本发明涉及生产线设备领域，特别是涉及一种混联机械手，以及一种机械手轨迹规划方法。
背景技术：
1、随着工业生产自动化程度的提高，以及流水线模式的普及，生产线的功能逐渐复杂化，串连包含的工序越来越多，工件在线上各工序之间转移时，各种搬运机械手发挥着重要作用。
2、随着制造行业对其生产线的生产效率和质量的要求更高，为满足高端装备零部件的高质量高效的加工，在二维平面内运动的机械手相对多轴机械手在搬运速度上具有明显优势，通过生产线的平行布置，在相邻两条线之间通过二维机械手进行物料搬运能够极大的提高生产效率。
3、目前，二维平面机械手包括串联式机械手和并联式机械手两种形式，但是，串联机械手存在重量大而且不灵活的问题，而且由于多个部件串联，各个部件的重量大大增加了安装端的负载，难以实现高速运动，上下料效率较低，同时也造成了串联机械手整体刚性较差，精度较低；而并联结构的机械手，虽然其刚度优势明显，但由于并联结构的特点，限制其末端执行机构的运动范围，容易与生产线上的金属模具等的产生干涉；另外，部分搬运机械手的运动顺序导致其存在不能高速化运送工件，限制生产线生产节拍提高的问题。
技术实现思路
1、针对目前二维平面机械手搬运速度较低、负载大的问题，本发明提供了一种能够高速运行且运动范围更大的混联机械手。
2、为解决上述问题，本发明采用的技术方案为，一种混联机械手，包括机架，机架上设置有伸缩摆动机构和两个第一直线驱动机构，两个第一直线驱动机构相互平行，伸缩摆动机构位于两个第一直线驱动机构之间，伸缩摆动机构与第一直线驱动机构之间设有连杆，连杆的一端与第一直线驱动机构的运动部铰接，连杆的另一端与伸缩摆动机构的摆动端铰接；伸缩摆动机构的摆动端安装有冗余运动链机构，冗余运动链机构末端安装有取料执行器。机械手同时采用串联和并联的运动机构，在机架安装端采用并联式驱动保证了承载能力，在安装取料执行器的运动端采用具有冗余自由度的串联式运动链，大大提高了取料执行器的运动范围；同时，通过整体的多个冗余自由度，能够为机械手的运行轨迹提供极大的优化空间，通过机械手整体的轨迹规划，优化各运动关节的负载以及搬运轨迹；本装置能够实现高速搬运，运动灵活性更高。
3、优选的，伸缩摆动机构包括第一滑套和第一滑动杆，第一滑动杆穿过第一滑套且能够沿第一滑套滑动，第一滑套转动安装在两个第一直线驱动机构之间，第一滑动杆的第一端设有连接座，两个连杆分别铰接在连接座的两侧，冗余运动链机构安装在连接座上。
4、优选的，伸缩摆动机构包括安装在机架上的导轨，导轨上滑动安装有滑块，滑块上铰接有第二滑动杆，连杆与第二滑动杆铰接，取料执行器安装在第二滑动杆上远离滑块的一端。伸缩摆动机构为机械手的机架安装端，通过两个直线驱动机构并联驱动中间的滑动杆摆动，同时，滑动杆自身能够沿自身长度方向滑动，使伸缩摆动机构具有一个冗余自由度，能够调节机架对滑动杆的支撑位置，能够根据负载优化运动轨迹，实现机械手整体高负载高速运行。
5、优选的，冗余运动链机构包括第一摆杆和第二摆杆，伸缩摆动机构的摆动端安装有第一驱动电机，第一摆杆安装在第一驱动电机的输出轴上，第二摆杆的一端安装有第二驱动电机，第二驱动电机的输出轴与第一摆杆远离伸缩摆动机构的一端连接，取料执行器安装在第二摆杆的另一端。
6、优选的，冗余运动链机构包括第一摆杆和第三滑动杆，伸缩摆动机构的摆动端安装有第一驱动电机，第一摆杆安装在第一驱动电机的输出轴上，第一摆杆或第三滑动杆上设置有第二直线驱动机构，第二直线驱动机构能够驱动第三滑动杆沿第一摆杆移动，取料执行器安装在第三滑动杆远离第一摆杆的一端。冗余运动链机构为混联机械手的串联部分，提供多连杆和伸缩摆动式两种结构，可灵活选择使用，通过串联机构得到更大的灵活运动范围，同时具有多个冗余自由度，便于轨迹规划、优化负载。
7、优选的，取料执行器通过第三驱动电机安装在冗余运动链机构上，第三驱动电机的输出轴垂直于冗余运动链机构的运动平面。在取料执行器处增加一个转动自由度，使机械手整体更加灵活，同时能够保持抓取平面位置，避免机械手运动规划时抓取平面的影响。
8、优选的，取料执行器包括多个吸盘取料器，多个吸盘取料器成阵列分布。适用于冲压线，便于抓取板材。
9、另一方面，本发明还提供一种机械手的轨迹规划方法，包括以下步骤：
