柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂剛度的研究

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂在我國各領(lǐng)域的應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大，而質(zhì)量輕、體積小、能耗低等優(yōu)點(diǎn)則是其快速發(fā)展的落腳點(diǎn)所在，為此本文就柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂剛度展開了具體研究，希望這一研究內(nèi)容能夠柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂的剛度優(yōu)化帶來一定啟發(fā)。具備質(zhì)量輕、體積小、能耗低等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂；剛度；計(jì)算

結(jié)合人類社會(huì)的各種生產(chǎn)活動(dòng)不難發(fā)現(xiàn)，柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂已經(jīng)開始在多個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)世界范圍內(nèi)的廣泛應(yīng)用，機(jī)械加工、航天科技、焊接、農(nóng)業(yè)機(jī)械等領(lǐng)域的柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂應(yīng)用都屬于這一應(yīng)用的具體表現(xiàn)，而為了保證這種應(yīng)用能夠更好服務(wù)于我國經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展，正是本文就柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂剛度展開具體研究的原因所在。

1 柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂概述

對(duì)于柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂來說，其本身是為了較好滿足柔性型機(jī)器人發(fā)展需求而誕生的，而結(jié)合柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂的相關(guān)定義，我們可以將柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂劃分為彈性材料機(jī)械臂連桿柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂、剛性構(gòu)成機(jī)械臂連桿柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂兩種，本文的研究對(duì)象為剛性構(gòu)成機(jī)械臂連桿柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂。對(duì)于本文所研究的柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂來說，諧波齒輪減速器和力矩傳感器的應(yīng)用是其柔性實(shí)現(xiàn)的主要原因，而想要保證柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂能夠較好服務(wù)于相關(guān)柔性機(jī)器人，我們就必須重視柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂的剛度[ 1 ]。

對(duì)于很多領(lǐng)域的柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂來說，剛度是其主要結(jié)構(gòu)技術(shù)指標(biāo)，而這種剛度的保證則能夠?yàn)槿嵝躁P(guān)節(jié)機(jī)械臂的動(dòng)態(tài)耦合效應(yīng)減輕、載荷與動(dòng)應(yīng)力降低帶來較為有力的支持，不過由于一些應(yīng)用于特殊領(lǐng)域的柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂本身對(duì)于質(zhì)量有著較為嚴(yán)格的要求，這就使得很多時(shí)候柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂的剛度與質(zhì)量要求往往不能夠得到同時(shí)滿足，這種情況下我們就需要進(jìn)行這類柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂的剛度研究，并通過相關(guān)計(jì)算保證柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂的剛度能夠得到較好優(yōu)化[ 2 ]。

2 關(guān)節(jié)剛度計(jì)算

在本文就柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂剛度展開的研究中，筆者選擇了安裝在航天器外部的空間機(jī)械臂作為研究對(duì)象，這一柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂本身由關(guān)節(jié)、臂桿和前端執(zhí)行器構(gòu)成，配置有6個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度且每個(gè)自由度設(shè)置為一個(gè)關(guān)節(jié)，肩部、肘部與腕部是這一關(guān)節(jié)的主要設(shè)置位置。而對(duì)于這類柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂的關(guān)節(jié)來說，電機(jī)與諧波減速器是其關(guān)節(jié)的具體構(gòu)成，而為了較好就這一柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂剛度展開研究，我們就需要建立該柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂的臂桿剛度模型、關(guān)節(jié)剛度模型以及機(jī)械臂剛度模型[ 3 ]。

2.1 柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂臂桿剛度模型

2.2 柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂關(guān)節(jié)剛度模型

2.3 柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂剛度模型

除了上述剛度模型的建立外，為了能夠較好完成本文就柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂剛度展開的研究，我們還需要?jiǎng)?chuàng)建柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂剛度模型，結(jié)合本文選擇的柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂剛度，我們能夠得出這一柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂受力為Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz，而通過對(duì)這一柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂肩部俯仰關(guān)節(jié)、肘部俯仰關(guān)節(jié)、腕部俯仰關(guān)節(jié)的力矩計(jì)算，柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂的變形計(jì)算，以及關(guān)節(jié)的扭轉(zhuǎn)變形、臂桿的變形、臂桿的變形角、關(guān)節(jié)引起的變形、由臂桿引起的變形計(jì)算，我們就能夠得出具體的柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂剛度模型，但由于受篇幅原因限制，本文不對(duì)這一模型進(jìn)行具體描述。

3 計(jì)算實(shí)例

在取得柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂剛度模型后，我們就可以進(jìn)行具體的柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂剛度優(yōu)化，這一優(yōu)化需要考慮關(guān)節(jié)優(yōu)化配置、臂桿優(yōu)化配置、關(guān)節(jié)與臂桿質(zhì)量分配等內(nèi)容。其中關(guān)節(jié)優(yōu)化配置需要采用拉格朗日乘數(shù)法構(gòu)造函數(shù)計(jì)算，而通過這一計(jì)算我們能夠得出采用強(qiáng)度高密度小、軸向長度短、柔輪壁較厚的諧波減速器將較好實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)優(yōu)化；而在臂桿優(yōu)化配置中，我們同樣需要結(jié)合拉格朗日乘數(shù)法構(gòu)造函數(shù)展開計(jì)算，這一計(jì)算能夠得出臂桿應(yīng)采用低密度高剛性材料的結(jié)論；而在關(guān)節(jié)與臂桿質(zhì)量分配的計(jì)算中，我們需要結(jié)合上文求得的關(guān)節(jié)與臂桿質(zhì)量分配展開具體計(jì)算，而這這一計(jì)算能夠得出臂桿的直徑應(yīng)盡可能大這一結(jié)論。

4 結(jié)論

在筆者就柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂剛度展開的研究中，筆者以航天器外部的空間機(jī)械臂作為研究對(duì)象，并詳細(xì)論述了柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂、關(guān)節(jié)剛度計(jì)算、計(jì)算實(shí)例等內(nèi)容，希望這一內(nèi)容能夠?yàn)橄嚓P(guān)研究人員帶來一定啟發(fā)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 黃華.柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂的建模及控制研究[D].湖南工業(yè)大學(xué)，2014.

[2] 王海，周璇，夏小品，李晗.柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂的非線性控制策略研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2014，（01）：22-26.

[3] 黎田.柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂及其運(yùn)動(dòng)學(xué)標(biāo)定和振動(dòng)抑制的研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012.

[4] 顧義坤，倪風(fēng)雷，劉宏.基于RENN的柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂自適應(yīng)動(dòng)態(tài)面控制[J].控制與決策，2011，（12）：1783-1790.

作者簡介：

賈士周（1989-），男，漢族，河北邯鄲人，河北工業(yè)大學(xué)研究生，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)及理論。