工业机器人的系统分析与仿真探究

聂波

摘要：随着改革开放政策不断实施，工业技术已经取得了很大的发展，并且工业技术已经被广泛应用于各个领域之中。机器人作为智能技术发展的重要内容，机器人技术在国内很多的行业均有所应用，随着机器人技术逐渐成熟，其在工业生产中逐渐占据着非常重要的地位。我国的机器人技术起步较晚，目前和国外的机器人技术还有一定的差距，但相信经过我们长时间的发展和努力我国的机器人技术必然会出现技术突破，在世界机器人行业赢得一席之地。计算机技术已经成为了当代技术的发展主流，我们必须加快计算机相关产业和技术的发展研究，努力实现工业机器人技术的创新发展。该文针对工业机器人进行系统分析和仿真研究，为实现工业机器人的技术创新突破提供重要支持。

关键词：工业机器人；系统分析；仿真

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）04-0260-02

工业机器人技术主要包含了：工程控制、机械控制、电子技术、传感技术、计算机人工智能、计算机技术等多维一体融合技术。工业机器人技术具备较大的发展潜力，因为工业机器人可以替代人类做一些人类无法实现或者不方便做的事情。工业机器人技术已经变得日渐成熟，为工业实现自动化生产提供了重要支持，工业机器人技术相关产业也在不断发展，且规模变得越来越大[1]。工业机器人技术为工业生产提供了重要的产品质量控制保障，为企业增产提供重要支持，对于有效提高工人的工作效率和生产量具有十分重要的意义。工业机器人的好处很多，就目前而言工业机器人为解放劳动力、提高生产效益和减少出错率作用重大。

1 工业机器人研究现状

1.1 国内工业机器人的研究现状

目前，工业机器人的发展相当迅速，且每年呈现出两位数大幅度增长量，我国的工业机器人的销量已经达到了28万台。据世界工业机器人使用统计显示，2015年全球的工业机器人的使用量已经达到了150万台，预计在2018年全球的工业机器人的使用量将会突破230万台[2]。自从2014年以来，我国已经成为了机器人消费和生产大国，在2014年的统计数据中，我国的工业机器人的生产量为5.4万台，同比2014年增长了55%，占全球的总量的1/4；同时比2004年增长了10余倍。2015年的工业机器人的生产量统计中显示，我国在2015年机器人生产约为7.2万台，比2014年增长了25%，占全球总量的1/5；我国2016年工业机器人产量达到了28万台，比2015年增长了74.3%，占全球总量的3/10，；2017年的工业机器人的生产量达到了40万台，比2016年增长了30%，占全球总量的2/5，如表1所示。

由此可见，中国的工业机器人的生产量出现逐年增长的局面，但是面临着工业对机器人的功能需求不断提高，相关的机器人技术也正在发生着革命性变化。未来的中国工业机器人市场存在着巨大的发展潜力，伴随着我国的工业企业不断转型，劳动力成本也正在不断增长，发展工业机器人技术将变得可分可行，对于降低生产成本，提高生产效益显得十分重要。

1.2 国外工业机器人的研究现状

自从工业机器人的诞生以来，国外工业机器人的发展均已经具有了一定的规模。世界工业机器人的生产规模一直保持着十分良好的生长趋势，年均工业机器人的生产率保持着10%的比例增长。主要的国际机器人公司有欧系、日系、美系以及中国制造的工业机器人。目前，世界的工业机器人主要被应用于工业生产、物流运输、商业服务以及资源探测等重要领域。各国的工业机器人的生产工人数量也有很大的差异，工业机器人的分布国家和每个地区的工业发展水平差异，直接影响了工业机器人的生产销售。工业机器人在主要工作包含点焊、弧焊、装配、涂料、冲压、物料搬运、喷涂以及材料上下等。

2 工业机器人多体系统动力学分析

工业机器人作为多体系统，其主要由多个系统组成，物体通运动连接着非常复杂的机械系统。工业机器人动力学根据多体系统的力学特性和剛体耦合多体系统动力学。多刚体系统主要指忽略系统中的物体弹性变形，将刚体作为处理系统，类似的系统则处于低速状态。多柔性系统则主要指工业机器人系统中物体出现变形，必将通过柔性体进行处理；刚柔耦合多体系统则可以看做是柔性体系统中采用刚体来处理系统的一种模式[3]。

2.1 笛卡尔方法演变及应用

工业机器人系统在解决动力学建模和自动化问题的时候，提出了多刚体建模方法，这种建模方法以系统中的每个单元作为建模的坐标体系，刚体的相对位置作为一个公共参考。工业机器人系统建模过程中刚体坐标的基点的笛卡尔坐标为坐标系的方位坐标，然后根据动力学原理系统数学模型进行求解。笛卡尔方法中单个物体位置的坐标系中，二维有三个；三维有六个。由N个刚体组成的系统中，位置坐标阵个数为3N或者6N，因此其系统的动力学模型表达形式为：

