移動服務機器人機械臂的結構設計

濱州學院機場學院 孫夢圓 張寶國

2018年3月5日，李克強總理在政府工作報告中四次提到“智能”，特別提到“加強新一代人工智能的開發(fā)和應用”和“發(fā)展智能產業(yè)”以實施“2050年中國制造”。近年來，隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，老齡化問題越來越突出。“空巢老人”現(xiàn)象引起了人們的特別關注。這一現(xiàn)象促進了助老助殘機器人技術的發(fā)展。目前，我國大部分服務機器人的機械臂結構都是通過經(jīng)驗將工業(yè)機器人的結構轉變?yōu)榉諜C器人的結構，這種結構往往存在機械臂質量過大、操作不便、安全性低、響應速度慢等缺點。因此，為了實現(xiàn)服務機器人機械臂的合理化設計，特別是輕量化、高剛度、舒適性、安全穩(wěn)定的設計，對于提高人機交互的安全性和工作靈活性具有重要意義。

1 機械臂的結構設計

機械臂系統(tǒng)是一個典型的機電一體化系統(tǒng)，機械臂在移動服務機器人中起著重要作用。本課題的目標是為移動服務機器人設計一款輕量化、高剛度、舒適性、安全穩(wěn)定的機械臂。

1.1 選擇機械臂的構型

機械臂構造形狀的確定對機械臂有著至關重要的影響，為了使得機械臂抓取物體時準確判斷物體所處的位置以及讓機械臂移到指定的地點，機械臂的自由度是其機械臂構造形狀選擇的重要因素。我們知道，對人類手臂自由度是如何分布的，機器人學中提出關于七自由度的劃分理論，這也是目前機器人學中所普遍采用的理論。而實際上，空間中任何一個剛體具有六個自由度，就可以實現(xiàn)對此剛體的抓取。手臂構造形狀如圖1所示：

圖1 有關機械臂的造型形式

對于機械臂的構造形式進行關于靈活程度的評價，給出機械臂有關操作度的公式：

X是關于當前情況下機械臂在每個方向難易程度的綜合評價分析值，它是一個標量，通過上式有關機械臂操作度的評價指標來看，可以從理論上評價出機械臂的最合適的造型形式。但上式只是關于機械臂的部分操作度的值的計算，并不能進行操作度的完全評價，為了使可操作度的計算具有較為準確的評價，在整個工作空間中進行任意一個坐標點的全局相對操作度值為：

其中，為空間中任意一坐標點的全局相對可操作度值。當?shù)闹翟叫r，機械臂在這個點表現(xiàn)出比較笨拙的現(xiàn)象，相反，表現(xiàn)出機械臂在這個點的運動比較靈活。本文要對機械臂的構造形狀進行更為準確的靈活性對比，在整個工作空間中要對點進行選取。實驗室為了讓實驗結果更接近真實性，在整個空間中對點進行隨機性選取，一共選取了2400個點，并對隨機選取點處進行操作度值的計算。為了讓實驗結果更清晰地呈現(xiàn)出來，選擇用條形統(tǒng)計圖的方法進行的取值等級分類；當?shù)闹翟叫r，可操作性的等級程度越小，相反，可操作性的等級程度越大；利用此規(guī)律，進行實驗結果統(tǒng)計分析；之后，再對值落在各等級中的點數(shù)進行合計統(tǒng)計。按照實際情況的要求與規(guī)律，制定靈活程度等級區(qū)域的分界線為0.6，當可操作度的值在0.6以下時，機械臂的運動顯得較為笨拙；當可操作度的值在0.6以上時，機械臂的運動較為靈活，通過對于以上結果進行分析統(tǒng)計可得到其高低對比如圖2所示。

由圖2(a)可知，機械臂的造型3、造型4中分布在等級較高的區(qū)間中的隨機點較少，造型1、造型2中分布在等級較高的隨機點數(shù)很多，其所占用的比例較大。由圖2(b)可知，比較機械臂的四種造型形式可知，造型1中操作度值≥0.6的點數(shù)最多。所以，相比較造型2、3、4來說，遠不如造型1的靈活性；可以看出，造型1的靈活性最好，實際上造型1也是最接近人體手臂的構型，更能實現(xiàn)機械臂模擬人體手臂進行運動。所以選擇機械臂的最終造型方法為造型1。

