六自由度機器人系統(tǒng)設(shè)計研究

曾照軍

摘 要 隨著工業(yè)機器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大以及現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，人們對工業(yè)機器人性能的要求越來越高，高速、高精度、智能和模塊化成為目前工業(yè)機器人發(fā)展的主要趨勢。本文研究六軸工業(yè)機器人的系統(tǒng)設(shè)計，可以提高工業(yè)機器人性能的利用率和工作效率，對于工業(yè)機器人在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用具有廣泛的實際意義。

關(guān)鍵詞 六自由度機器人；驅(qū)動；系統(tǒng)設(shè)計

工業(yè)機器人是多學(xué)科交叉的綜合性學(xué)科，集力學(xué)、機械工程、電子工程、機械自動化、計算機科學(xué)技術(shù)、傳感器技術(shù)、人工智能等多種先進(jìn)技術(shù)于一體。隨著工業(yè)機器人的快速發(fā)展，其在汽車制造、機械加工、焊接、熱處理、上下料、打磨拋光、搬運碼煤、裝配、噴涂、檢測等作業(yè)中得到越來越多的應(yīng)用。下面主要以六自由度機器人為例對其系統(tǒng)進(jìn)行分析。

1 機器人系統(tǒng)

從原理上講，其由四部分組成：控制裝置部分機械、本體部分、執(zhí)行裝置部分、傳感器部分。

1.1 控制裝置部分

包括通訊、人機交互以及控制系統(tǒng)三部分，其功能是響應(yīng)上位機的信號，并使機器人系統(tǒng)按照要求完成動作。

1.2 機械本體部分

包括底座、臂部、手腕、末端操作器等部分，每一部分都有若干自由度，構(gòu)成一個多自由度的機械系統(tǒng)。

1.3 執(zhí)行裝置部分

即用來驅(qū)動機械系統(tǒng)動作的驅(qū)動系統(tǒng)，根據(jù)驅(qū)動源的不同，驅(qū)動系統(tǒng)可以分為電氣、液壓、氣壓三種以及把他們結(jié)合起來應(yīng)用的綜合系統(tǒng)。

1.4 傳感器

檢測外部信號，并以某種形式發(fā)送給控制系統(tǒng)，作為拉制系統(tǒng)的外部輸入信號[1]。

2 機器人總體方案設(shè)計

2.1 設(shè)計原則

（1）可靠性原則：可靠性問題對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，環(huán)節(jié)較多的機器人極其重要，其貫穿到設(shè)計開發(fā)的各個環(huán)節(jié)：方案確定-本體設(shè)計-部件選擇-制造-調(diào)速。

（2）轉(zhuǎn)動慣量最小原則：為使機器人工作效率大幅提高，機器人在由一個工序結(jié)束處運動到另一個工序開始處時常以極高的速度運動，產(chǎn)生嚴(yán)重的振動和沖擊。為減少機器人沖擊和振動，提高運動的平穩(wěn)性及動力學(xué)特性，需采用轉(zhuǎn)動慣量最小原則。方法之一就是盡量減少各零部件的質(zhì)量。

（3）高強度設(shè)計原則：機器人從基座到末端，各零件作為一個運動部件的同時是其他部件的負(fù)載，例如腕部是一個運動部件，同時又是小臂的負(fù)載，小臂是以運動部件的同時又是大臂的負(fù)載，為此對于機器人材料的強度就要求較高，使機器人本體質(zhì)量減較。

（4）高剛度設(shè)計原則：在機器人本體結(jié)構(gòu)方面，剛度比強度顯得更為重要。為了使即度增大，可以盡可能選用抗彎、扭轉(zhuǎn)剛度較高的截面形狀，如封閉型空瓜截面，以提高支撐剛度和接觸剛度。同時，為降低臂桿的彎曲變形，可以合理安排受力位置。

