计算机虚拟仿真技术在学科竞赛中的应用与实践

马 宏，尚腾蛟，田 阳，刘春东,3*

（1.河北建筑工程学院，河北 张家口 075000；2.张家口市智能机械技术创新中心,河北 张家口 075000；3.河北省机械基础教学示范中心，河北 张家口 075000）

0 引言

计算机虚拟仿真技术是随着计算机发展起来的全新技术，具有逼真性、实时性和交互性等特征[1]，在学科竞赛中起到的作用也越来越重要，特别是在工科专业竞赛中。[2]。本文以全国工程实践与创新能力大赛为例，应用计算机虚拟仿真技术设计物流搬运机器人，快速获取最终设计方案。

1 智能物流搬运机器人赛项的设计要求

要求机器人的外形尺寸不超过300×300×400（单位mm）的空间范围。物料包络在直径为50 mm，高度为70 mm的圆柱形空间范围内。物料放置在原料区物料架上，物料架设置上下两层，每层放置3个，料架及物料放置如图1所示。机器人搬运上述物料。

图1 料架及物料放置

机器人运行至抓取工位后依次抓取上层的物料，之后机器人运行至粗加工区将物料依次放置在对应的色环内，再将粗加工区的物料依次抓取，运行至半成品区，将料仓内物料按照任务要求再次放置色环内。作业地图如图2所示。

图2 机器人搬运作业地图

以上即为上层物料的抓放要求。完成上层物料的抓放之后，机器人再次重复上述动作，将下层物料完成搬运。

2 应用计算机仿真技术进行设计

2.1 机器人底盘仿真设计

选用SolidWorks作为本次虚拟仿真的软件，设计机器人主体结构板尺寸为298×298 mm；选用直流电机与麦克纳姆轮式结构作为驱动单元，同时将灰度传感器、电路托板等结构通过计算机仿真技术进行结构仿真并完成虚拟装配，如图3所示。

图3 机器人底盘虚拟仿真设计

2.2 机械臂虚拟仿真设计

根据物料形状，机械爪上下两支开合结构。选用可单独水平运动的连杆式机械臂，结合抓取和放置工位的运行摆角，设计大臂和小臂的结构；进行虚拟仿真设计，并完成装配，如图4所示。

图4 机械臂虚拟仿真设计

2.3 机器人整机虚拟仿真设计

将上述设计完成底盘、机械爪和机械臂进行仿真装配，完成整机装配，如图5所示。

图5 机械人整机虚拟仿真设计

完成后进行机构和理性检验以及总体尺寸验证，符合设计要求的空间范围。同时，通过计算机运动仿真验证机械臂的工作范围，以满足各抓取和放置的作业范围要求。

3 结语

本文以工程实践与创新能力大赛为例，将计算机虚拟仿真技术应用到智能物流搬运机器人的结构设计中，有效地提高了作品的设计效率。偏重于动手能力的工科竞赛往往需要加工和制造实物参赛，在作品设计过程中应用计算机虚拟仿真技术可以提高设计效率，并降低设计成本。