关节式四自由度码垛机器人结构设计及仿真研究.docx

1、关节式四自由度码垛机器人结构设计及仿真研究摘 要在机械化生产的当今社会，工业机器人普及越来越广，越来越多的单一重复性的工作由机器人所承担。快速的产品搬运、产品输送往往关系到可观的经济效益。因此人们对工业机器人提出了更高的要求，能够快速、准确、安全地完成各种产品的搬运工作是当今码垛机器人进行设计研究的重点。我国在码垛机器人领域的研究起步较晚，大部分都是借鉴发达国家的研究，由于技术封锁，我国码垛机器人的研究水平与发达国家相比尚有一定的差距。因此加快我国对码垛机器人的设计研究显得尤为重要。本文从机械设计选型到三维建模，再到模拟仿真，最后到制作样机进行试验，给出了一整套的关于关节式四自由度码垛机器人结

2、构设计及运动分析方法。并可以为今后类似的码垛机器人设计研究提供一定程度上的借鉴。首先，根据所要达到的工作要求，确定了码垛机器人的构型方案，并根据设计要求将码垛机器人的主要尺寸计算出来，然后选定驱动机构。利用三维建模软件 Solidworks 将机器人的主要驱动部分设计出来。通过计算和相关模拟仿真得到主要零部件的工作参数，进而完成零部件的选定。最终得到整个码垛机器人的三维模型。其次，将模型进行一定的简化，充分利用有限元分析工具来对所设计的码垛机器人进行研究，保证码垛机器人的强度和设计寿命能够满足使用要求并且具有良好的动态特性，不易发生共振现象。再次，对码垛机器人进行运动学分析及仿真，利用 D-H

3、 法建立机器人的运动学数学模型，分析计算得到运动学正反解，再利用 ADAMS 仿真软件和 MATLAB 画图软件对机器人的位置、速度和加速度进行分析，最后画出机器人的工作空间并进行运动学仿真分析。最后，根据所完成的结构设计，完成样机的制造，搭建相关的测试平台，对样机进行受力测试，分析样机的工作性能。关键词：码垛机器人；有限元分析；运动仿真；样机测试- I -AbstractIn todays society of mechanized production, industrial robots are becoming more popular, and more and more singl

4、e repetitive work is borne by robots. Rapid product handling, product delivery is often related to considerable economic benefits. Therefore, people have put forward higher requirements for industrial robots, and it is the focus of the design of the palletizing robot to carry out the handling of var

5、ious products quickly, accurately and safely. Chinas research in the field of palletizing robots started late, most of which are based on the research of developed countries. Due to the technical blockade, the level of research on palletizing robots in our country is still inferior from that of deve

6、loped countries. Therefore, it is very important to accelerate the design of palletizing robot in China.In this paper, from the mechanical design to the three-dimensional modeling, and then to the simulation, and finally to the prototype test, given a set of four-degree-of-freedom on the joint struc

7、ture and motion analysis of the stacking method. And it can provide a certain degree of reference for the future design of similar stacking robots.Firstly, according to the work requirements to be achieved, the palletizing robot configuration scheme is determined and the main dimensions of the palle

8、tizing robot are calculated according to the design requirements, and then the driving mechanism is selected. Utilize 3D modeling software Solidworks to design the main drive part of the robot. Through the calculation and related simulation simulation of the main parts of the operating parameters, a

9、nd then complete the selection of parts. And finally the three-dimensional model of the whole palletizing robot.Secondly, the model is simplified and the finite element analysis tool is used to study the palletizing robot. The strength and design life of the palletizing robot can meet the requiremen

10、t of use and have good dynamic characteristics. It is not easy to resonate.。Then, the kinematics analysis and simulation of the palletizing robot are carried out. The kinematics model of the robot is established by D-H method. The kinematic positive- II -Abstractand negative solutions are calculated

11、 and analyzed. The position, velocity and acceleration of the robot are simulated by ADAMS simulation software and MATLAB drawing software. Finally, the working space of the robot is drawn and the kinematics simulation analysis is carried out.Finally, according to the completion of the structural de

