工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能提升過(guò)程中的關(guān)鍵問(wèn)題分析

楊文

摘要：隨著工業(yè)機(jī)器人的廣泛應(yīng)用，要求機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)緊湊、輕便、靈活，同時(shí)需要滿足高速、高精度、高可靠性的要求。本文對(duì)工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能提升過(guò)程中的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了分析與探討，以供參考。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);性能

中圖分類號(hào)：TP242.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）10-0078-02

0? 引言

工業(yè)機(jī)器人的開發(fā)與應(yīng)用是我國(guó)智能制造和高端制造業(yè)的重要內(nèi)容。從工業(yè)機(jī)器人發(fā)展的產(chǎn)業(yè)鏈可知，上游是關(guān)鍵核心零部件（減速器、伺服電機(jī)和控制器），中游是機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造，即是機(jī)器人的“身體”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造，下游是應(yīng)用系統(tǒng)集成。國(guó)內(nèi)企業(yè)在機(jī)器人本體設(shè)計(jì)制造方面，要求機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)越來(lái)越緊湊，越來(lái)越靈活。隨著工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用類型的廣泛發(fā)展，對(duì)機(jī)器人性能的要求也越來(lái)越高。機(jī)器人需要滿足高速、高精度、高穩(wěn)定性的要求。

1? 傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題

提高工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)精度的傳統(tǒng)方法主要是增加機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)的剛度，減小機(jī)器人機(jī)械臂在載荷作用下產(chǎn)生的變形，提高定位精度。為保證機(jī)械臂具有足夠的剛度，需使增大機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸。這種方法最直接的缺點(diǎn)就是導(dǎo)致本體負(fù)載過(guò)重，需要大功率伺服電機(jī)和大規(guī)格減速器，增加了機(jī)器人成本，消耗更多能源。同時(shí)，由于機(jī)器人本體負(fù)載大，運(yùn)動(dòng)速度慢，生產(chǎn)效率低下，難以滿足自動(dòng)化工廠生產(chǎn)要求。另一方面，采用重量輕、剛性較差的本體結(jié)構(gòu)時(shí)，在負(fù)載和高速作用下，機(jī)械臂會(huì)產(chǎn)生一定的變形及撓度，并且在停止運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于慣性會(huì)產(chǎn)生自由振動(dòng)。由于機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的剛度不同，各個(gè)關(guān)節(jié)會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)角誤差，機(jī)械臂的變形和撓度通過(guò)各節(jié)連桿被放大，并在各個(gè)關(guān)節(jié)處進(jìn)行累積，最終在機(jī)器人的末端位置處產(chǎn)生較大的誤差，降低機(jī)器人末端的定位精度，難以滿足精度要求較高的場(chǎng)合等場(chǎng)合。因此，在工業(yè)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化過(guò)程中，必須考慮機(jī)械臂結(jié)構(gòu)剛度、重量、動(dòng)態(tài)特性及振動(dòng)的影響。

2? 工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，首先，對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)計(jì)算，校核結(jié)構(gòu)件的尺寸和強(qiáng)度，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)件疲勞強(qiáng)度和壽命的計(jì)算和預(yù)測(cè)，然后在滿足工業(yè)機(jī)器人基本功能要求的條件下，合理選擇零部件的材料、結(jié)構(gòu)特征和尺寸大小，使得優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)尺寸緊湊、輕巧。

機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)優(yōu)化已從傳統(tǒng)靜載荷條件下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)逐步發(fā)展為在動(dòng)載荷條件下以現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法為基礎(chǔ)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在對(duì)工業(yè)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，需要同時(shí)考慮運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果。在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析時(shí)，可利用雅可比矩陣條件數(shù)來(lái)描述機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)空間中某一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)特性，并將其作為機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)。在進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，可將機(jī)械臂的慣量特性作為優(yōu)化指標(biāo)。利用機(jī)器人末端的速度、加速度和受力情況的動(dòng)態(tài)特性方程來(lái)對(duì)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。

