多功能六軸機器人機械手臂結構優化設計

摘要：機械手臂的設計是目前機器人科學研究的一個熱點。這里考慮手臂的抓重、材料和運動速度，對其進行優化設計。建立了優化設計的數學模型，使用J）KL）M軟件分析目標函數的性態并設計變量的可行域，求得機械手臂最優尺寸。在滿足條件的情況下，使手臂質量最小，證明了該設計可以滿足預設動作要求。

關鍵詞：機械手臂;優化設計;強度條件

機械手臂種類較多，每個類型的手臂之間結構之間存在著顯著的差異。因為其內部根據特殊要求的電子電路和設計的圓截面棒。考慮到經濟和美觀的需求，采用等強度部分（即每個部分的壓力相等但尺寸不相等）設計。機械手臂軸承是維持一只手和手腕的一個重要組成部分，它的作用是使得手抓住物體以及處理由于指定位置的要求。這是設計負載的情況下必須的手臂，手臂結構設計方案質量最小。

1、機械手臂關節結構優化選型

機械臂結構優化的最主要的方面是對機械臂關節結構形式的選取，結構優化主要是對于機械臂傳動設備、旋轉設備以及制動設備的優化。機械臂關節部分可以分為輸入端子和輸出端子。關節部位的電動輸入部分，輸入端子需要對關節的制動設備進行優化的配置，從而使得制動裝置和機械臂的下一部分關節進行有效的輸入輸出連接，前一級的輸入和后一級的輸出可以采用平行設置或者垂直設置。如果選擇垂直設置，可以使用渦輪蝸桿的方式，然而渦輪蝸桿的方式可能對機械臂的制動產生一定的影響，因此大多數機械臂關節的輸入設備和輸出之間采用平行的方式連接。這種平行的方式也可以分為兩種，分別是中心軸平行和軸距平行。[1]比如說，“精神”火星車設置的機械臂的關節恰好采用的是軸距平行的方式。此類方式的結構不復雜、能量傳輸效率高、傳輸距離短，然而此種連接方式的占有空間較大，各個部分都需要非常嚴格的尺寸控制，從而增加了整個系統的成本。

2、結構參數的優化設計

2.1設計變量的確定

機械手的設計變量包括腰部回轉體高度l1，大臂的長度l2，小臂長度l3，腰部回轉角α1，肩關節旋轉角α2，肘關節旋轉角α3，為了減少參數優化過程中的計算量，設定以移動平臺上表面為參考面，逆時針旋轉為正角度，底座高度h為240mm，腰部回轉角α1=45°，肩關節轉角α2=+50°，肘關節旋轉α3=-50°，由于最后兩個自由度只用來調整末端執行器的位姿，這樣，優化設計的變量就只剩大臂的長度l2和小臂的長度l3。[2]

2.2目標函數的確定

本優化設計目的是在滿足采摘區域高度和實際采摘區域面積最大化時，得到結構最緊湊的機械臂。以機械手臂末端執行器在XOY平面內需要達到的范圍所圍成的面積為目標函數，使得末端執行器的工作空間（bxw）包含在內時該目標函數為最小值。

3、改進方案分析

3.1方案設計

本文在對機械臂結構分析的基礎上，提出了模塊化的機械臂優化的方案，對機械臂進行模塊化的拆分，進而對各個模塊分別優化，然后經過硬件的連接將優化后的各個模塊聯合運動。通過機械臂的控制模塊將機械臂電機、位置傳感器以及其他控制器進行合理的集成化，最后通過一定的整合，形成一個完整的機械臂運動系統。機械臂的結構優化的重點在于對機械臂的一些重要部位進行模塊化的設計及優化。通過此種模塊化的結構設計、開發周期短、機械效率高、結構緊湊的每一部分;模塊使用標準化的設計方法，具有良好的兼容性，且易于維護。同時，因為沒有互動模塊，所以可以請求根據自由度，自由組合各種模塊，減少了機械臂的開發成本，通過對機械臂模塊化的設計控制方式簡單、控制耦合性高、控制效率高、機械手臂系統由幾個模塊的接線也很方便。

3.2優化計算

我們將用于求解優化設計數學模型的方法或尋優的方法稱為優化計算方法。對于機械優化設計問題，求解常常需要經過多步迭代，最終收斂得到最優解。這里運用數學規劃方法的理論，根據數學模型的特點，利用MATLAB軟件進行輔助優化計算與設計，以求得機械手臂的最佳設計參數。

3.3優化設計

如圖1將原結構兩條水平加強筋改為十字形加強筋，并將加強筋伸到支架邊緣，去掉一側翻邊。[3]在不降低原結構其他方向剛度情況下提高彎曲剛度，以便提高支架的一階固有頻率。

改進后的擋泥板支架的前四階固有頻率都有明顯提高，一階彎曲固有頻率由原來的 27.5Hz 提高到 86Hz，提高了213%，遠超過了發動機怠速激振頻率。不會發生怠速共振現象，滿足使用要求。

參考文獻：

[1] 劉罡.柔性機械臂控制研究[J]. 南方農機，2015.

[2] 史先鵬.模塊化移動機械臂運動規劃與控制[D].廣州：華南理工大學，2010.

[3] 謝凡.CAD 技術在機械設計中的應用[J].南方農機，2015.

作者簡介：夏明（1996.05-），山東交通學院本科學生，指導老師：李光。