12、sign, complete the prototype manufacturing, build the relevant test platform, the prototype of the force test, analysis of the work performance of the prototype.Keywords: palletizing robot ; finite element analysis ; motion simulation ; prototype testing- III -V -VI -第 1 章 绪 论1.1课题研究背景机器人作为解决人类双手的工具

13、已经逐渐在工业生产中占据了很重要的位置1，在生产中往往会遇到需要将工件一件件的搬运到另一个位置，完全用人力的话，这将是一个费时又费力的工作，在当今这个追求高工作效率的社会中，选择人力搬运这就会增加生产成本，影响整体生产的进度。工业机器人在 21 世纪的生产制造领域扮演的角色越来越重要，机器人在执行任务或使用中，其与人类接触的不断增加也使得机器人的安全使用问题受到人们的关注，在注重设计制造出能够代替人类工作的机器人的同时，也要充分考虑到机器人在工作过程中的安全问题2,3。我国在改革开放以来，经济发展迅速，零售业和互联网电子商务行业发展的突飞猛进，小商品、大批量是现代商品市场一个鲜明的特点，在货物

14、储存领域，工业机器人的出现使得生产变得更加方便快捷，提高了生产效率4。如何在社会飞速发展的同时，调整制造业的工作形式，以求能够满足市场对生产快速增长的需求显得尤为重要5。生产中遇到的这一问题也给机器人生产厂家带来了机遇。如今国内外有好多生产工业机器人的公司，他们致力于用工业机器人来代替生产中那些需要人力要完成的工作6。据 IFR（International Federation of Robotics）统计，在 2015 一年中，工业机器人的全球销量首次达到 24 万台，近十年来，工业机器人的销售量一直保持着平稳增长的趋势7。近些年来，工业机器人的研发技术，行业标准和销售应用市场在中、韩、美、

15、日、德等国的发展相对较为活跃8。应用工业机器人最多的地区是亚洲，其在全球工业机器人的使用量中占到 50%。这些数据都反映出工业机器人在工业生产中的应用前景十分广阔9。我国使用码垛机器人的时间远落后于欧美国家，我们在码垛机器人技术方面的研究还不是很成熟10-12，本文研究关节式四自由度码垛机器人结构设计及运动分析，目的在于给出一套较完整的针对码垛机器人的结构设计流程。根据所设计的结构，对其进行运动学分析，旨在提高工作效率，节省生产成本，这在当今的现代化生产过程中显得尤为重要。- 1 -1.1码垛机器人研究现状与发展趋势1.1.1码垛机器人研究现状在 1959 年由恩格尔伯格发明的第一台机器人以来

16、，机器人的发展相当快速，它是自动执行分配给它的工作13，可以在人类的操作下工作，也可以按照预先编写好的程序代码独立工作，其终极目的就是帮助人类完成一些繁琐、无聊、危险的不适合人类去完成的工作14。而码垛机器人就是代替工人完成搬运批量工件的一种机器人，例如面粉厂或化肥厂中，生产好的面粉或化肥由编织袋统一包装，在装车时就会出现一个机械化的搬运过程，即要将一袋袋成品运上车。再例如在娃哈哈生产线上，一箱箱包装好的产品要被输送至空闲的储物空间来暂时存放，这些搬运过程在过去都是使用人力来完成搬运工作，使用人力就会产生工作效率低，生产成本高的问题，码垛机器人就应运而生。在我们国内码垛机器人研究领域，主要有上

17、海交通大学机器人研究所和哈尔滨工业大学研究所，哈尔滨工业大学机器人研究所研制的码垛机器人应用到生产中后，提高了生产效率，降低了生产成本，上海交通大学机器人研究所主要研究高速码垛机器人的开发，在相关问题上也取得了很大的突破15。许纪倩等人的著作为码垛机器人的设计提供了一种设计参考和思路16。吴勇等人说明了码垛机器人在我国码亟待发展应用迫切形势17。任锋玥提出我国将来的机器人的使用方向及发展方向的思路18。考虑到码垛机安全性能，王亚军等提出了有限元技术在设计工程应用仍具有一定的不足之处，并展望了有限元技术在未来的发展19。刘英魁将有限元和工程结合，为工程问题提供新的解决思路20。殷之平从基本知识入

