機械臂壓力作業用榫卯結構強化發展前景分析

陶春 孫乾政 西藏大學理學院

前言

隨著工業的快速發展，機械臂的應用領域變得越加廣泛。機械臂是工程機械的重要部件，是一種多功能高效機械部件，也是當今工業領域中最常見的工業機器人之一，適合用于多種工業領域的機械自動化作業。目前機械臂的關節大多使用氣壓液壓驅動方式，保證了機械臂的靈活性和工作效率。但由于驅動本身的限制，使得部分機械臂難以執行過重的操作任務，限制了作業的任務范圍。因此，本文考慮一種機構簡單實用的機械臂結構使其擴大作業范圍，以其較低的制造成本和較高的經濟效益，在流水線生產行業將具有良好的市場前景。

榫卯是指木質纖維強度與摩擦力的結構形式，各個構件之間的結點以榫頭和卯尾相結合，構成富有彈性的框架。雖然每個構件都比較單薄，但是它整體上卻能承受巨大的壓力。這種結構不在于個體的強大，而是相互結合，相互支撐。榫卯結構特殊的構件連接方式，不但可以使結構框架承受較大的荷載，而且允許產生一定的變形，在震動荷載下通過變形抵消一定的震動能量，減小結構的震動響應。

榫卯結構強大的承受能力，對支撐的物體提供了有效的保護；又由于榫卯關節由各個構件拼接而成，使得這種可以隨時拆合；加大了器械的適用范圍的同時，便于維修，使得整體上有更長久的使用壽命和低廉簡單的維修成本。

工業方面已經對榫卯技術有了一定的引用，但由于榫卯工藝結構復雜，相應的物理模型制作困難，這使得研究榫卯結構的過程較為困難。因此，本文提出將榫卯與常規機械臂相結合的想法。將榫卯結構應用于機械臂，或將可優化機械臂各個部件的受力方式。

1 原理基礎

1.1 機械臂運動機理

機械臂作為現代科技發展的科學產物，其運動機理十分復雜，它的運動系統主要由氣壓或液壓驅動器、自由關節、剛性連桿三部分組成。從仿真人體功能的角度出發，可以將驅動視為人體的肌肉群，自由關節視為肢體關節，連桿視為骨骼。它們在電腦數據的控制下，協同作用，完成各種工業操作。它的運動主要來自關節。多個自由關節組成了復雜的運動系統，這些關節一方面維護機械臂的穩定性，另一方面驅動機械臂的運動。根據機械臂的運動形式、運動方向以及運動關節與機械臂其他部分的關系，使得機械臂完成一系列的空間操作。

1.2 榫卯支撐機理

“榫”即為凸出構件，“卯”為凹部構件。它的作用是為了連接和固定構件。榫卯結構的柔性銜接與現代的螺釘、粘合、焊接等技術不同，榫卯結構使物體與物體之間達到了完美的支撐、擠壓、摩擦，其空隙性是不同于其他銜接技術最顯著的特點。完美的展現了一種拼接美和榫卯結構的實用性。

榫卯連接是古建筑木結構中的一個非常重要的環節，古建筑木結構構件之間均采用榫卯進行連接，其在結構耗能減震方面有著極其重要的作用。榫卯連接可以通過榫頭和卯口之間的相互擠壓和摩擦滑移來抵抗外界荷載。現今國內存在大多古寺廟，歷經百千年不倒的原因便是由于其中榫卯結構優良的抗震減壓性。如法國埃菲爾鐵塔經常需要人力維護其中的螺栓螺母便是因為鋼材之間的相互擠壓使螺母松動，若是用純焊接建造更是會因為鋼材的漲縮使其斷裂，由此可見榫卯結構在支撐、抗壓、抗震各方面的優良性。現今，傳統榫卯結構在鋼鋁混合車架以及多旋翼飛行器上都有著廣泛的應用。

2 理論構型

機械臂能夠靈活自如的完成各種復雜動作與其復雜的構建結構有著密切關系。通過對普通機械臂關節的特性分析，發現氣壓液壓型驅動是使關節轉動的一個有效的結構，卻因承壓荷載而使得關節無法承載過大的壓力。因此意圖通過使用榫卯結構強化機械臂的功能性，使用簡單合理的結構來實現其功能是設計過程中需要考慮的重要因素。

為了使仿人機械臂最大限度簡化機構、降低成本，使用齒輪卡槽加持在電動推桿末端。更改了電動推桿的傳統圓柱型連桿形狀，使連桿覆蓋上可與齒輪協同作用的卡槽。轉動卡槽使得連桿成為理論組合剛體，以此來支撐機械臂關節以及連桿，防止關節或連桿由于壓力過載而引起的相對滑動。

通過對普通機械臂的特性分析，機械臂各項運動中各個部件都少不了對重物的支撐和調節整體的穩定，卻因自身驅動限制使得荷載上限較低。榫卯連接可以通過榫頭和卯口之間的相互擠壓和摩擦滑移來抵抗外界荷載，調節整體穩定性，從而達到一個對機械臂優化強化的目的。

3 可行性及難點分析

已知榫卯結構已經應用到汽車內部的連接于固定中，并取得了良好效果。由榫卯組成的支撐原件支撐效果好于焊接及螺栓固定，且便于拆和，為榫卯技術與工業相結合打下了良 好的開端。

就技術層面看，榫卯結構節點的剛度低，框架抗側壓能力較弱，同時滯回曲線捏攏現象比較明顯，抗震吸能能力偏弱，在現今設計中一般僅作為鉸接點處理。隨著現代工業的快速發展，減少勞動成本，機械自動化成為解決生產效率問題的主要方式，在加速生產流程方面，現生產線的使用離不開機械臂，而傳統的榫卯結構則不能適應機械精確度的高要求。榫卯的結構強度對于現代工業而言，其優點突出，缺點也很明顯，就其精確度而言，現代人有著更優的選擇，所以它的運用需要對固有性能進行開發和創新。

4 結論

(1）結合榫卯結構后，原本機械臂的壓力荷載上限提高，功能范圍增加，減少了流水線人力成本該機構具有較大的工作空間。

(2）榫卯技術已經與現代工業有了一定的結合，這種結構的支撐優勢適用于大多數工業產物，榫卯技術與現代工業技術上的接軌不失為工業技術發展的一大方向。

(3）對于現代工業而言，傳統的榫卯結構難以適應機械精確度的高要求，更多的是一種搭配上的選擇，而難以用作主體技術。但由于其突出的穩定性能，發展前景可觀。