10、s1.根据生产线布置确定取料执行器运动路径上多个关键点的坐标，设定每个关键点处的冗余运动链机构末端杆体与水平面夹角，并进行初步的时间分配；
11、s2. 运动学逆解，确定关键点坐标和小臂与水平面夹角与各驱动关节运动量之间的解析关系；
12、s3. 采用粒子群优化算法，以各关节平均速度之和最小为优化目标，优化出每个关键点对应的冗余运动链机构中选定目标运动副的移动量，通过运动学逆解，即可获得每个关节的多组离散时间、位置数据点，离散时间与位置数据点的组数与关键点数量相同；
13、s4. 进行关节空间拟合，通过每个关节的多组离散时间与位置数据点，设置各个关键点的速度、加速度，用五次多项式拟合出各关节的运动路径，即可得到各关节的位移、速度、加速度运动规律；
14、s5. 以总时间最小为优化目标，以各个关键点之间的时间增量和各个待优化的系数为输入变量，以各关节位移、速度、加速度作为约束条件，采用粒子群优化算法，整体优化出一组最优的输入参数作为混联机械手的轨迹。
15、其中，步骤s1中，关键点至少为17个；
16、步骤s2包括：
17、s2-1.以伸缩摆动机构的起始位置建立静坐标系o-xyz，记作a系，在冗余运动链机构末端建立动坐标系o1-x1y1z1，记作b系；设冗余运动链机构末端在a系中的坐标为(x,y)，伸缩摆动机构与冗余运动链机构之间的关节点为f2；
18、s2-2.进行坐标变换，变换公式为：
19、
20、式中：为点f2在a系中的位置矢量，为从a系到b系的旋转矩阵，为点f2在b系中的位置矢量，为点g2在a系中的位置矢量；
21、得到的坐标和冗余运动链机构中间关节的运动量r3；
22、s2-3.在点f2处建立与伸缩摆动机构的摆动部固定的坐标系，记作c系，重复步骤s2-1和s2-2得到连杆与伸缩摆动机构的摆动端之间的铰接点的坐标；
23、s2-4.根据闭环矢量法求出两个第一直线驱动机构的运动量d1和d2。
24、步骤s3中，选定移动副为目标运动副，设移动量为d4；
25、以各个关键点对应的运动量d4为优化目标，以平均速度最小为目标函数，即可按照粒子群的优化流程得到各个关键点对应的最优d4，其中目标函数为：
26、
27、式中：为第k个关键点的目标函数，和分别为第k个关键点对应两个第一直线驱动机构的运动量，为第k个关键点对应d4的具体值，为第k个关键点对应的冗余运动链机构中转动副的运动量，为第k个关键点对应的时刻，为移动关节的最大线速度，为转动关节的最大角速度。
28、步骤s4中，使用五次多项式插值，分别将各关节的17组离散数据点拟合成连续曲线：
29、给定17个关键点序列（ti，pi），利用分段五次多项式插值，使得分段多项式经过所有关键点序列，其中，ti单调递增，i=0,1,2,3，…，16；
30、起点处一阶导数为：
31、
32、终点处一阶导数为：
33、
34、中间点处一阶导数为：
35、
36、其中，
37、
38、起点处二阶导数为：
39、
40、终点处二阶导数为：
41、
42、中间点处二阶导数为：
43、
44、其中，
45、
46、设五次多项式为：
47、
48、一阶导数为：
49、
50、二阶导数为：
51、
52、对于每一段五次多项式，利用端点处约束：
53、
54、
55、其中，
56、
57、
58、得到各关节的位移、速度、加速度的运动曲线。
59、步骤s5中粒子群算法的输入条件为：
60、输入变量为：16个时间增量，和点2、点3、点7、点8、点10、点11、点15、点16的坐标系数；点4、点6、点12、点14的速度、加速度系数；
61、约束条件为：关节位移、速度、加速度的设定极值；
62、目标函数为：总时间t17最小；
63、求出多组满足24节拍的输入变量，选出一组最优的用于仿真验证和控制。
64、通过以上技术方案可以看出，本发明的优点为：机械手采用并联和串联机构结合的形式，在安装端采用并联驱动保证承载力和刚度的同时，利用串联机构大大提高了运动范围，串联机构和并联机构具有多种结构和组合方式，能够通过上料需求灵活选用，而且机械手整体具有多个冗余自由度，能够实现更复杂、灵活的运动，同时能够对机械手的运动进行优化与规划，优化各运动关节的负载，实现更加高速、灵活的搬运；同时，本发明提供的轨迹规划方法通过精密运算，能够得到机械手各关节最佳的运动轨迹，大大提高机械手的运行速度，进而提高了线上搬运效率。