機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計與其性能分析

李順治 齊鵬 王凱

摘 要：機(jī)械手臂應(yīng)用到機(jī)器人工業(yè)化操作中，具有工作空間大，靈活性好等優(yōu)勢，但同時，由于機(jī)械手臂的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，驅(qū)動功率、能耗等范疇也存在一些問題。在這種結(jié)構(gòu)模式下，關(guān)節(jié)處成為機(jī)器人末端負(fù)載的主要承受點(diǎn)。在操作過程中，機(jī)械臂的驅(qū)動功率、能耗方面也會有增加。對此，本文從機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計及其性能的角度進(jìn)行分析，分別進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計、驅(qū)動能耗分析、剛度特性分析。

關(guān)鍵詞：機(jī)械手臂 結(jié)構(gòu)設(shè)計 性能分析

中圖分類號：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）11（a）-0-03

傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人在關(guān)節(jié)內(nèi)減速器、齒隙等方面的結(jié)構(gòu)設(shè)計方面存在問題，容易導(dǎo)致工業(yè)機(jī)器人在工作中存在傳動的誤差。本文從具有機(jī)械臂的機(jī)器人系統(tǒng)出發(fā)，對機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行設(shè)計，提出了采用平行四邊形框架對角推缸驅(qū)動的形式，并對其性能進(jìn)行了分析。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

首先，確定機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

從圖1可以看出，回轉(zhuǎn)單元、大臂、小臂、腕部等、這些都是機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)成。回轉(zhuǎn)是機(jī)器人機(jī)械臂及腕部的功能，運(yùn)動可以呈現(xiàn)兩個維度——水平與垂直的自由運(yùn)動。此外，機(jī)器人腕部可以操作俯仰及擺動等動作。本文研究的機(jī)械手臂與傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)械手臂在結(jié)構(gòu)形式上有所不同，如圖1所示的機(jī)械手臂均采用的是平行四邊形框架對角線電動缸驅(qū)動形式，具體操作是經(jīng)離合器驅(qū)動絲杠來實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動，絲杠經(jīng)絲母通過旋轉(zhuǎn)運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動。

機(jī)器人的基座部分提供了一個自由度的回轉(zhuǎn)運(yùn)動，伺服電機(jī)與蝸桿成為兩個驅(qū)動力，分布在蝸輪兩側(cè)，蝸輪在回轉(zhuǎn)軸的帶動下，機(jī)器人立柱實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)。本文所研究設(shè)計的機(jī)器人機(jī)械手臂采用的是雙電機(jī)驅(qū)動的結(jié)構(gòu)形式，能夠通過蝸輪蝸桿大傳動來代替減速器的功能，如圖2所示。

基于差動原理，機(jī)器人腕部得以設(shè)計完成，借助U型支撐件來實(shí)現(xiàn)，錐齒輪及擺軸是差動輸出部分，借助俯仰軸和擺軸，從2個自由度對兩側(cè)蝸輪轉(zhuǎn)動，進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動。而且，通過消隙控制，腕部完成無間隙傳動，確保傳動部件在封閉空間內(nèi)進(jìn)行傳動，如圖3所示。

此外，基于工業(yè)應(yīng)用需要，工業(yè)機(jī)器人還進(jìn)行了防護(hù)設(shè)計，主要體現(xiàn)在機(jī)械手臂關(guān)節(jié)上，具體來看，是通過密封圈密封的方式，保護(hù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動的大臂、小臂等桿件間部分，從而確保回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)內(nèi)部軸承的防護(hù)。

2 驅(qū)動能耗分析

2.1 機(jī)械手臂驅(qū)動功率及能耗模型

根據(jù)前文中對機(jī)器人機(jī)械手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計，設(shè)定小臂運(yùn)動角度范圍為θ1∈[0，70]，大臂的俯仰運(yùn)動夾角為θ3∈[0，70]，設(shè)定機(jī)器人的水平距離達(dá)到3460mm，如圖4所示。

2.2 驅(qū)動功率比較分析

本文研究設(shè)計的四自由度重載型工業(yè)機(jī)器人，主要用于搬運(yùn)、碼垛等工作事項。在進(jìn)行驅(qū)動功率的比較中，主要是針對機(jī)械臂與臂長l1=l2=1500mm與等效二連桿機(jī)械臂進(jìn)行比較，計算出功率結(jié)果。得出機(jī)器人機(jī)械手臂大臂長度為1400mm，運(yùn)動范圍為-130°～17.5°；小臂等效長度為1572mm，運(yùn)動范圍為-110°～145°。

通過計算得出，本文研究設(shè)計的機(jī)器人機(jī)械手臂的大臂功率降低范圍約為20%～80%，而小臂的驅(qū)動功率與二連桿的機(jī)械臂是相當(dāng)?shù)摹?/p>

3 剛度特性分析

3.1 電動缸剛度優(yōu)化

機(jī)械手臂的剛度優(yōu)化主要是由機(jī)械臂桿件和電動缸的剛度來決定的。對此，本文從對電動缸度優(yōu)化的基礎(chǔ)上來對機(jī)器人剛度特性進(jìn)行分析。

3.2 剛度建模

3.3 剛度計算

對機(jī)器人的機(jī)械手臂桿件進(jìn)行有限元計算分析，主要判斷桿件的等效抗拉剛度及抗彎剛度，得出具體的數(shù)據(jù)如表1所示。

通過計算比較，機(jī)器人機(jī)械手臂的腕部結(jié)構(gòu)等效為剛體處理，導(dǎo)致剛度數(shù)值的計算結(jié)果要略大于有限元的計算結(jié)果。

通過分析，第一，機(jī)械臂俯仰達(dá)到了一定的角度，電動缸容易與框架發(fā)生沖突，因此限制了機(jī)械手臂的俯仰角度；第二，與工業(yè)機(jī)器人的尺寸與四自由度相比，本文研究的機(jī)械手臂工作空間相近，可是綜合剛度更理想，而且也能夠充分提升機(jī)械手臂的搬運(yùn)、碼垛能力。

參考文獻(xiàn)

[1] 徐海黎，解祥榮，莊健，等.工業(yè)機(jī)器人的最優(yōu)時間與最優(yōu)能量軌跡規(guī)劃[J].機(jī)械工程學(xué)報，2010，46（9）：19-25.

[2] 苑飛虎，趙鐵石，邊輝，等.重載并聯(lián)運(yùn)動模擬臺機(jī)構(gòu)動力特性分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2014，45（9）：311-317.

[3] 鹿玲，姚建濤，顧偉棟，等.基于Kane方程的冗余驅(qū)動5UPS/PRPU并聯(lián)機(jī)床動力學(xué)分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2016，47（6）：366-372.