 机械臂位移随时间变化曲线
Figure 4 Time change curve of the displacement of the manipulator
图5 机械臂速度随时间变化曲线
Figure 5 The curve of the speed of the manipulator with time
从图4可以看到，机械臂行走的轨道为预先设定好的3段路径，并且运动的曲线平滑，运动稳定。从图5中可以看到，机械臂的运行速度完全按照预先设定的修正梯形模式在变化，并且在拐点处过度平滑，没有突兀变化。
从图4中还可以看出，机械臂沿X轴方向的最大速度为4.1 m/s，沿Y轴最大速度为2.3 m/s，与期初设定的最大允许速度5 m/s相比，均小于最大允许速度。也就是说，在设定和路径规划的情况下，袋装食品装箱机器人的机械臂在完整的运动过程中均表现良好，运行稳定、精确且几乎无振动，满足设计要求。
3 结语
设计的袋装食品自动装箱机器人结构合理，可以准确快速地完成抓取、移动与放置等工作，满足预期要求。相对于串联型机器人提高了其运动精度与速度，但该研究目前仅停留在样机阶段，接下来应进一步研究机电耦合特性对控制系统的影响，从而提高控制系统与机械系统的配合精度，完善四自由度并联机器人的操控性，以期得到大规模的生产应用。
参考文献
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[2] 倪鹤鹏, 刘亚男, 张承瑞, 等. 基于机器视觉的Delta机器人分拣系统算法[J]. 机器人, 2016, 38(1): 49-55.
[3] 高骏, 王攀峰. 一种新型4自由度高速并联机器人设计方法[J]. 机械设计, 2017(8): 6-12.
[4] 孟维健, 张艳伟, 程建豪, 等. 一种装箱作业并联机器人机构的运动性能[J]. 包装工程, 2017, 38(5): 72-77.
[5] 李渊, 余跃庆. 柔顺关节并联机器人动力学模型[J]. 农业机械学报, 2015, 46(7): 345-353.
[6] 盛连超, 李威, 刘玉飞, 等. 基于Pro/E和ADAMS的3-RRR并联平台运动学与动力学研究[J]. 组合机床与自动化加工技术, 2015(6): 5-7.
[7] 徐官南, 张中辉, 夏庆观. Delta并联机器人运动学分析[J]. 机械制造与自动化, 2015, 44(6): 160-162.
[8] 马志燕. 基于 Pro/E 骨架模型的工件抓取输送机构运动分析及优化[J]. 机械与电子, 2015(8): 10-13.
