多關節液壓機械臂結構設計*

曹金玲，羅 迎

(榆林學院 能源工程學院，陜西 榆林 719000)

機器人系統主要由機械結構、傳感器系統、控制系統和信息處理系統等部分組成[1]。機器人的研究內容涉及許多方面，主要包括機械結構設計、體系結構設計、電子電路各種接口設計、運動學建模、動力學建模、機器人仿真平臺研制、移動機器人定位、路徑規劃、環境建模和多個傳感器的信息獲取及融合技術等[2-4]。機器人的機械結構形式選擇和設計非常重要。就機器人結構而言，機器人在各種領域和場合，特別是在極端條件下(如深海中)，開展豐富而具創造性的工作是很困難的[5-7]。而多關節機械臂則具有動作靈活、運動慣性小和通用性強等特點[8]，液壓驅動控制的機械臂在低速和重載環境下有不可替代的作用，為此本文介紹了液壓機械臂的體系結構設計和機械結構設計等內容。

1 液壓機械臂的體系結構及機械結構設計

機器人的體系結構通常也稱為機器人控制器的體系結構，是指把感知、建模、規劃、決策和行動等多種模塊有機結合起來，從而在靜態、動態環境中完成目標任務的機器人結構架構。目前，機器人的體系結構主要有3種：慎思式體系結構、基于行為的反應式體系結構和混合式體系結構[9]。

慎思式體系結構是基于功能分解的體系結構，按照“感知-建模-規劃-執行”的模式來實現機器人的學習和控制，如圖1a所示。基于行為的反應式體系結構不依賴于規劃，而是將感知直接映射為動作，即機器人在整個動作空間是按照行為來分解，如圖1b所示。其典型的機械結構如圖2所示。

圖1 機器人體系結構

圖2 液壓機械臂的機械結構圖

2 液壓機械臂總體方案設計

機械臂的架構框圖如圖3所示。

圖3 機械臂的架構框圖

機械臂由本體、制動器、控制器以及內、外傳感器等構成。在控制器作用下，利用液壓驅動，按相應順序，在規定的時間和速度下實現本體結構運動軌跡，且內傳感器對本體關鍵點的位移和速度進行采樣，超出誤差閾值時發出警告并采取規定動作，從而在動作實現的條件下保證了精度。

執行機構包括手部、手腕、手臂、立柱和行走機構等部件。手部采用夾持式，由手指(或手爪)和傳力機構所構成。手指運動形式為回轉型，傳力機構多由連桿式、斜桿式和滑槽連桿式等結構組成。關節部分則全部用銷聯接。典型的滑槽連桿式手部結構受力示意圖如圖4所示。

圖4 滑槽連桿式手部結構受力示意圖

3 液壓機械臂試驗設計

3.1 設計要求及技術參數

機械臂的手指為夾持器，執行動作為抓緊和放松；要抓緊的工件直徑為80 mm，工件質量為8 kg，材質為45號鋼；放松時2爪最大距離為110～120 mm，1 s抓緊，夾持速度為20 mm/s；由液壓缸提供動力。

3.2 機械臂伸縮液壓缸結構驗算示例

伸縮缸采用某系列液壓缸，伸縮缸剖面如圖5所示，尺寸系列初選伸縮缸徑和活塞桿直徑分別為100和60 mm。進行必要的簡單計算。選取P=0.4 MPa，驅動力F為：

F=PπR2=0.4×106×3.14×(0.052-0.032)=

2 010 (N)

測得手腕質量為50 kg，設計加速度a=10 m/s2，則慣性力F1為：

F1=ma=50×10=500 (N)

考慮活塞等的摩擦力，設定摩擦因數k=0.2，則摩擦力Fm為：

Fm=kF1=0.2×500=100 (N)

慣性力和摩擦力的合力F0為：

F0=F1+Fm=600 (N)

由于F0

液壓機械臂其余工作機構(包括平衡、導向和升降等運動形式實現)的結構設計與伸縮缸類似，不做過多贅述。

圖5 伸縮缸剖面示意圖

3.3 液壓控制系統

驅動系統方案設計：采用葉片泵供油壓，動作順序從原位開始，依次為升降臂下降→夾持器夾緊→升降臂上升→底座快進回轉→底座慢進→手腕回轉→伸縮臂伸出→夾持器松開→伸縮臂縮回；待工件加工完成后，伸縮臂伸出→夾持器夾緊→伸縮臂縮回→底座快退(回轉)→底座滿退→手腕回轉→升降臂下降→夾持器松開→升降臂上升原位停止→準備下次循環。

在綜合考慮各液壓缸的換向回路、調速方式、緩沖回路和系統可靠性等因素后，繪制液壓系統如圖6所示。

圖6 機械臂液壓系統簡圖

從圖6可以看出液壓系統動作順序控制原理。例如要完成降臂上升動作，待手部夾緊動作完成后，由控制器發出信號，使得7YA和2YA通電，壓力油經閥21右位，經閥23進入液壓缸下腔，上腔油液經閥24，閥21右位回油箱。升降速度由閥24調節。

4 結語

上述內容是對液壓機器人機械臂的結構設計研究。試驗設計結果表明，所采用的設計原理可靠，設計流程規范，基本達到了設計要求。設計中出現了機構穩定性問題，為此需要在接下來的工作中進行仿真計算，優化設計參數，提高系統在非結構化環境下的魯棒性，并降低設計成本。

[1] 張培仁，楊興明.機器人系統設計與算法[M].合肥：中國科學技術大學出版社，2008.

[2] 馮毅.擺動式機械手機構運動與PLC控制的研究[D].沈陽：沈陽工業大學，2011.

[3] 江應國.注塑機下料專用機械手的設計與研究[D].贛州：江西理工大學，2009.

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[8] 李明，栗全慶.基于PLC的液壓搬運機械手設計[J].機床與液壓，2009,37(8)：100-103.

[9] 何芹，原政軍，姚龍元.用于方形物件裝卸液壓機械手的設計[J].機床與液壓，2010，38(18)：38-40.

*榆林學院校級科研項目(14YK25)

陜西省教育廳科學研究項目(14JK1858)