在輕量化和高速度的設(shè)計(jì)目標(biāo)下，工業(yè)機(jī)器人連桿和關(guān)節(jié)的剛度對(duì)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)精度影響越來(lái)越大。這時(shí)，需要分別考慮機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)件的受力情況，將受力較大、變形較大的結(jié)構(gòu)件作為柔性體，受力較小和變形較小的機(jī)構(gòu)件作為剛性體，建立機(jī)器人剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型，根據(jù)工業(yè)機(jī)器人實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合重點(diǎn)關(guān)注的要點(diǎn)，可以分別以整機(jī)質(zhì)量、全局靜剛度及靜剛度一致性、低階固有頻率等作為優(yōu)化目標(biāo)，以應(yīng)力和變形、低階模態(tài)固有頻率、整體質(zhì)量等為約束條件對(duì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化[1]。結(jié)合現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論和方法，采用有限元方法和智能優(yōu)化算法對(duì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的需要，可以選擇單目標(biāo)或多目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。

3? 工業(yè)機(jī)器人輕量化設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)未經(jīng)過(guò)輕量化設(shè)計(jì)，機(jī)械臂笨重，本體結(jié)構(gòu)質(zhì)量過(guò)大，導(dǎo)致需要大功率電機(jī)才能正常工作，從而耗費(fèi)更多的能源，并限制了機(jī)器人負(fù)載以及工作環(huán)境。機(jī)器人本體經(jīng)過(guò)輕量化設(shè)計(jì)后，結(jié)構(gòu)件的重量大大減小，機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)時(shí)的慣性也大大減小，在保證機(jī)器人的定位精度的條件下，可增加機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)速度，提高生產(chǎn)效率和安全性，降低了能耗，減少了環(huán)境污染。機(jī)器人輕量化的基本原則是在保證機(jī)器人基本功能的穩(wěn)定、可靠和安全的前提下，通過(guò)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化和選擇輕量化材料，達(dá)到減小機(jī)器人本體重量的同時(shí)，機(jī)械臂的剛度和強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

3.1 輕量化材料

機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)主要從兩個(gè)方面進(jìn)行：輕量化材料的應(yīng)用和機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化。機(jī)器人本體設(shè)計(jì)時(shí)首先考慮的是強(qiáng)度和剛度問(wèn)題，因此，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)構(gòu)部件的材料多為強(qiáng)度和密度較大的金屬材料，如各類鑄鐵、鑄鋁、合金鋼等。這些材料密度大，并且力學(xué)性能還比一些新材料差，因此，這些材料并不是輕量化材料。

能夠進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)的材料需要滿足以下的要求：①?gòu)?qiáng)度高：保證工作安全和使用壽命。②較大的剛度和強(qiáng)度：需要具有抵抗變形的能力。③較大的震動(dòng)阻尼：需要材料吸收由于機(jī)械臂的啟停而產(chǎn)生局部的振動(dòng)。④密度小：減少傳動(dòng)部件的承受的負(fù)載和能耗。目前機(jī)器人常用的輕量化材料包括鎂合金、鋁合金、碳纖維復(fù)合材料和工程塑料等[2]。

鎂合金材料以其輕質(zhì)（密度為鋁的2/3，不到鋼的1/4）、高比強(qiáng)度等特點(diǎn)，是機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)最理想輕量化材料之一。但是鎂合金材料的強(qiáng)韌性低于鋼鐵和鋁合金材料，還不能完全替代[3]。

鋁合金也是機(jī)器人本部結(jié)構(gòu)常用的輕量化材料之一，其密度比鎂合金略大，但遠(yuǎn)小于鋼鐵材料的密度，比強(qiáng)度也遠(yuǎn)高于鋼鐵合金，因此鋁合金材料已成為在機(jī)器人本體材料應(yīng)用最多的材料之一。

