輕型機械臂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計柴迪

柴迪 郁雯霞

摘 要：21世紀將會是機器人的時代，誰在機器人領(lǐng)域占據(jù)了先機，誰就占據(jù)了競爭的優(yōu)勢。在中國制造2025計劃之下，我國大力發(fā)展質(zhì)量輕、占地小、精度高、負載大、便利性和模塊化的輕型機械臂，這標志著我國的機器人技術(shù)又上了一個臺階。文章針對輕型機械臂的設計問題，對機械臂的結(jié)構(gòu)設計進行了優(yōu)化，以提升機械性能。

關(guān)鍵詞：輕型；機械臂；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；設計

中圖分類號：TP241 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）31-0043-02

Abstract： The 21st century will be the era of robotics： those who occupy the first opportunity in the field of robotics will occupy the competitive advantage. Under the "Made in China 2025" plan， our country vigorously develops light weight， small footprint， high precision， heavy load， convenience and modularization of the light mechanical arm， which marks a stage when the robot technology in our country has reached a new level. Aiming at the design problem of the light manipulator， the structure design of the manipulator is optimized in order to improve the mechanical properties.

Keywords： light weight； mechanical arm； structural optimization； design

輕型機器人不僅能夠降低成本、提升效率、促進工作效益，而且和傳統(tǒng)機器人相比，更加安全可靠，人機協(xié)作性更好，通過可持續(xù)重復編程可以更好地適應新環(huán)境和新任務。美國、瑞典、丹麥、德國都開發(fā)了智能化的輕型機器人。丹麥Universal Robotics公司推出的UR機器人具備模塊化、輕型、安全、人機交互與較高精度的特點；美國Rethink公司推出的雙臂機器人Baxter是高智能機器人，具備視覺和觸覺多種反應能力。瑞典ABB公司推出的YuMi機器人有視覺和嗅覺功能，為了確保安全還在靈活的雙臂上配備了軟性材料，并且用最新的力傳感技術(shù)。德國庫卡公司的新型機器人LBR iiwa延續(xù)了德國技術(shù)一貫高精度的特點，被用于電子、醫(yī)藥、高精度加工等行業(yè)。我國機器人技術(shù)雖然處于領(lǐng)先水平，但是和這些國家相比，技術(shù)還比較落后，精度上有待進一步提高。

1 輕型機器人所帶來的深刻變革

1.1 輕型機器人開啟了機械自動化時代

傳統(tǒng)工業(yè)機器人依賴人類操作，輕型機器人產(chǎn)業(yè)化發(fā)展對精密電機、伺服驅(qū)動、機器人控制器等核屯、部件相關(guān)的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)將會產(chǎn)生顯著的帶動作用。高端智能裝備制造業(yè)由于具備技術(shù)先進、知識密集、附加值高、成長性好，關(guān)鍵性強、帶動性大等特點，是衡量一國高端制造能力的重要標志，能夠更快地實現(xiàn)高速、高精度、高效率的特點和生成高質(zhì)量產(chǎn)品的目標。輕型機器人能夠加快智能化和自動化的腳步，通過機器人的感知能力實現(xiàn)對環(huán)境和工作對象自主判斷和決策，能夠代替人類在危險環(huán)境下作業(yè)，并且廣泛應用于焊接、機械加工、搬運、裝配、分掠、噴涂等各種行業(yè)，能夠有效提高產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量和效率。

1.2 輕型機器人能夠帶動高端產(chǎn)業(yè)發(fā)展

目前世界上技術(shù)最發(fā)達的國家比如荷蘭、美國、德國、瑞典、瑞士都是高智能機器人的制造大國，其高端設備大大地提升了國家競爭力，占據(jù)了80%以上的國際機器人市場份額。相比之下，我國高端機器人技術(shù)還比較落后，受到場地影響較大，制造成本較高，中小企業(yè)難以承受，編程不適合環(huán)境變化，自主決策能力低，安全性較差，成本效率上存在劣勢。而未來在航空航天、軍事領(lǐng)域、危險作業(yè)、高精度行業(yè)、家庭服務等領(lǐng)域輕型機器人都會扮演重要角色，為提升我國高端技術(shù)發(fā)展水平，發(fā)展輕型機器人卻有必要。

