基于ADAMS 和Solidworks 軟件對碼垛機器人運動響應特性分析

吉林農業科技學院 唐海亮 張強 魏占勝 王炟

中國2025 智能時代，各行各業都充斥著改革的氣息，尤其引人注目的便是集眾多前沿科技于一身的現代化制造業裝備——工業機器人。世界各國紛紛抓住歷史機遇，出臺了“再工業化”戰略、“工業4.0”計劃、“2020 增長戰略”推動機器人技術快速發展。在制造業上廣泛應用機器人，做到“機器換人，人用機器”的新型制造自動化。

碼垛機器人占地面積小、運動空間大、靈活精準、快速高效、穩定性強、安全系數高，憑借著這些優勢在很多領域占有一席之地，大大節省了勞動力。由于我國機器人起步較晚，在碼垛機器人的基礎科學研究短板突出。通過建立虛擬樣機并進行運動仿真得到運動仿真數據，從而達到優化原型樣機的目的。解決當前制造業產能過剩、大量關鍵設備、核心技術受制于人的問題，期望突破碼垛機器人方面研究的短板。

1 10kg 碼垛機器人研究主要內容

結合在校期間Fanuc 系統工業機器人實習，我們提出碼垛機器人對10kg 載荷的搬運及碼垛設計。利用Solidworks 建立10kg 碼垛機器人原型樣機，對機器人進行運動學分析并對原型樣機轉速能否快速增加從而實現碼垛機器人帶動負載的承載力驗證。

2 10kg 碼垛機器人結構設計

2.1 碼垛機器人總體結構設計

碼垛機器人可用于自動化工廠生產流水線上代替人工重復勞動、提高工作效率，增加人口紅利。它主要用于抓取貨物并按照碼垛形狀給出既定的姿態將貨物重復精準地放在指定位置。碼垛機器人可以高速運行且工作范圍大，為了避免碼垛機器人在搬運過程中與貨物發生碰撞，搬運貨物從貨物多方面進行夾取并安全擺放，所以選擇垂直多關節機器人，本質是一個仿生手臂空間自由度開鏈式機構。主要由機械臂、驅動裝置、傳動裝置、內部傳感器組成。

當前國內一般碼垛機器人重復定位精度低、承載載荷小，所以結合校園fanuc 系統研究上料搬運機器人，研究設計10kg 碼垛機器人。選用交流伺服電機易于CPU 連接、響應快、定位精度高、控制性能好，腕部采用十字紐扣RBR 型減小縱身長度，增大結構力矩，總體結構如圖1。

圖1 10kg 碼垛機器人總體結構

2.2 10kg 碼垛機器人腰部應力分析

對腰部進行有限元分析，分析它的承載載荷腰部所受的應力，然后判斷結構是否能夠承載10kg 負載，應力分析如圖2。

圖2 應力分析

3 10kg 碼垛機器人運動學響應分析

將原型樣機在Solidworks 進行特征組合，首先省略一些無關零件，避免在做運動仿真時圖形干涉報錯。然后將處理之后的原型樣機導入ADAMS 建立虛擬樣機并進行運動仿真。給碼垛機器人設定負載10kg，運轉時得出關節受力曲線、關節轉速。隨時間變化曲線如圖3、圖4 所示.

圖3 碼垛機器人Z 軸受力曲線

圖4 碼垛機器人轉速隨時間變化曲線

4 結語

由圖3、圖4 曲線分析可知該設計的碼垛機器人是可以承受10kg 的負載并平穩運轉的。啟動的0.2s 碼垛機器人的承載力逐漸增大，轉速也快速增加，從而實現碼垛機器人帶動負載的承載力。