碳纖維復(fù)合材料是一種新型的高強(qiáng)度高模量復(fù)合材料。碳纖維材料的強(qiáng)度是鋼鐵材料的數(shù)倍，而其密度只有鋼鐵材料的1/6 ～1/4。從強(qiáng)度和密度來(lái)看，碳纖維復(fù)合材料無(wú)疑是最理想的輕量化材料，但是，由于碳纖維復(fù)合材料加工成型復(fù)雜，成本較高，因此，如何在成型工藝和成本上找到平衡點(diǎn)，是目前的研究熱點(diǎn)。

3.2 結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法

在機(jī)器人輕量化設(shè)計(jì)方面，拓?fù)鋬?yōu)化方法已廣泛應(yīng)用于各種機(jī)器人的輕量化設(shè)計(jì)。常用的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法有：均勻化法、變密度法、漸進(jìn)結(jié)構(gòu)法、水平集法[4]、蟻群優(yōu)化和有限元分析結(jié)合使用拓?fù)鋬?yōu)化方法等。一般以機(jī)器人質(zhì)量、慣量和剛度等為優(yōu)化目標(biāo)，進(jìn)行多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。

4? 工業(yè)機(jī)械人動(dòng)力學(xué)參數(shù)辨識(shí)

機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，激振力實(shí)時(shí)變化，機(jī)械臂的姿態(tài)也實(shí)時(shí)變化，激振頻率也實(shí)時(shí)變化。當(dāng)激振力頻率接近機(jī)器人本體的固有頻率時(shí)，會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，導(dǎo)致機(jī)械臂產(chǎn)生明顯的抖動(dòng)，降低機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)精度，減小結(jié)構(gòu)件的疲勞壽命，易產(chǎn)生安全事故。因此，在工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化過(guò)程中，需要對(duì)機(jī)械臂的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)進(jìn)行分析和辨識(shí)。

機(jī)器人動(dòng)力學(xué)參數(shù)辨識(shí)方法可分為解體測(cè)量方法、CAD 方法以及整體辨識(shí)方法。解體測(cè)量是把機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆解，測(cè)量拆解零部件質(zhì)心等參數(shù)，再根據(jù)計(jì)算公式求出慣性參數(shù)值。該方法的缺點(diǎn)是無(wú)法考慮實(shí)際運(yùn)動(dòng)時(shí)各個(gè)關(guān)節(jié)摩擦、變形的影響，因此會(huì)導(dǎo)致較大的力矩偏差;CAD 方法是根據(jù)機(jī)器人3D 模型，由軟件自動(dòng)計(jì)算出相關(guān)參數(shù)。該方法的缺點(diǎn)同樣是無(wú)法考慮實(shí)際運(yùn)動(dòng)時(shí)各個(gè)關(guān)節(jié)摩擦、變形的影響;整體辨識(shí)法是指對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的運(yùn)動(dòng)軌跡，操作機(jī)器人沿軌跡運(yùn)動(dòng)，采集待測(cè)量關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力矩及關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角，通過(guò)辨識(shí)模型和辨識(shí)算法求解出慣性參數(shù)。由于該辨識(shí)方法中的機(jī)器人工作狀態(tài)與實(shí)際工況完全一致，因此辨識(shí)結(jié)果與實(shí)際值更加接近。

5? 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械臂振動(dòng)抑制

隨著工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用的要求不斷提升，對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)精度要求越來(lái)越高，機(jī)械臂在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的振動(dòng)問(wèn)題也亟待解決。工業(yè)機(jī)器人機(jī)械臂振動(dòng)的根源在于運(yùn)動(dòng)的激勵(lì)裝置。機(jī)器人的振動(dòng)來(lái)自于機(jī)器人每個(gè)關(guān)節(jié)上運(yùn)行的電機(jī)。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)是由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的，電機(jī)速度和加速度的變化就是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的變化，即產(chǎn)生振動(dòng)。在沒(méi)有激勵(lì)的條件下，在機(jī)器人的結(jié)構(gòu)件阻尼的作用下，振動(dòng)會(huì)逐漸衰減，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，最終停止下來(lái)。振動(dòng)控制理論與技術(shù)可分為被動(dòng)控制和主動(dòng)控制。被動(dòng)控制、主動(dòng)控制和軌跡規(guī)劃是機(jī)器人振動(dòng)抑制的主要方法。