2.2 結(jié)構(gòu)類型選擇

本文以某型號六自由度機器人為原型設(shè)計了一款機器人，結(jié)構(gòu)形式為關(guān)節(jié)型，6個關(guān)節(jié)全部為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，確定的基本技術(shù)參數(shù)如下：手腕負(fù)載（額定3Kg，最大4kg）；最大工作半徑540mm；自由度6；關(guān)節(jié)速度J1 370°/S、J2 370°/S、J3 430°/S、 J4 300°/S、J5 460°/S、J6 600°/S；關(guān)節(jié)范圍 J1±170°、J2±40°/-160°、J3±40°/-220°、J4±185°、J5±125°、J6±360°；瞬間容許最大轉(zhuǎn)矩為J5 35NM、J6 24NM；重量為28kg；重復(fù)定位精度為±0.08mm；工作溫度為0～40°C。

2.3 驅(qū)動系統(tǒng)的選擇

交流伺服電機動作靈敏，快速響應(yīng)性好，控制準(zhǔn)確，而且體積小，慣性小，驅(qū)動力矩高，價格也較便宜，所以在業(yè)機器人系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。鑒于此，本文選取交流伺服電機作為動力源。

在設(shè)計的初級階段，需要粗略估算機器人負(fù)載情況下的功率，由于機械臂的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量等沒有確定，只能根據(jù)機器人的工作要求進(jìn)行估算。當(dāng)一個初步的設(shè)計完成時，每個關(guān)節(jié)的參數(shù)已經(jīng)確定，這樣可以估算每個關(guān)節(jié)驅(qū)動電機所需的功率。考慮到機器人在很多時候工作在加減速的狀態(tài)下，因此，既要考慮額定速度情況下的功率，又要考慮加、減速功率；當(dāng)電機的功率確定后，再根據(jù)負(fù)載為矩、加減速功率及最大轉(zhuǎn)速選定合適的電機，然后進(jìn)行電機參數(shù)的確定及電機的校核。根據(jù)計算和經(jīng)驗選擇合適的電機及相應(yīng)的驅(qū)動器。本課題機器人采用多摩川的伺服電機和歐瑞的伺服驅(qū)動器。

2.4 傳動系統(tǒng)設(shè)計

本文旨在開發(fā)一款電機和減速機均內(nèi)置于機器人臂內(nèi)的輕量型機器人，同時要考慮電機線纜的穿線問題，以達(dá)到美觀的效果，為了使機器人各部件尺寸盡可能的小，同時使整個機器人電機的線纜內(nèi)置，確定各個關(guān)節(jié)的傳動方式如表1所示：

2.5 運動控制器選型

本文六自由度機器人六個電機的控制是通過固高科技的GUC-T系列嵌入式運動控制器，型號為GUC-800-TPG-M23-L2-F4G，是固高科技將舊M-PC及其兼容機為主機和運動控制卡結(jié)合為一體的產(chǎn)品。GUC-T系列控制器可W工作于脈沖模式也可以工作于模擬量模式，本文中運動控制器的控制模式選擇開環(huán)脈沖控制模式，根據(jù)運動控制器和伺服驅(qū)動器用戶手冊確定運動控制器和伺服驅(qū)動器的軸信號線引腳定義，成對信號用雙絞屏蔽線[2]。

3 結(jié)束語

六自由度關(guān)節(jié)式機器人其需要研究內(nèi)容涉及多學(xué)科，技術(shù)交叉性很強，本題涉及內(nèi)容有限。工業(yè)機器人特別是六自由度上的機器人的軌跡規(guī)劃是一個復(fù)雜的過程，由于機器人本身和操作過程中的環(huán)境等影響因素很多，研究出一套符合各種情況的系統(tǒng)算法很有必要。這些算法的程序化是今后研究的重點。

參考文獻(xiàn)

[1] 周科.六軸工業(yè)機器人設(shè)計與軌跡規(guī)劃方法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.

[2] 孫群，張龍，趙穎.基于虛擬樣機技術(shù)的六自由度機械手建模與仿真[J].機械設(shè)計與制造，2013，（07）：178-181.