18、手，为码垛机器人的疲劳学分析奠定了分析基础21。在此基础上，很多学者针对非线性叠加情况22-24以及加载顺序25,26的不同研究出不同情况下损伤机理。齐忠华讨论了 miner 疲劳损伤积累假说的不足之处27。曹树谦的著作帮助学者们在工程问题中能够更深入地应用模态分析28。谈世哲在实验平台上完成了验证码垛机器人的力控性能的实验29。虽然国内针对码垛机的研究颇多，但是在整体上，我国在码垛机器人技术上较国外的发展还是存在着很大需要进步的空间，码垛机器人的出现最早是在日本和瑞典两个国家30，瑞典的 ABB 公司致力于研究开发工业机器人已经三十多年，ABB 公- 2 -司在 2011 年推出的 IRB4

19、60 码垛机器人，这种机器人主要应用于工厂生产流水线的末端，其能完成对生产的成品或半成品的高速搬运规整31,32。IRB460 每小时不间断工作时，完成的工作循环次数能达到 2190 次，除了在工作速度上比普通的码垛机器人快了 15%左右外，它能达到的 2.4 米工作覆盖范围也是能够满足更高的工作要求。德国的 KUKA 公司研发出世界上第一台完全由电机带动关节动作的工业机器人 33,Arctic 型 KR QUANTEC PA 目前 KUKA 公司研制出是高能效的高负载级快速卸码垛机器人，如图 1-1。我国在码垛机器人技术上主要存在有起步晚，研发力量不足等问题34，还需要我国的科技工作者投入大

20、量的精力去研究。Ning F 等人分析机器人的动力学特性,生成的驱动转矩的手臂,并得到它的逆动力学方程。来改善系统的性能,通过基于 MATLAB 的仿真验证了有效性35。在码垛机器人的工作空间及路径规划方面，Constantinescu D 等人提出一种方法来确定光滑时间最优路径约束的机器人机械手。通过添加限制致动器来对机器人的工作进行约束，进而对机器人的工作路线做出优化36。Zlajpah L 等对码垛机器人的设计进行优化，降低了计算复杂度37。Klein Breteler M D 等深刻研究讨论了运动轨迹中机器人所受的最小冲击38。在机器人的运动自由度研究方面，Gao F 等人利用基于 P

21、lcke 坐标系的方法研究了几种结构形式的机器人结构设计形式，最后推导出来机器人结构各关节的肢体的位移输出方程39。在单臂堆垛机器人设计领域，李方义等人在进行码垛机人的研究设计过程中，形成了一套先利用 Pro / E，SolidWorks 等三维建模软件建立码垛机器人的三维模型，进行运动学仿真，最后才能对所做的结构设计做出改进直至达到设计要求。由于机器人工作过程中的一些限制使得它不能在有效的工作过程中回到起始点和机械臂有很多自由,其控制系统相对复杂40。Guan X 等在对码垛机器人进行机械结构设计和运动学分析时，研究提出了一个关于机械设计和测试的详细算法，该算法通过实验收集数据。通过这些数据

22、来计算机器人的工作空间,通过软 MATLAB 模拟了工作空间，最后对比仿真的结果与实际工作结果41。刘扬等人在分析了码垛机器人的工作要求后，给出了一种基于混联设计的码垛机器人，通过建立坐标系将所要设计的机器人整体进行简化，最后简化成了一个拥有三自由度的机械手模型42，紧接着利用应用 Denavit和 Hartenberg 的 D-H 方法，构建出机器人的运动学模型，列解出机器人的运动学方程及逆运动学方程，最后利用 SolidWorks 和 ADAMS 等软件进行工况下的模拟仿真43-45。- 3 -图 1-1 库卡公司 KR180R32001.1.2码垛机器人发展趋势现在世界范围内生产码垛机器

