协作机器人结构设计及齿轮传动系统仿真

本文针对看守所传统送餐方式存在安全性差、效率低的问题，研制了一款实现特种场所无人化送餐的协作式机器人，并对其关键传动系统进行有限元分析。结合Solidworks软件设计了整机三维模型，采用模态分析与瞬态动力学仿真分析相结合的手段，研究了机械臂旋转模块中的齿轮传动系统非线性动力学特性。仿真结果显示：齿轮系统的前8阶固有频率远高于共振频率，在不同扭矩输入下，最大变形量为1.729 mm，最大应力值为723.1 Pa。基于赫兹理论得到齿轮接触面疲劳强度极限为6.3258 Mpa，低于材料屈服强度。与有限元分析结果进行对比，验证装置在强度、刚度以及动态响应方面均符合工程设计要求，为后续研发和优化提供了理论依据。目前对样机已完成调试，结果良好，具有广阔的应用前景。

随着人工智能的不断发展以及机器人技术在各领域的拓展应用[1]，人们设计了集机械臂抓取、视觉识别、自动导向车(Automated Guided Vehicle, AGV)、拖动示教等功能于一体的协作机器人，它能胜任单一机器人无法承担的复杂任务。协作机器人具备广阔的应用前景，彭可[2]等结合机械臂抓取与放置物料的能力以及AGV 在规定路径上行驶的功能，建立了一套仓储分拣系统，使仓储物流进一步实现智能化；秦俊飞[3]等基于机械臂、视觉检测技术、AGV，设计出一款智能化焊接机器人，提高整体工作效率，其成果也在标准化机房中得到实践检验；吕开旺[4]等借助机械臂、AGV、相机等硬件条件，研究了一种视觉引导协作机器人上下料系统，并验证该系统的工作精度与增益效果，提供工程项目参考价值；范瑞鹏等[5]提出一种AGV 协作机器人设计方案，该方案包括规划复杂路径、机械臂装卸，为实现全自动AGV提供参考；温秀兰[6]等设计了一款具备多种功能的教学机器人， 能进行拖动示教、视觉引导、在线编程、协作抓取、运动学分析等实验，较好满足了智能制造教学要求。

研发协作机器人并非简单的功能堆叠，而是各模块有机结合实现更优异的效果，最普遍运用的案例便是机械臂、AGV、视觉系统的配合使用，该组合将机器人本体作为载体，模拟实现了人类手、眼、脚功能，而只有兼备可靠性与耐久度的机构才能持续精准地作业，故有必要对于整机或是关键结构进行有限元校核。傅旻[7]等针对冲压机器人工作中执行机构与挡块会经常性发生碰撞的问题，利用Abaqus 进行碰撞仿真分析，根据结果对结构与零部件选型进行优化，既节约研发成本，也大大提升冲压生产的效率；公续银[8]等设计了一种机器人的升降装置，利用ANSYS 软件对其螺旋传动机构的关键连接部位进行应力分析与模态分析，验证了设计方案的合理性；徐金章和王延飞[9]对码垛机器人传动结构中的齿轮轴进行仿真分析，旨在观测传递扭矩时齿轮的受力情况，便于后续部件改良工作；Wang [10]等综合分析