高精度四軸自動搬運機器人實驗平臺的設計與分析

陳修龍， 李勁文， 盛永超

（山東科技大學機械電子工程學院，山東青島266590）

0 引 言

目前，工業機器人廣泛應用于工業生產制造及物流等行業中，尤其是搬運機器人以其智能化、高效率及和諧的人機交互［1］等特點，在自動化搬運作業中受到了極大的歡迎，能極大地提高勞動生產效率，使企業在市場競爭中具有更大的優勢和競爭潛力。

美國AMF公司研發出一款名叫Versatran的應用于工業生產的機器人，其機械手結構在工作過程中可以完成腰部的圓周整轉動作，在豎直方位上的升降動作，以及工作空間范圍內的伸縮運動［2］。日本安川公司研發的名為MPL160的堆疊機器人末端執行器的負載能力高達160 kg［3］，其末端重復定位精確度可達到±0.5 mm。德國KUKA公司對機器人的開環式結構框架脫離了有線控制，使機器人操作更加方便、更加智能化，并將三維空間物體辨別系統應用到了機器人視覺領域［4-5］。而在國內工業機器人的研究中，王琪等［6］利用Adams對搬運機器人的桿長進行參數化設計，從而實現搬運機器人機構的優化設計。楊國軍等［7］提出了一種以模糊原理為基礎的遺傳算法，并基于此遺傳算法提出了機械手末端軌跡規劃的時間最優設計方案。白晶等［8］設計了能夠應用于4自由度碼垛搬運機器人的模糊PID控制算法，有效地改善了多軸機器人控制器的控制精度。王占軍等［9］利用Ansys中模態分析板塊，對碼垛機器人的三維模型進行模態和振型分析，找出機器人在工作時的脆弱環節，為優化構型提供理論基礎。

本文設計了一種有效載荷15 kg的四軸4自由度自動搬運機器人平臺，能夠高速、高精度地完成任務。首先對整體機構進行結構設計，通過利用Solidworks對機器人進行三維建模，然后將三維模型導入Adams中進行運動仿真，得到各驅動桿件和末端旋轉臺的工作轉矩和運動學特性，根據工作轉矩對電機類型進行選擇。運用Ansys有限元仿真對機器人關鍵桿件和脆弱部位進行剛度和強度校核，保證整個機構在額定工作狀態下運行的可靠性和穩定性。

1 機器人平臺3D模型的建立

高精度四軸自動搬運機器人由底座、旋轉臺、末端執行器和3個主桿以及3個連接桿組成。初定搬運機器人的主要技術參數如下：搬運次數12次／min，最大行程1 800 mm，本體質量160 kg，有效載荷15 kg，底座限位范圍±360°，J1 限位范圍＋105°，－50°，J2 限位范圍＋105°，－25°，J3 限位范圍±168°，定位精度1 mm。由此可確定各運動桿件及連桿的旋轉中心距：主桿1為625 mm，主桿2為620 mm，連桿1為610 mm，連桿2為260 mm。

設計建立的機構三維模型如圖1所示。

圖1 高精度四軸自動搬運機器人三維模型

2 機器人平臺驅動裝置選型

電動機作為一個運動機構中非常重要的組成部分，它的選型要綜合考慮各方面的要求，以此來保證機構能夠發揮出電動機的所有工作性能［10］。電動機的選型原則主要包含下列幾個方面：①機構運行時，其連續工作轉矩需小于電動機的額定扭矩；②瞬時最大轉矩要小于電動機的最大扭矩；③運動件的連續工作速度小于電動機的額定轉速；④負載慣量要與轉子慣量在數值上相匹配［11］。

將機構模型導入Adams中進行正解仿真分析，給定一個門型工作軌跡，通過仿真，得到4個驅動轉動副的轉矩變化如圖2～4所示。

圖2 旋轉臺轉矩變化圖

圖3 主桿1轉矩變化圖

圖4 主桿2轉矩變化圖

圖5 末端轉矩變化圖

由機構工況可知，旋轉臺及主桿是在一個很短的時間達到一個速度峰值，而后為了使其停止，就需要通過扭矩控制給予其一個方向轉矩。由上面轉矩變化圖可知，旋轉臺所需最大驅動轉矩為313 N·m，主桿1所需最大驅動轉矩95 N·m，主桿2最大驅動轉矩36 N·m，末端最大轉矩0.34 N·m，所以旋轉臺、主桿1和2、末端執行器的驅動轉矩要分別大于313、95、36、0.34 N·m。底座選用IS型蝸輪蝸桿減速器，減速比為17，主桿和末端都選用諧波減速器，減速比分別100、80、100，則