1.3 輕型機器人推動了人機和諧的腳步

傳統(tǒng)機器人質(zhì)量大，工作起來危險性高，令人望而生畏，而輕型機器人采用模塊化技術(shù)，能夠更好地實現(xiàn)人機協(xié)作，在結(jié)構(gòu)和算法上都能夠?qū)崿F(xiàn)獨立控制。這將會推動人類進入智能時代，盡管我們對智能世界的發(fā)展是未知的，但是目前看來智能化的趨勢難以逆轉(zhuǎn)，誰在智能化的競爭中落后，誰就處于不利的位置。輕型機器人利用傳感器技術(shù)，一旦和人發(fā)生超過過大的作用力，就會自動停止接觸，并且可以實現(xiàn)多種應用情境，這有利于人機和諧。

2 輕型機器臂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計

2.1 整體設計思路

本文的機械臂具有6個自由度，頂端能夠安裝手爪和攝像設備等感應器，機械臂的質(zhì)量為18kg，負載能力為6kg，采用模塊化關(guān)節(jié)，活動范圍在360度，產(chǎn)生的噪音低，關(guān)節(jié)活動速度最大可達180度每秒，工作期限不低于30000個小時。在設計上使用緊湊結(jié)構(gòu)簡單，驅(qū)動系統(tǒng)、制動系統(tǒng)及傳感裝置集于一體，能夠?qū)崿F(xiàn)大扭轉(zhuǎn)和高精度，運行過程中較為平穩(wěn)，目前市場上機械臂的制造多出自于用戶需求，缺乏標準化設計，因此通過模塊化可以彌補這些缺陷，任何部件一旦損耗即可更換，這也彌補了傳動效率低的不足。本設計采用采取中也布線的方式，中心孔設計較大，避免外部走線造成纏繞和震動。采用標準接口通過螺栓傳遞力來連接各個關(guān)節(jié)，利用連桿連接關(guān)節(jié)。采用機電一體化設計方式，每個關(guān)節(jié)單獨控制，在控制器上設置通訊和電源接口，方便線路安裝。采用分布式控制，以測量力矩來反饋系統(tǒng)。

2.2 動力源和驅(qū)動優(yōu)化設計

動力源可以采用交流電和電池雙重模式，我國傳統(tǒng)機械臂采用交流電作為主要模式，這種方式能夠保證長期工作，供電充足，但是移動不便。本文采用的是交流電充電電池，在特定場景下，電池可以自動更換，為了避免溫度過高出現(xiàn)功能障礙，設置溫度保護功能。在一般場景下采用交流電工作，并且提供電池更換功能，確保在一般環(huán)境下能夠持續(xù)供電。本文采用電動驅(qū)動的方式，采用簡單結(jié)構(gòu)設計，以諧波傳動作為減速方案，具有精度高，剛度大等優(yōu)點，能夠承受較大轉(zhuǎn)矩。

2.3 制動器優(yōu)化設計

電擊和減速器沒有制動功能，會造成停電時機器受到慣性影響發(fā)生轉(zhuǎn)動，所以本文采用了掉電制動器，用以防止危險和掉電平衡，保持機械臂的固定姿態(tài)，機械臂的末端執(zhí)行器的制動距離小于1mm，制動力矩為13.8N·m。要盡量節(jié)省空間，減輕轉(zhuǎn)子重量，降低空轉(zhuǎn)磨損，不影響伺服電動機的響應性。