5.1 被動(dòng)控制

工業(yè)機(jī)器人機(jī)械臂的被動(dòng)控制是在柔性機(jī)械臂上增加耗能或儲(chǔ)能的裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)抑制。被動(dòng)控制原理簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，但適應(yīng)性和魯棒性較弱。常用的被動(dòng)控制方法有阻尼法（在結(jié)構(gòu)上加入彈性阻尼材料）和剛度變化法。

5.2 主動(dòng)控制

主動(dòng)控制方法則采用有效的控制策略和方法對(duì)振動(dòng)進(jìn)行反向抑制或補(bǔ)償間隙，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)的抑制。根據(jù)機(jī)械臂振動(dòng)檢測(cè)信號(hào)，設(shè)計(jì)一種控制策略，控制在機(jī)械臂上施加的力或力矩的大小和方向，使得與振動(dòng)的方向相反，從而實(shí)現(xiàn)振動(dòng)的抑制。常用的主動(dòng)控制方法有 PID 控制、自適應(yīng)控制、手指輸入整形法、變結(jié)構(gòu)控制、預(yù)測(cè)控制等。

5.3 軌跡規(guī)劃

軌跡規(guī)劃方法是通過(guò)從軌跡和速度規(guī)劃的角度來(lái)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)抑制。軌跡規(guī)劃包括軌跡曲線優(yōu)化和速度與加速度的優(yōu)化。軌跡規(guī)劃中的約束條件包括最大關(guān)節(jié)加速度、最大關(guān)節(jié)加加速度以及關(guān)節(jié)輸入信號(hào)的頻率成分等。機(jī)器人軌跡曲線的優(yōu)化取決于工作任務(wù)要求，需針對(duì)特定工作任務(wù)進(jìn)行優(yōu)化限制。加速度優(yōu)化是改善機(jī)器人振動(dòng)特性的重要影響參數(shù)。軌跡規(guī)劃在一定優(yōu)化限制中可歸屬于對(duì)加速度的優(yōu)化當(dāng)中。將加加速度作為約束條件，提高了軌跡精度。

5.4 新材料和功能材料

目前，在機(jī)器人機(jī)械臂振動(dòng)控制方面，還有通過(guò)使用新材料和功能材料來(lái)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)抑制。這些新材料和功能材料主包括：壓電材料和新型復(fù)合材料。壓電材料是指具有壓電效應(yīng)的材料，主要分為壓電纖維、壓電晶體、壓電聚合物和壓電陶瓷等。壓電材料具有頻率響應(yīng)范圍寬、響應(yīng)速度快、動(dòng)態(tài)性能好、重量輕、加工安裝方便、分布式加工好等優(yōu)點(diǎn)。利用壓電材料進(jìn)行振動(dòng)控制方法主要包括：被動(dòng)控制、主動(dòng)控制、主/被動(dòng)混合控制。被動(dòng)控制方法利用正壓電效應(yīng)將振動(dòng)變形產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，利用外部電路消耗的電能實(shí)現(xiàn)振動(dòng)的抑制，但柔性差，控制效果不理想。主動(dòng)控制是利用壓電效應(yīng)、電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，通過(guò)機(jī)械變形和運(yùn)動(dòng)來(lái)抑制振動(dòng)，這種控制方法具有很強(qiáng)的適應(yīng)性和靈活性。主/被動(dòng)混合控制結(jié)合了主動(dòng)控制和被動(dòng)控制的特點(diǎn)，通過(guò)在普通阻尼材料中加入壓電材料來(lái)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)控制，具有較強(qiáng)的魯棒性、靈活性和適應(yīng)性。

6? 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能提升需要全面地從運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、輕量化設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)特性分析與參數(shù)辨識(shí)、振動(dòng)抑制等方面進(jìn)行系統(tǒng)化的分析、設(shè)計(jì)和優(yōu)化，才能從根本上提升機(jī)器人工作性能和工作效率，對(duì)促進(jìn)我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展產(chǎn)生重要影響。

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