摘要：码垛机器人技术在解决劳动力不足、提高劳动生产效率、降低生产成本和工人劳动强度、改善生产环境等方面具有很大潜力。根据码垛机器人的现场作业要求，设计了四自由度的混联机器人，机器人能够实现抓手在三维空间的移动以及围绕机械臂末端的转动。运用SolidWorks及ADAMS对机器人进行了三维建模、运动轨迹规划和仿真分析，得到的曲线验证了数学推导的正确性。
关键词：码垛机器人；结构设计；运动学分析；ADAMS 仿真曲线
1 码垛机器人的结构设计
码垛机器人组成分为三部分，其中包括腰座旋转部分、并联部分以及尾端执行器部分，码垛机器人是一种4自由度的混联机器人。各部分主要功能是，腰座旋转部分主要控制机器人末端执行器在运行过程中的转动；机器人的机械臂主要受到并联部分的控制，在并联部分是由平行四杆机组合而成，控制末端执行器在空间位置的摆动；在机器人进行抓手操作时主要是受末端执行器的控制。在此次设计的机器人中抓手运动可以实现下列四种运动功能：环绕基座实现旋转运动，垂直上下移动、水平前后运动，抓手回转运动。在上述四个运动中有相对应的4个交流伺服电机进行动作的控制，由于交流伺服电机运行性能良好并且功率在输出过程中较大，控制的精确度较高，所能承受的力度较大等其它优点，所以在对机器人进行控制过程中达到精准控制。位于腰座旋转部分的伺服电机利用摆线减速器控制驱动腰座运动。位于末端执行器部分的伺服电机利用摆线减速器控制机器人的抓手作旋转运动。并联部分有水平关节电机和垂直关节电机驱动控制两种电机，主要是平行四杆机构成，这两个电机在连接过程中主要是采用同步带轮减速器分别与滚珠丝杠之间进行连接，在进行旋转运动时使用滚珠丝杠进行控制，进而驱动与滚珠丝杠相连的机器人前臂和后臂沿各自导轨作水平前后运动和垂直上下运动。
2 码垛机器人几何模型的建立
ANSYS WORKBENCH 与UG以及PRO/E建模功能相比下，前者不如后面两者更加的便捷直观，ANSYS WORKBENCH实现的主要功能是进行有限元分析，所以此次设计的码垛机器人通过三维建模软件UG进行每个零件部位的几何模型建立，在装配环境中把每个零件都组合到一起，进而组合而成码垛机器人的整体三维模型。如果对实体模型直接进行有限元分析将会出现非常多的问题，所以在进行分析之前就需要对实体进行系统地、有效地几何清理，这样可以迅速地、高质量地展现出有限元分析的网格划分。此外还受到机器人整体结构复杂、零件较多因素的影响，直接利用ANSYSWORKBENCH进行有限元分析，会产生较大的计算量，还会给计算精度造成影响。所以首先需要对模型进行简化处理之后，然后再将数据导入ANSYSWORKBENCH之中。在机械系统中进行模态分析的是已有频率以及主振型，分析中主要依据的是机械系统中的结构刚度特性和质量分布。结构中的螺栓孔、工艺孔和圆角等一些几何特点对于精度的影响作用较小，所以在进行模态分析时可以忽略不计，但是需要将盈配合或用螺栓联系在一起的两个零件组成一个完整的部件，另外简化各种配合、啮合及传动关系。简化后的几何模型，如图1所示。
图1 码垛机器人几何模型
图2 码垛机器人三维模型
机器人的运动轨迹规划及仿真分析运用SolidWorks 建立新型码垛机器人的三维模型(如图2所示)。将模型保存成( ★ .x_t) 格式，再导入 ADAMS中进行运动学分析。机器人的运动轨迹如图3所示，由起点A出发运动到点F，最后再回到点A。该运动轨迹通过以下STEP函数控制完成。
图3 机器人运动路径示意图
J1 轴 Motion( 抓 手 竖 直 运 动 —AB、EF 段 ) ∶st ep( t i m e，0，0，4，0) + s tep( ti m e，4，0，6，90d) +step( time，16，0，18， － 90d)J2 轴 Motion( 机 械 臂 旋 转 —CD段 )∶step ( time， 0， 0， 2， 50d ) + step ( time， 8，0， 10， － 50d) + step( time，12，0，14，50d)J3 轴 Motion( 抓 手 水 平 运 动 —BC、ED 段 ) ∶step( time，0，0，2，30d) + step( time，2，0，4，35d) +step( time，6，0，8，－ 35d) + step ( time，8，0，10 － 30d) +step( time，12，0，14，30d) + step( time，14，0，16，35d) +step(time，18，0，20，－ 35d)机器人的机架与地面锁定，底盘和机架之间添加回转副和回转转矩，在 J2 轴和 J3 轴分别添加驱动转矩，设定时间为 5s，setps=100，图4～6所显示的是末端执行器在进行坐标移动过程中的速度以及加速度的仿真曲线图。曲线显示的波动形态与实际情况最为符合，直接将机器人的各个关节的转矩情况显示出来，直接影响着下面的关节电机控制。
图4 末端执行器在 x、y、z 方向上的位移及合成仿真曲线
ADAMS/Post Processor针对机器人在运行过程中每个位置的移动、移动速度进行精确测量。当机器人运转到 2s期间，可得数据θ=20°，β=45°，θ1=90°，这时末端执行器部分的位移数据与进行仿真试验后的数据一致，数据分别显示是 x =－2430mm，y =3413mm，z = 2106mm，不仅证明了数学推导的正确性，而且还与实际更加符合，通过仿真试验所得的曲线变化较为稳定，反映了该码垛机器人的设计合理性。
图5 末端执行器在 x、y、z 方向上的速度及合成仿真曲线
图6 末端执行器在 x、y、z 方向上的加速度及合成仿真曲线