2.4 編碼器優(yōu)化設計

編碼器按工作原理可分為絕對值編碼器和增量式編碼器，前者無需記憶，后者要回到初始記憶。為了提升精度，本文采用絕對值編碼器，絕對值安裝在傳感器之中。為了提升優(yōu)化程度本文采用超薄型絕對值編碼器，實現(xiàn)了小型化和低背化，用MR傳感器進行多圈檢出，備份動作時也能高速應答，沒有對角速度的限制，能夠獲得溫度信息，不需要信號調(diào)整，寫入讀取更加方便，能夠?qū)φ`差進行補正。

2.5 軸承優(yōu)化設計

本機器臂采用滾動軸承，以起到支撐部件、承受負載、減少摩擦的作用，為降低軸向載荷及徑向載荷，本文選用一對深溝球軸承和一對推力球軸承。深溝球軸承之間采用軸套定位，以脂潤滑，在計算當量動載荷之后進一步優(yōu)化。

2.6 整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計

在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計中要經(jīng)過精密計算，具體來說要導入三維幾何模型進行計算，賦予材料密度、彈性等屬性，劃分網(wǎng)格，施加約束和載荷，再進行具體求解。拓撲優(yōu)化的計算如果顯示在外殼的螺栓孔和曲面處所受應力巧變形較大，那么就要在這里提高材料的機械性能，比如增加厚度，如果在外殼外側(cè)變形和應力都比較小，就可以降低厚度，減小質(zhì)量。一般通過計算之后的優(yōu)化設計，可以根據(jù)計算結(jié)果減小質(zhì)量，一般對大模塊和外殼進行優(yōu)化。

3 進一步優(yōu)化設計

3.1 有限元分析和運動學分析

通過結(jié)構(gòu)離散化、單元分析、整體法分析和約束處理并求解方程深入分析力學特性和結(jié)構(gòu)特點。進而進行靜力學分析，重點分析機械臂關(guān)鍵部件，比如外殼、電機、整臂等。同時通過研究動態(tài)特性來驗證機器臂的分布結(jié)構(gòu)是否合理，避免發(fā)生局部共振，找出機械臂的薄弱環(huán)節(jié)進行改善，以提高效率。通過分析機械臂的正運動和逆運動確定機械臂的工作范圍，在此基礎上優(yōu)化機械臂的工作軌跡。同樣，建立機械臂的動力學仿真，測量各個關(guān)節(jié)力和力矩的變化，確保機械臂平衡運行。

3.2 散熱系統(tǒng)優(yōu)化

機械臂的散熱系統(tǒng)設計至關(guān)重要，在進行繁重工作時，機器人會嚴重發(fā)熱，散熱不好是當前機械臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化面臨的最主要的問題。輕型機械臂高速運動時可以達到3000轉(zhuǎn)每分鐘，這讓零部件溫度大幅提高，會嚴重影響機器使用壽命，同時發(fā)熱過高還意味著磨損加重，所以散熱設計也意味著降低包括摩擦在內(nèi)的損耗。本機械臂結(jié)構(gòu)的散熱設計主要采用了降低摩擦、增加傳動、加入冷卻液、增加傳熱結(jié)構(gòu)、增加傳輸介質(zhì)等方式。本機械臂采用類似人類散熱的方式，在金屬管道中加入冷卻液，并且讓冷卻液在發(fā)熱時慢慢滲出，實現(xiàn)了機械臂的流汗。同時，多采用滾動方式降低摩擦，在源頭降低熱量。

4 結(jié)束語

要實現(xiàn)輕型機械臂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計，關(guān)鍵是選取合適的部件和材料降低質(zhì)量，提升物理特性，在結(jié)構(gòu)設計中要充分采用模塊化設計，使各個機構(gòu)都能實現(xiàn)自我控制，本文在設計中充分采用了仿人化的設計，比如引入了機械臂流汗散熱的思維，這一思想在設計中要充分運用，機械臂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化要多利用傳感器技術(shù)，選擇最適合自身的結(jié)構(gòu)。

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