圖2 不同機械臂造型形式靈活性高低對比

1.2 尺寸及關節(jié)轉角范圍的確定

眾所周知，服務機器人為了讓其為人類服務，尺寸模型是進行機械臂設計時應該考慮的首要因素，其尺寸設計從人體工程學的理論出發(fā)，參考人的關節(jié)轉角以及外形尺寸，讓其最終具有良好的宜人性和親切感，各部分具有與人相比較而類似的比例協(xié)調性。本文根據(jù)亞洲人的身材比列特點，加之考慮本文移動服務機器人的最終服務對象是老年人，經(jīng)過課題組的走訪調查、深入老人家里了解情況，與老人交流互動之后得到值得大家需要注意的地方，還考慮到老年人會發(fā)生彎腰駝背現(xiàn)象，為了方便老年人與服務機器人進行人機交互，制定了機器人的尺寸大小；確定機器人初始身高1.78m，頭部高度為0.23m，兩肩寬0.48m，大臂長0.34m，小臂長0.26m，手腕長0.10m，為了讓機器人的每個部分達到最優(yōu)的效果，尺寸模型并不是確定的，可以在不影響人機交互的情況下在一定區(qū)間內浮動。

對于人體手臂而言，各種復雜的動作是由于各個關節(jié)的轉動，要使機械臂在運動過程中更加靈活，需要使其各個關節(jié)有合理的轉角范圍。

表1 各個關節(jié)的轉角范圍

將人體手臂運動范圍與表1中的各個關節(jié)的轉角范圍比較可知，人體手臂的轉動范圍可以達到的范圍對于機械臂來說也可以達到，進一步比較可得知，機械臂在一定的情況下，其轉動大小還可以超出人的手臂的轉角大小；因此，人體手臂可以完成的系列復雜動作對于機械臂而言，也可以順利地完成。

1.3 電機選擇

電機選擇首先考慮的是電機類型，其次，還要考慮其對應關節(jié)所承受的最大力矩、最大角速度，這樣，就可估算出需要采用電機的功率，所以，電機峰值堵轉功率成為一個需要考慮的重要參數(shù)。對于其他參數(shù)，就按照最優(yōu)方式選擇。一般電機在低速工作下力矩很小，也不能達到機械臂關節(jié)力矩所需要的要求，所以，對于每個電機都要加減速器。這就可以使電機在低轉速下產生大力矩。因此，選用具有減速功能的步進電機。

1.4 各關節(jié)力矩計算

各關節(jié)的驅動元件和傳動件選型為動力參數(shù)要求提供重要依據(jù)。下僅以計算關節(jié)5處電機的力矩和功率為例來說明計算過程。計算如下：

手抓和負載的質量，重力同理可求得：驅動模塊6的重力為9.8N，手腕連接件和端蓋重力是5.05N，又因為關節(jié)5、6之間的質心距離為，關節(jié)末端負載與關節(jié)5之間的距離為。因此，關節(jié)5的力矩又考慮機械臂由于運行過程需要進行加速、減速運作，因此會產生一定的慣性力，為了進行力矩修正，在原來各力矩的值的基礎上乘1.1倍算出的值作為最后結果，由此可以算出可修正之后的關節(jié)5處的力矩的最大值為按照上述的計算方法，注意有關關節(jié)修正之后力矩的最大值極限情況為功率的最大值。又因為關節(jié)5的角速度的最大值是，因此關節(jié)5處的電機的功率的最大值，按照同樣的方法可求得剩下各關節(jié)轉矩的最大值和功率的最大值如表2所示：

表2 各關節(jié)電機轉矩的最大值和功率的最大值

通過計算結果與通過Adams軟件進行對6個關節(jié)驅動力矩仿真驗證，數(shù)值計算得到的力矩與通過仿真得到的力矩比較可得，前者的值都大于后者的值，根據(jù)計算結果可以對驅動系統(tǒng)進行選擇，故強大的驅動力矩就可以通過驅動模塊的數(shù)據(jù)得到。

