题目：码垛机器人系统的设计与优化

随着工业化生产规模的扩大，码垛机器人应运而生，码垛技术也得到了长足的发展。码垛机器人的出现实现了码垛作业自动化，保障了工人的安全，降低了工人的劳动强度，加快了物流速度，在获得整齐一致的物垛的同时，也减少了物料的破损和浪费，显示出了巨大的经济效益。本论文是在北京航空航天大学机器人研究所与广州数控有限设备公司合作的“码垛机器人系统的设计与应用”项目的资助下完成的，主要内容包括码垛机器人小臂的变截面优化设计、基于虚拟样机的伺服电机选型、腰座结构的重新设计、基于MATLAB和Adams的交互式运动控制仿真、气弹簧配重设计以及控制系统的硬件设计。具体内容和主要的工作成果可概括为以下几点： 第一，首先综合比较了机器人常用构型的优缺点，结合码垛机器人的作业要求及特点，确定了码垛机器人的基本构型为四自由度串并联圆柱坐标型；其次，在对码垛机器人小臂受力分析的基础上，找出小臂所受应力最大的位置，应用材料力学第三强度理论，在保证小臂强度和刚度的前提下，以小臂受力最薄弱处的高度为优化变量，以小臂质量最小为优化目标，对小臂进行了变截面优化设计；最后，通过分析前几期码垛机器人腰座的优缺点，从结构、定位精度、成本及安装与维护等方面进行了综合对比，对腰座进行了重新设计，并最终确定了新的腰座传动方案。 第二，应用SolidWorks软件建立码垛机器人的三维模型，将其导入Adams虚拟样机软件中，设置各个零件的参数，对码垛机器人模型进行运动学与动力学仿真，得到腰座关节、垂直关节及水平关节的驱动力矩及功率，将这些参数通过减速比换算后作为伺服电机选型的依据，最终选定交流伺服电机的型号。 第三，首先采用Adams虚拟样机软件对码垛机器人进行机械建模，再将模型通过Adams/control接口导入到MATLAB软件中。采用MATLAB软件的Simulation插件对码垛机器人的控制系统进行建模，最后对码垛机器人进行Adams与MATLAB交互式运动仿真，证明码垛机器人有较好的动态响应特性和良好的轨迹跟踪性；其次，为了克服传统配重形式的缺点与不足，设计了一种气弹簧配重形式。 第四，首先对码垛机器人控制系统的功能作了分析，比较了几种常用的控制系统方案，最终确定了控制系统的总体方案采用分布控制式；其次阐述了硬件系统的配置情况以及关键元器件的性能及特点；最后，分析了控制系统可能存在的干扰情况并提出了相应的解决措施。 关键词：码垛机器人，变截面，优化设计，电机选型，运动仿真，控制系统