計算機虛擬仿真技術在學科競賽中的應用與實踐

馬 宏，尚騰蛟，田 陽，劉春東,3*

（1.河北建筑工程學院，河北 張家口 075000；2.張家口市智能機械技術創新中心,河北 張家口 075000；3.河北省機械基礎教學示范中心，河北 張家口 075000）

0 引言

計算機虛擬仿真技術是隨著計算機發展起來的全新技術，具有逼真性、實時性和交互性等特征[1]，在學科競賽中起到的作用也越來越重要，特別是在工科專業競賽中。[2]。本文以全國工程實踐與創新能力大賽為例，應用計算機虛擬仿真技術設計物流搬運機器人，快速獲取最終設計方案。

1 智能物流搬運機器人賽項的設計要求

要求機器人的外形尺寸不超過300×300×400（單位mm）的空間范圍。物料包絡在直徑為50 mm，高度為70 mm的圓柱形空間范圍內。物料放置在原料區物料架上，物料架設置上下兩層，每層放置3個，料架及物料放置如圖1所示。機器人搬運上述物料。

圖1 料架及物料放置

機器人運行至抓取工位后依次抓取上層的物料，之后機器人運行至粗加工區將物料依次放置在對應的色環內，再將粗加工區的物料依次抓取，運行至半成品區，將料倉內物料按照任務要求再次放置色環內。作業地圖如圖2所示。

圖2 機器人搬運作業地圖

以上即為上層物料的抓放要求。完成上層物料的抓放之后，機器人再次重復上述動作，將下層物料完成搬運。

2 應用計算機仿真技術進行設計

2.1 機器人底盤仿真設計

選用SolidWorks作為本次虛擬仿真的軟件，設計機器人主體結構板尺寸為298×298 mm；選用直流電機與麥克納姆輪式結構作為驅動單元，同時將灰度傳感器、電路托板等結構通過計算機仿真技術進行結構仿真并完成虛擬裝配，如圖3所示。

圖3 機器人底盤虛擬仿真設計

2.2 機械臂虛擬仿真設計

根據物料形狀，機械爪上下兩支開合結構。選用可單獨水平運動的連桿式機械臂，結合抓取和放置工位的運行擺角，設計大臂和小臂的結構；進行虛擬仿真設計，并完成裝配，如圖4所示。

圖4 機械臂虛擬仿真設計

2.3 機器人整機虛擬仿真設計

將上述設計完成底盤、機械爪和機械臂進行仿真裝配，完成整機裝配，如圖5所示。

圖5 機械人整機虛擬仿真設計

完成后進行機構和理性檢驗以及總體尺寸驗證，符合設計要求的空間范圍。同時，通過計算機運動仿真驗證機械臂的工作范圍，以滿足各抓取和放置的作業范圍要求。

3 結語

本文以工程實踐與創新能力大賽為例，將計算機虛擬仿真技術應用到智能物流搬運機器人的結構設計中，有效地提高了作品的設計效率。偏重于動手能力的工科競賽往往需要加工和制造實物參賽，在作品設計過程中應用計算機虛擬仿真技術可以提高設計效率，并降低設計成本。