式中：Mq為電動機轉矩；Md為桿件最大驅動轉矩；i為減速器減速比；η為該轉動副處電機輸入至桿件輸出的效率（旋轉臺處效率為75%，其余各處均為80%）。

根據式（1）可得到旋轉臺處電動機需要的額定轉矩不小于24.55 N·m，主桿1的驅動電動機的額定轉矩不小于1.25 N·m，主桿2處電動機的額定轉矩不小于0.56 N·m，末端執行器處的電動機轉矩須大于4.25 μN·m。對于電動機的功率，有

式中：P為電動機功率；F為工作壓力；v為工作行程速度。根據式（2）和各桿件最大轉速可分別得到旋轉臺、桿件、末端處電動機的大致功率：4，1，0.6，0.05 kW。由此選得電動機如表1所示。

表1 四軸驅動機器人所選取的電機及其參數

3 機器人平臺運動學仿真

Adams軟件是一種在機構運動學和動力學分析廣泛應用的軟件，能夠集建模、求解、可視化技術為一體［12］，進行機構的動力學及運動學仿真分析時，能清晰地了解到機械系統的運動性能［13］。

通過Adams仿真得到3個主要運動件的角位移、角速度、角加速度圖，如圖6～8所示。

圖6 旋轉臺、主桿1、主桿2角位移

由圖可知，旋轉臺的角位移變化范圍在0～－90°，角速度變化范圍是0 ～270°／s，角加速度變化范圍為0～2 100°／s2；主桿1的角位移變化范圍在0～60°，角速度變化范圍在0～60°／s，角加速度變化范圍在0～158°／s2；主桿2的角位移變化范圍是－5～15°，角速度變化范圍在0～15°／s，角加速度的變化范圍是0～40°／s2。速度、位移曲線走勢平緩，在給定運行軌跡時，不會發生震動，有較好的運動性能。

圖7 旋轉臺、主桿1、主桿2角速度

圖8 旋轉臺、主桿1、主桿2角加速度

4 機器人平臺有限元仿真及模態分析

在整個機構的運行過程中，為確保末端執行器能夠精準地完成工作任務，各運動件的剛度和穩定性十分重要，其中主桿1、2，底座等關鍵部位的結構強度更是重中之重。通過仿真其極限工況，得到其應力變形圖，分析最大應力及變形程度。判斷是否超出所選材料的許用應力范圍，檢驗機構模型的合理性［14］。

底座主要受力位置在上端面放置軸承處，主桿1處的轉矩和受力來源于減速器傳遞的轉矩，通過仿真對此部位進行應力與變形分析。底座與主桿材料均選用鋁銅合金ZL201，屈服強度最小值為330 MPa，取安全系數為3，則其許用應力為110 MPa。根據轉矩及受力圖，給定底座一個1.5 kN的壓力；在主桿1上端軸孔處添加525 N的軸承載荷，通過仿真得到變形與應力分布圖，如圖9～12所示。

圖9 底座變形分布圖

圖10 底座應力分布圖

圖11 主桿1變形分布圖

圖12 主桿2應力分布圖

由圖可知，底座最大變形量僅0.003 5 mm，主桿1的變形量最大為0.162 2 mm，結構合理；底座最大應力為0.541 MPa，主桿1 最大應力為15.578 MPa，遠小于許用應力，滿足強度條件。

機器人結構的動態特性對其精度和可靠性也會產生很大的影響［15］，搬運機器人在工作過程中需要實現前進后退等動作，并在夾取貨物過程中會有升降、旋轉等動作，因此其在工作過程會出現晃動振動的現象，所以有必要深入了解其動態特性，這可以為其結構的合理設計與改進提供理論依據。對受力最大的桿1進行模態分析，將模型導入Ansys中，求解得其各階頻率及模態對應的振型圖，如圖13～19所示。

圖13 主桿1前6階固有頻率

圖14 主桿1一階模態振型

圖15 主桿1二階模態振型

圖16 主桿1三階模態振型

圖17 主桿1四階模態振型

圖18 主桿1五階模態振型

圖19 主桿1六階模振型

從圖可以看出，前3階主要是主桿1上端在XZ平面的振動，即上端在XZ平面出現偏移，將會影響末端執行器前進后退的運行精度，因此需要著重考慮主桿1上端在XZ平面的共振問題。后3階中，主桿1在Z軸方向上出現了明顯的扭轉現象，對整個機構的穩定性產生重大影響，若在此模態發生共振將會使整個裝置上部穩定性變差。由上可知，主桿1上部是主要的動態特性影響因素，需要適當增加厚度或提高材料剛度來改進。

5 結 語

本文設計了一種高精度四軸自動搬運機器人平臺，首先對機構整體的結構和尺寸參數進行設計；再利用Adams進行機構的動力學與運動學仿真，得到裝置構件在運行過程中的位移、速度、加速度和力以及轉矩曲線圖，由受力和轉矩對機構所需的驅動裝置進行選擇；用Ansys對關鍵零部件進行應力、變形及模態分析，校核其剛度和強度，保證整個裝置在運行過程中的安全性和可靠性。