2 機械臂結構輕量化

在服務機器人領域中，一個非常重要的角色就是結構輕量化，輕量化機械臂在探索未知世界、進行軍事勘察、工業(yè)加工應用、服務幫助于人類方面有了較為全面的發(fā)展，并且在未來的高新技術產業(yè)的帶動與國際市場的刺激下，移動服務機器人的應用面更為廣泛，一系列為滿足人類需求的移動服務機器人的市場將大規(guī)模地在中國市場開放，未來將是人工智能的時代，因而，移動服務機器人也將成為此次市場空前開放的一個被帶動的巨大產業(yè)。輕量化機械臂相對傳統(tǒng)工業(yè)機器人有著獨特優(yōu)點：質量輕、精度高、占地小、靈活便捷、安全性高。通過材料輕量化和拓撲輕量化來對整個機械臂進行輕量化設計。

2.1 材料輕量化

為了實現(xiàn)機械臂的結構輕量化，合理的選擇機械臂的材料顯得尤其重要。現(xiàn)在市場上多采用鋁合金來作為服務機器人機械臂框架結構的主要材料，在機械臂可以選擇的材料中又以2A12鋁合金較為常見。

但是通過實踐經(jīng)驗，實驗室得到2A12鋁合金存在一些缺點，由于屈服強度比較低使得通過2A12鋁合金設計的機械也較強、固溶處理后塑性好。將兩種材料的鋁合金的性能進行對比如表3所示臂結構安全系數(shù)也比較低。7075-T6鋁合金強度高、質量輕、導熱導電性更好、可延展性：

表3 2A12鋁合金與7075—T6鋁合金性能對比

從表3中可以看出，在有兩種性能相同的情況下，即兩種材料泊松比和彈性模量相同時，對于屈服強度來說，2A12鋁合金的明顯低于7075-T6鋁合金的，且7075-T6鋁合金的密度低于2A12鋁合金。可見，7075-T6鋁合金在降低了機械臂的重量的同時屈服強度得到提高。所以，本課題機械臂結構的材料采用性能更好的7075-T6鋁合金。

2.2 拓撲輕量化

拓撲優(yōu)化的過程是把需要優(yōu)化的區(qū)域分割成多個部分的小區(qū)域，再對這些小區(qū)域進行某些規(guī)定的優(yōu)化，也就是按照一定的設計方案和優(yōu)化方法，從某些分割出來的小區(qū)域中再去除某些區(qū)域，使用剩下的區(qū)域來對結構的最優(yōu)拓撲進行表達。使用相對密度法時，劃定的設計區(qū)域的密度為變化的數(shù)值，并且其值可以在0～1之間變動。如果單位密度為1，則表明材料應保留；如果單元密度為0，則可以刪除材料以獲得結構材料的最佳分布。拓撲優(yōu)化設計的步驟如圖3所示：

圖3 拓撲優(yōu)化設計的步驟

為了使大臂在進行完拓撲優(yōu)化后具有可靠的安全性，對其優(yōu)化前后進行結構強度校驗。通過建立機械臂的大臂有限元模型并且對優(yōu)化前、后的模型加入相關的約束條件后，進而得到機械臂的大臂拓撲優(yōu)化前、后的應力圖4和位移圖5。

對比圖4中的(a)、(b)和圖5中的(c)、(d)可知，在拓撲優(yōu)化前、后機械臂大臂的應力的最大值分別是34.85Mpa、35.58Mpa，大臂的應力最大值相對變化不太大，并且都在材料的許用應力范圍之內，安全系數(shù)也較大；拓撲優(yōu)化前、后機械臂大臂的位移的最大值分別是0.1789mm、0.2103mm，二者相差也不太大，并在大臂可以接受的誤差范圍內。而拓撲優(yōu)化前、后大臂的質量分別為2.102kg、1.787kg，可見，優(yōu)化后質量減重達15.05%，減重效果十分明顯。

圖4 拓撲優(yōu)化前后應力圖

圖5 拓撲優(yōu)化前后位移圖

3 結論

本課題主要是針對現(xiàn)階段國內機械臂的結構設計存在的不足進行可行性的探索，通過機械臂構型的確定、尺寸以及關節(jié)轉角范圍的確定、電機的選擇、各關節(jié)力矩的計算對其結構設計進行清晰地選擇；在結構輕量化上，主要通過材料輕量化和拓撲輕量化進行研究，最后在實驗室進行機械臂建模；最終實現(xiàn)機械臂輕量化、高剛度、舒適性、安全穩(wěn)定的特點。本文的研究對加強人機交互的安全性以及機械臂工作的靈巧性都有著重要的意義。

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