，且?（q，t）=0。?表示位置的坐标，q表示约束方程，B则表示约束方程的雅克比矩阵。

2.2 工业机器人多刚体系统动力学分析

工业机器人的多刚体系统动力学分析和仿真，是在不考虑到各种传动部件的情况下实施的对数字化仿真分析，其基本的流程为如图1所示。

其中建设虚拟样模型的方式很多，可以直接在Adams中建立，也可以通过其他的软件建模之后导入到adams环境之中。工业机器人的模型建立会多次采用模型分析方式，在具体的仿真过程中必须对cosmoswork进行环境网格划分和导入。注意在模型建立的时候应做好相应的改进工作，如前臂后臂焊接，可以有效减少adams中固定的约束，将电机安装、电机、支架以及导轨建模时，模型采用碳钢材质，其质量和电机的实际质量相符，以此确保仿真结果的正确性。将导轨、电机安装、电机和回转支架模型建立的时候，需去掉零件中不必要的圆角和倒角，以此来简化模型，方便在ansys中划分网格。

3 工业机器人的多刚体动力学仿真

3.1 设置重力加速度

工业机器人在仿真的时候，需考虑到其主要的載荷为货物重量，而机器人的自身重量可以忽略，必须通过添加相应的重力加速度，才能够实现动力系统运作。若将重力的加速度设为9.8m/s2，设置好重力加速度之后，将质量mass和质量惯性的力矩加入到部件之中[4]。

3.2 添加约束

当工业机器人的多个刚体动力学系统设置时，导入adams之后模型应添加相应的约束条件，重新添加约束条件之后，工业机器人的部件之间的约束主要由旋转副、移动副。工业机器人的底座和销轴也应添加固定副，以便于维持工业机器人的长期稳定运行。工业机器人的多刚体动力学仿真模型构建的时候，添加约束条件，主要有固定铰、旋转副以及平移副等约束。

3.3 材料的属性设置

导入模块之后对于各个部件的材料属性必须设置，同时也应加入到模型之中。一般的工业机器人的材料属性为铝合金，工业机器人的摇杆、前臂、后臂以及下臂的材料一致。工业机器人操作的货物材料也基本上为铝合金，因此货物的质量的控制恰好在50kg，其他的部件材料为Q235A。

3.4 摩擦力添加

工业机器人的各个部件之间存在着摩擦力，为了有效确保仿真，必须添加一定的摩擦力。通过摩擦力添加平衡系统的稳定，运动副添加摩擦力为工业机器人的运转提供支持。一般，工业机器人的旋转副添加摩擦力的系数为0.01。工业机器人添加摩擦力为了保证工业机器人在实际运行的过程中仿真更加真实，营造出机器人的实际运行环境。

3.5 添加驱动运动曲线

工业机器人具有四个自由度，需要向模型添加四个驱动，添加驱动分别选择回转支架和底座之间的旋转副、竖向驱动滑块和回转支架之间的移动副、水平竖向驱动滑块和回转支架之间的移动副、抓手和端节之间的旋转副。竖向驱动滑块、回转支架、水平驱动滑块和抓手的运动曲线，需要将运动曲线添加到驱动中，运动曲线包括位移曲线、速度曲线和加速度曲线，这里选择位移曲线。将四个位移曲线保存为txt格式，通过CUBSPL函数将位移曲线添加中驱动中。通过仿真得到的位移曲线的仿真时间为1.4s，采样时间为0.01s在中的仿真时间也应设为1.4s，采样时间设为0.01s。对于竖向驱动力矩，在t=0时刻，由于机械臂、货物、连杆等部件的重量的存在，要保证重量平衡，所以有一个不小的力作用在竖向驱动滑块上，竖向滑块驱动来曲线与其加速度曲线相似[5]。考虑到系统的重量，上述两者的变化规律略有不同；系统的运动曲线与竖向驱动力曲线相似，在初始阶段，在工业机器人的水平运行方向上也有一个水平驱动力，当作用到驱动滑块上时，水平滑块驱动力变化规律与其加速度变化规律也相似。

4 结束语

目前和国外的机器人技术还有一定的差距，但相信经过我们长时间的发展和努力我国的机器人技术必然会出现技术突破，在世界机器人行业赢得一席之地。工业机器人技术为工业生产提供了重要的产品质量控制保障，为企业增产提供重要支持，对于有效提高工人的工作效率和生产量具有十分重要的意义。综上所述，我们必须大力发展工业机器人技术，为我国的工业生产和国力提升有着十分重要的作用。未来的工业机器人的前景大好，随着计算技术的日益成熟，实现工业机器人技术水平飞跃将不再是梦。

参考文献：

[1] 杨亚.基于MFC控制程序的开放式工业机器人控制系统设计探究[J].内燃机与配件，2017（24）：18-19.

[2] 吴炳龙，曲道奎，徐方.基于力/位混合控制的工业机器人精密轴孔装配[J].浙江大学学报：工学版，2018（01）：165.

[3] 朱红娟.智能制造背景下高职工业机器人专业人才培养模式研究[J].机械制造与自动化，2017（06）：158-159+192.

[4] 葛鹏，胡小春.基于RecurDyn的串联机器人刚柔耦合分析[J].机械工程师，2017（12）：40-42.

[5] 郭付龙.SolidWorks在工业机器人基础教学中的应用[J].科技与创新，2017（22）：154-155.