23、人的公司企业主要有德国的 KUKA 公司、日本的 FANUC、日本的安川公司、还有瑞典的 ABB 公司46,47。德国的 KUKA 公司是世界上顶级工业机器人制造商之一，日本 FANUC 公司的码垛机器人主要应用在饮料行业48,49，强大到足以轻松处理纸巾，卫生纸和纸巾码垛。各个公司都开发出了自己公司系列的码垛机器人，其各自具有其不同的应用范围。反观国内的码垛机器人的发展，在中国的制造业即将进入了工业 4.0 时代，日益繁荣的物流业引发了针对成批量货物的分拣、搬运的问题50，由此，我国也加入到了研发码垛机器人的行列中来了，除了以高校为主要的研发力量，我国也在码垛机器人的研发上投入了很大财力和物

24、力。我国的码垛机器人主要针对的工作情况是货物批量大，所以在进口码垛机器人的价格等各方面因素下，我国生产的码垛稳定性强，安全耐用的特点都备受商家的青睐。码垛机器人的未来发展趋势是更加简单的人机操作界面，更高的可靠性和安全性，丰富多样的抓手形式，适应性更强。具体概括起来就是，未来码垛机器人的机电结合更加紧密，码垛速度更快，设计结构的柔性增加，可根据生产工作要求来自行配置所需要的机器人结构形状尺寸，其能够完成的任务范围也变得越来越广51。1.2本文的主要研究内容本章主要分析了在现有的生产中存在的大批大量货物的分拣搬运工作问题，在结合了相应的相关资料后，设计给出一个能够满足给定的工作要求的一种关节式四

25、- 4 -自由度码垛机器人，研究了整个机器人从结构设计再到对其结构进行运动分析的整个过程，以求所设计的机械结构能够解决现实生产过程中所出现的问题，具体的内容有以下几个部分：(1)介绍了码垛机器人产生和应用的背景，阐明了研究码垛机器人的重要意义，然后又介绍了国内外研究码垛机器人的现状，针对我国的所存在问题给出了分析和建议，最后对未来的码垛机器人的发展趋势做了详细的叙述。(2)针对所要完成的工作要求，首先做出了其整体结构设计，然后又给出了几种不同的设计方案，最后根据分析，确定出最适合的方案。再根据工作任务要求，计算得出结构具体的形状结构尺寸以及选定相应的驱动方案。(3)结构和驱动等相关参数确定之后

26、，利用 SolidWorks 建模软件对码垛机器人进行建模，建模完成后，在进入有限元分析前对模型进行简化，利用 ANSYS 有限元分析软件对已有结构进行在受载荷后的特性分析，利用已有的理论做出疲劳寿命分析以及对整体结构进行模态分析来求得系统的响应，最后分析得到的计算结果，找到码垛机器人最薄弱的环节，并对整体设计结构做出系统的评价。(4)对做码垛机器人的运动学分析和仿真的原因和重要性做出了阐述，然后又介绍了运动学分析仿真的方法，最后选定采用 D-H 坐标系的分析方法来求解机器人的运动学正反解，利用 D-H 法建立起机器人的运动学数学模型，利用 ADAMS 和 MATLAB 对机器人的工作空间做出

27、分析，并得到了搬运过程中，机器人的位移、速度、加速度的变化曲线图，保证所设计的码垛机器人结构尺寸能够满足设计要求。(5)根据结构设计和零部件的选型，制作出样机实体，确定样机测试方案，搭建起样机测试平台，基于制作的样机，选用压力、位移传感器，DAQ 数据采集卡和工业计算机及相配套的数据分析软件，完成对样机的实践性测试，来验证机械结构设计的正确性和可靠性。- 5 -第 2 章 码垛机器人整体设计2.1引言码垛机器人整体设计，首先要根据所给出的工作要求对码垛机器人结构做出初步规划，其中主要考虑其结构功能的实现性、灵活性和经济性等方面进行分析，进而确定码垛机器人的构型方案。本章在确定码垛机器人工作要求

