李順治 齊鵬 王凱

摘 要：機械手臂應用到機器人工業(yè)化操作中，具有工作空間大，靈活性好等優(yōu)勢，但同時，由于機械手臂的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，驅(qū)動功率、能耗等范疇也存在一些問題。在這種結(jié)構(gòu)模式下，關(guān)節(jié)處成為機器人末端負載的主要承受點。在操作過程中，機械臂的驅(qū)動功率、能耗方面也會有增加。對此，本文從機械手臂結(jié)構(gòu)設計及其性能的角度進行分析，分別進行了結(jié)構(gòu)設計、驅(qū)動能耗分析、剛度特性分析。

關(guān)鍵詞：機械手臂 結(jié)構(gòu)設計 性能分析

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）11（a）-0-03

傳統(tǒng)工業(yè)機器人在關(guān)節(jié)內(nèi)減速器、齒隙等方面的結(jié)構(gòu)設計方面存在問題，容易導致工業(yè)機器人在工作中存在傳動的誤差。本文從具有機械臂的機器人系統(tǒng)出發(fā)，對機械手臂結(jié)構(gòu)形式進行設計，提出了采用平行四邊形框架對角推缸驅(qū)動的形式，并對其性能進行了分析。

1 結(jié)構(gòu)設計

首先，確定機器人的整體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

從圖1可以看出，回轉(zhuǎn)單元、大臂、小臂、腕部等、這些都是機器人整體結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)成?；剞D(zhuǎn)是機器人機械臂及腕部的功能，運動可以呈現(xiàn)兩個維度——水平與垂直的自由運動。此外，機器人腕部可以操作俯仰及擺動等動作。本文研究的機械手臂與傳統(tǒng)工業(yè)機械手臂在結(jié)構(gòu)形式上有所不同，如圖1所示的機械手臂均采用的是平行四邊形框架對角線電動缸驅(qū)動形式，具體操作是經(jīng)離合器驅(qū)動絲杠來實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動，絲杠經(jīng)絲母通過旋轉(zhuǎn)運動來實現(xiàn)直線運動。

機器人的基座部分提供了一個自由度的回轉(zhuǎn)運動，伺服電機與蝸桿成為兩個驅(qū)動力，分布在蝸輪兩側(cè)，蝸輪在回轉(zhuǎn)軸的帶動下，機器人立柱實現(xiàn)回轉(zhuǎn)。本文所研究設計的機器人機械手臂采用的是雙電機驅(qū)動的結(jié)構(gòu)形式，能夠通過蝸輪蝸桿大傳動來代替減速器的功能，如圖2所示。

基于差動原理，機器人腕部得以設計完成，借助U型支撐件來實現(xiàn)，錐齒輪及擺軸是差動輸出部分，借助俯仰軸和擺軸，從2個自由度對兩側(cè)蝸輪轉(zhuǎn)動，進行回轉(zhuǎn)運動。而且，通過消隙控制，腕部完成無間隙傳動，確保傳動部件在封閉空間內(nèi)進行傳動，如圖3所示。

此外，基于工業(yè)應用需要，工業(yè)機器人還進行了防護設計，主要體現(xiàn)在機械手臂關(guān)節(jié)上，具體來看，是通過密封圈密封的方式，保護回轉(zhuǎn)運動的大臂、小臂等桿件間部分，從而確?；剞D(zhuǎn)關(guān)節(jié)內(nèi)部軸承的防護。

2 驅(qū)動能耗分析

2.1 機械手臂驅(qū)動功率及能耗模型

根據(jù)前文中對機器人機械手臂的結(jié)構(gòu)設計，設定小臂運動角度范圍為θ1∈[0，70]，大臂的俯仰運動夾角為θ3∈[0，70]，設定機器人的水平距離達到3460mm，如圖4所示。

2.2 驅(qū)動功率比較分析

本文研究設計的四自由度重載型工業(yè)機器人，主要用于搬運、碼垛等工作事項。在進行驅(qū)動功率的比較中，主要是針對機械臂與臂長l1=l2=1500mm與等效二連桿機械臂進行比較，計算出功率結(jié)果。得出機器人機械手臂大臂長度為1400mm，運動范圍為-130°～17.5°；小臂等效長度為1572mm，運動范圍為-110°～145°。

通過計算得出，本文研究設計的機器人機械手臂的大臂功率降低范圍約為20%～80%，而小臂的驅(qū)動功率與二連桿的機械臂是相當?shù)摹?/p>

3 剛度特性分析

3.1 電動缸剛度優(yōu)化

機械手臂的剛度優(yōu)化主要是由機械臂桿件和電動缸的剛度來決定的。對此，本文從對電動缸度優(yōu)化的基礎(chǔ)上來對機器人剛度特性進行分析。

3.2 剛度建模

3.3 剛度計算

對機器人的機械手臂桿件進行有限元計算分析，主要判斷桿件的等效抗拉剛度及抗彎剛度，得出具體的數(shù)據(jù)如表1所示。

通過計算比較，機器人機械手臂的腕部結(jié)構(gòu)等效為剛體處理，導致剛度數(shù)值的計算結(jié)果要略大于有限元的計算結(jié)果。

通過分析，第一，機械臂俯仰達到了一定的角度，電動缸容易與框架發(fā)生沖突，因此限制了機械手臂的俯仰角度；第二，與工業(yè)機器人的尺寸與四自由度相比，本文研究的機械手臂工作空間相近，可是綜合剛度更理想，而且也能夠充分提升機械手臂的搬運、碼垛能力。

參考文獻

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