机器人具有高柔性、高效性与高可靠性的特点,使其成为越来越多行业中的关键设备,尤其是在现代物流码垛系统中的应用。近年来,应用于物流码垛的码垛机器人受到国内外的普遍重视,已成为机器人应用领域研究的一个热点。但国内对码垛机器人的设计研究与国外仍有一定的差距,因此,提高码垛机器人的设计与研究能力具有重大意义。本文在中国科学院新兴战略产业项目的资助下,开展了四自由度关节式码垛机器人的结构设计、运动学分析、动力学分析、瞬态动力学分析和关键零部件的强度与刚度校核工作。首先充分调研国内外码垛机器人的发展状况。根据项目任务书的要求,分析同类型机器人的结构特征,确定码垛机器人整体构型,关节结构和驱动形式。根据载荷和运动特点,完成电机和减速机的选型计算,以SolidWorks等数字化软件为基础,详细设计机器人的机械结构。采用D-H方法建立码垛机器人连杆坐标系和转换矩阵,利用Matlab编程建立一种程序化的运动学方程,通过输入不同变量可以迅速对运动学特征参数进行优化设计。求解得到机器人的运动学反解和雅可比矩阵,完成机器人运动空间的仿真。在此基础上,运用牛顿-欧拉递推方法对机器人进行动力学分析,建立动力学方程,利用Matlab软件编程求出各个关节的驱动力矩。应用COSMOS Motion软件对码垛机器人进行动力学仿真,得到各关节驱动力矩的变化曲线,验证理论推导的准确性及相应关节电机和减速机选型的合理性,并完成机器人零部件的加工与机械本体的装配。最后,根据码垛机器人的运行工况,应用ANSYS对本体及关键零部件进行瞬态动力学分析和静力学分析。根据得到的位移和应力云图,对机器人的刚度和强度做出评价,同时也为改进机器人的结构设计提供了理论依据。