28、及构型方案的基础上，确定了码垛机器人的基本尺寸，设计三维建模及主要部件的选型。由于传统码垛机器人存在的空间占用大、各关节结构体积重量大、驱动能耗大的问题，在考虑以上问题的同时还要注意以下问题：（1）码垛机器人所工作的工作环境一般是加工车间的生产线，生产线的空间结构布置规则有序，这就对码垛机器人的结构提出了要求，其空间结构在能实现既定的轨迹运动的同时，还要尽可能的满足结构体积小重量轻来满足复杂的生产环境，灵巧的结构设计不仅能使整体结构柔性增加，而且还能提高工作效率，降低能源消耗，节约成产成本。（2）安全稳定性设计，码垛机器人在工作时，需要高速反复执行一个动作循环，能够保证每次搬运动作都准确到位对

29、于整个生产过程的连贯性有很大的意义。结构控制简单，工人操作方便，在复杂的一个机器，最后也是要在实践中去检验的，只有在生产实践中能够方便的使用才是最重要的。2.2码垛机器人设计方案2.2.1码垛机器人工作要求介绍本文中所设计的码垛机器人用于完成 50kg 袋装面粉的码垛工作，从而代替人工重复性简单乏味的体力劳动，码垛速度快、效率高，解放了大部分人力资源，提高了面粉在市场的流动速度，提高工厂效益。其工作时的主要流程为：抓取袋装面粉、搬运袋装面粉到码垛位置、根据垛型调整袋装面粉姿态、将袋装面粉正确跺型。码垛机器人的工作便是不断重复上述四个基本过程。其主要性能参数要求如下表。- 6 -表 2-1 性能

30、参数序号项目要求1额定码垛效率500 次/小时2安装方式落地式3承重能力（含手爪）210kg4袋装面粉尺寸500900mmA（前后）1500mm5动作范围B（上下）C（左右）2300mm330D（抓手）3306位置重复精度0.5mm7驱动能力伺服电机驱动8工作环境温度-15C45C2.1.1垛机器人构型方案确定按照结构坐标系的不同，码垛机器人也呈现出不同的类型。所谓机器人构型，就是指机器人的机械结构配置方式，其中包含机器人的自由度、主要关节的运动方式、零部件之间的相对运动以及位置关系等。根据机械手臂坐标特性的不同机器人的构型可分成以下四种：直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型和多关节型，如图 2-

31、 1。目前这四种机器人普遍应用于各种工业流水线。可以根据不同的场合环境的要求，空间的限制，以及所搬运的物品的要求，选择出适当的机器人进行工作。直角坐标型码垛机器人。由于这种机器人在笛卡尔坐标系中各个轴之间的运动相互独立的，因此在进行运动分析时各个轴都可以单独处理的线性方程，因此在机器人投入到工作之前，对其运动进行计算控制的过程都是比较简单的，这是其他类别的机器人不具备的优势；这类机器人的刚性大，在执行任务过程中，机器人本身具有的精度不会因工作环境而改变。因此这类机器人很容易能完成具有高精度要求的任务；但是由于机器人的各个轴相互独立，因此操作空间比较小，并且有着占地面积大、运行效率低、难以实现较

32、为复杂的运动等不足之处。- 7 - a)直角坐标机器人 b) 圆柱坐标机器人c) 球形坐标机器人 d) 多关节机器人图 2-1 四种码垛机器人简图圆柱坐标型码垛机器人。圆柱坐标型码垛机器人拥有一个可以让机械臂来旋转的中轴。进而可以满足比较苛刻的位置的工作要求。通过对机械臂的加长，机器人的工作范围可以相对扩大，且在机器人进行投入使用前对其进行运动的分析控制比较方便；采用液压传动装置对码垛机器人机械臂的直线部分进行驱动，这样既能够保证供给的动力能最大化满足任务要求又能保证运动过程的平稳性；但是由于机器人材料的强度限制，这种机器人的工作空间是一定的且很难进行扩大；机械臂直线驱动部分由于其结构比较特殊，一般很难对其进行密封防尘处理，在进行作业时手臂后