碼垛機器人結構介紹及其三維模型建立分析

陶喜冰，朱業金

（青島科捷機器人有限公司，山東 青島 266100）

1 碼垛機器人的結構設計

碼垛機器人組成分為三部分，其中包括腰座旋轉部分、并聯部分以及尾端執行器部分，碼垛機器人是一種4自由度的混聯機器人。各部分主要功能是，腰座旋轉部分主要控制機器人末端執行器在運行過程中的轉動；機器人的機械臂主要受到并聯部分的控制，在并聯部分是由平行四桿機組合而成，控制末端執行器在空間位置的擺動；在機器人進行抓手操作時主要是受末端執行器的控制。在此次設計的機器人中抓手運動可以實現下列四種運動功能：環繞基座實現旋轉運動，垂直上下移動、水平前后運動，抓手回轉運動。在上述四個運動中有相對應的4個交流伺服電機進行動作的控制，由于交流伺服電機運行性能良好并且功率在輸出過程中較大，控制的精確度較高，所能承受的力度較大等其它優點，所以在對機器人進行控制過程中達到精準控制。位于腰座旋轉部分的伺服電機利用擺線減速器控制驅動腰座運動。位于末端執行器部分的伺服電機利用擺線減速器控制機器人的抓手作旋轉運動。并聯部分有水平關節電機和垂直關節電機驅動控制兩種電機，主要是平行四桿機構成，這兩個電機在連接過程中主要是采用同步帶輪減速器分別與滾珠絲杠之間進行連接，在進行旋轉運動時使用滾珠絲杠進行控制，進而驅動與滾珠絲杠相連的機器人前臂和后臂沿各自導軌作水平前后運動和垂直上下運動。

2 碼垛機器人幾何模型的建立

ANSYS WORKBENCH 與UG以及PRO/E建模功能相比下，前者不如后面兩者更加的便捷直觀，ANSYS WORKBENCH實現的主要功能是進行有限元分析，所以此次設計的碼垛機器人通過三維建模軟件UG進行每個零件部位的幾何模型建立，在裝配環境中把每個零件都組合到一起，進而組合而成碼垛機器人的整體三維模型。如果對實體模型直接進行有限元分析將會出現非常多的問題，所以在進行分析之前就需要對實體進行系統地、有效地幾何清理，這樣可以迅速地、高質量地展現出有限元分析的網格劃分。此外還受到機器人整體結構復雜、零件較多因素的影響，直接利用ANSYSWORKBENCH進行有限元分析，會產生較大的計算量，還會給計算精度造成影響。所以首先需要對模型進行簡化處理之后，然后再將數據導入ANSYSWORKBENCH之中。在機械系統中進行模態分析的是已有頻率以及主振型，分析中主要依據的是機械系統中的結構剛度特性和質量分布。結構中的螺栓孔、工藝孔和圓角等一些幾何特點對于精度的影響作用較小，所以在進行模態分析時可以忽略不計，但是需要將盈配合或用螺栓聯系在一起的兩個零件組成一個完整的部件，另外簡化各種配合、嚙合及傳動關系。簡化后的幾何模型，如圖1所示。

圖1 碼垛機器人幾何模型

圖2 碼垛機器人三維模型

機器人的運動軌跡規劃及仿真分析運用SolidWorks 建立新型碼垛機器人的三維模型(如圖2所示)。將模型保存成( ★ .x_t) 格式，再導入 ADAMS中進行運動學分析。機器人的運動軌跡如圖3所示，由起點A出發運動到點F，最后再回到點A。該運動軌跡通過以下STEP函數控制完成。

圖3 機器人運動路徑示意圖

J1 軸 Motion( 抓 手 豎 直 運 動 —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 軸 Motion( 機 械 臂 旋 轉 —CD段 )∶step ( time， 0， 0， 2， 50d ) + step ( time， 8，0， 10， － 50d) + step( time，12，0，14，50d)J3 軸 Motion( 抓 手 水 平 運 動 —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)機器人的機架與地面鎖定，底盤和機架之間添加回轉副和回轉轉矩，在 J2 軸和 J3 軸分別添加驅動轉矩，設定時間為 5s，setps=100，圖4～6所顯示的是末端執行器在進行坐標移動過程中的速度以及加速度的仿真曲線圖。曲線顯示的波動形態與實際情況最為符合，直接將機器人的各個關節的轉矩情況顯示出來，直接影響著下面的關節電機控制。

圖4 末端執行器在 x、y、z 方向上的位移及合成仿真曲線

ADAMS/Post Processor針對機器人在運行過程中每個位置的移動、移動速度進行精確測量。當機器人運轉到 2s期間，可得數據θ=20°，β=45°，θ1=90°，這時末端執行器部分的位移數據與進行仿真試驗后的數據一致，數據分別顯示是 x =－2430mm，y =3413mm，z = 2106mm，不僅證明了數學推導的正確性，而且還與實際更加符合，通過仿真試驗所得的曲線變化較為穩定，反映了該碼垛機器人的設計合理性。

圖5 末端執行器在 x、y、z 方向上的速度及合成仿真曲線

圖6 末端執行器在 x、y、z 方向上的加速度及合成仿真曲線