大负载四​轴搬运机器人特点与应用

摘要：随着高速重载机器人在汽车、冶金、物流等行业的广泛应用，人们对搬运机器人的速度、加速度和定位精度提出了更高的要求。本文设计了一种大负载四轴搬运机器人实验平台，首先通过 SolidWorks 进行初步结构设计，得到搬运机器人的 初始模型，将模型导入到 Adams 软件中进行运动学和动力学仿真，然后对电机进行选型并对初始模型进行优化，最后对关键部位进行 Ansys 有限元分析，验证所设计机构的合理性。

  搬运机器人是通过模仿人类的某些工作技能， 按给定的轨迹和具体要求，实现工件的自动抓取和搬运。为解放多余劳动力，提高产品的生产效率， 减少生产所需成本，缩短生产周期，提高产品竞争力，搬运机器人实现了较快的发展。

  梅江平等人分析了码垛机器人整机工作空间 内的应力、应变和位移云图，又对工作空间的静刚 度分布特性进行了分析。

  王琪等人对码垛机器人的杆长进行设计,并 且优化了最终设计结果。田美子等人利用有限元 分析软件，分析了码垛机器人的各阶固有频率，得 到了优化振动特性的方法。梁浩等人基于 Adams 和 Ansys 软件，建立了柔性机器人的动力学虚拟仿 真系统。

  本文主要设计了一款有效载荷 800kg 的大负载 四轴搬运机器人实验平台，首先明确搬运机器人总体结构设计方案，完成传动结构，驱动方式等相关设计方案，利用三维建模软件 SolidWorks 建立模型，导入到 Adams 软件中进行动力学仿真，并对关键部位进行 Ansys 有限元分析，验证所设计机构的合理性。

1大负载四轴搬运机器人实验平台的参数设计

本次设计主要对大负载四轴搬运机器人实验平台进行结构设计，该机构由基座、腰部、大臂、 小臂、连杆、末端执行器组成，其中连接基座和腰部的转动副为 J1，连接腰部和大臂的转动副为 J2， 连接大臂和小臂的转动副为J3，连接小臂和末端执行器的转动副为 J4。主要技术参数如表 1 所示：

 由此可确定各运动杆件及连杆的旋转中心距， 如表 2 所示：

通过以上数据，建立大负载四轴搬运机器人的 结构简图，如图 1 所示

通过 SolidWorks 结构设计建立的机构三维模 型如图 2 所示。 

2 大负载四轴搬运机器人实验平台运动学 和动力学仿真

  本文采用 Adams 虚拟样机仿真软件对大负载 四轴搬运机器人实验平台进行运动学和动力学仿 真。该软件在机械领域应用广泛，主要用于多体系 统的运动学和动力学分析，有助于分析机械系统的 运动性能。将 SolidWorks 中的 3D 模型导入 Adams 中，给模型添加合适的转动副约束和负载， 设置驱动，给定一个门型工作轨迹，对模型进 行运动学仿真。该驱动函数使机器人在 0-2s 内抬升 物料 1.1m，2s~4s 腰部转动 90°，4s~6s 下降 1.1m放置物料。

 通过 Adams 对大负载四轴搬运机器人实验平 台进行运动学和动力学仿真，得到大臂的角速度、 角加速度、角位移图像，如图 3~5 所示，末端执行 器的速度，加速度、位移图像，如图 6~8 所示。大 臂的角速度变化范围 0°~45°，角加速度变化范围在 0˚~85˚/s2，角位移为 0°~60°，末端执行器的速度变 化范围 0~0.67m/s，加速度变化范围在 0~1.5m/s2， 曲线走势平缓，因此机器人在按照给定运动轨迹运 行时，不会发生振动，有比较好的运动学性能。

3 大负载四轴搬运机器人实验平台驱动装置选型

  电机是一个机械系统中最重要的组成部分，电 机的选择要综合考虑诸多因素。 在 Adams 给定的门型轨迹中，大臂和杆 2 的扭 矩图，如图 9、10 所示。

由扭矩图可知，大臂和杆 2 的最大扭矩为 770N·m，580N·m，所以驱动力矩不小于 770N·m， 580N·m，为采购和维修方便，采用同一型号的谐波 减速器，减速比为 100:1，则

式中： 为电机转矩； 为杆件最大驱动 转矩； 为减速器减速比； 为该转动副处电机输 入至杆件输出的效率，div>  = 76% </

可得到大臂的驱动电机额定转矩不小于 10.13N∙m，杆 2 处电机额定转矩不小于 7.63N∙m， 对于电机的大致功率，有P = F 

 式中： 为电机功率； 为工作压力（包括杆v> 件本身质量和负载产生的重力）， 为杆件工作行 程速度。根据式（2）与各杆件最大转速，可分别 得到大臂和杆 2 的驱动电机的大致功率：11kW， 8kW。

最后通过所得最大转矩与功率选取电动机，型号如下：

 4大负载四轴搬运机器人实验平台有限元分析

为保证大负载四轴搬运机器人实验平台在运 行过程中的刚度和稳定性，有必要对其关键部件进 行应力应变分析。根据动力学仿真结果，测得腰部 受力 13000N，将作用在腰部上的力在 X、Y 方向上 进行分解，然后进行加载，并将底座支脚设置为固 定约束。杆件材料如下表： 

通过仿真，得到腰部的应力和变形分布图，如 图 11、12 所示。通过图像所示，腰部所受的应力 为 591.17MPa，小于屈服强度，最大变形量为 0.79927mm，满足工作要求。

为了确定机身结构的固有频率和振型，从而使 设计的结构避免发生共振，利用 Ansys 中的模态分 析模块对机身的结构进行模态分析。模态分析是一种计算结构振动特性的数值技术，是最基本的动力 学分析方法，也是响应谱分析、随机振动分析、谐响应分析的基础，将机身模型导入 Ansys 模态分析 模块，添加约束和预应力后求解其自振频率变形。 大负载四轴搬运机器人实验平台的腰部在无 预载荷状态下 1~6 阶振型模态分析结果如图 13 所 示，频率和变形量如表 5 所示。 

 根据图 13 和表 5 可知，前 6 阶振型中，固有 频率最低为 261.12Hz，最高为 652.4Hz；第 4 阶的 最大变形量最小，为 15.253mm，第 6 阶的最大变 形量最大，为 20.618mm。前三阶主要是腰部上端 在 XZ 平面的振动，即上端在 XZ 平面出现偏移， 将会影响旋转定位的运行精度。后三阶中，腰部在 Z 轴方向上出现了明显的扭转现象，对整个机构的 稳定性产生重大影响，若在此模态发生共振将会使 整个装置上部稳定性变差，有必要适当增加厚度来 提高机构的稳定性。

5 结语

  本文设计了大负载四轴搬运机器人实验平台， 具有负载大、结构稳定、刚度大等优点。对机构进 行结构设计及构件选型，确定了大负载四轴搬运机器人实验平台的大致尺寸和整体比例。 利用 SolidWorks 软件建立三维模型，通过 Adams 进行仿 真分析，根据虚拟仿真结果，进行电机选型。基于 Ansys 对主要部件进行了有限元分析，对其结构强 度进行校核，并进行了模态分析，保证整体运行过程中的安全性与稳定性，为实际样机的制造奠定了基础。

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