王振 辛洪兵 周順豪

摘 要

目的：針對某型仿人機(jī)器人的需求，完成其四自由度機(jī)械臂的肩關(guān)節(jié)、上臂、肘關(guān)節(jié)及前臂的關(guān)節(jié)一體化和輕量化設(shè)計。方法：利用SolidWorks進(jìn)行三維建模，并利用ABAQUS進(jìn)行有限元仿真驗證。結(jié)果：完成了應(yīng)力應(yīng)變分析，結(jié)果表明機(jī)械臂前臂末端在承受6倍額定負(fù)荷的情況下產(chǎn)生的應(yīng)力未超過機(jī)械臂結(jié)構(gòu)所用材料的屈服極限，機(jī)械臂產(chǎn)生的最大位移小于20mm。結(jié)論 該機(jī)械臂設(shè)計滿足某型仿人機(jī)器人的設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞

仿人機(jī)器人;關(guān)節(jié)一體化;輕量化設(shè)計;有限元仿真

中圖分類號： TP242 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.09.054

0 前言

機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)自1960年代初問世至今，已經(jīng)發(fā)展成為集機(jī)械、電子、計算機(jī)、材料、傳感器、控制技術(shù)、人工智能等多門科學(xué)于一體的技術(shù)學(xué)科，在各種類別的機(jī)器人中，仿人機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、集成度最高，而仿人機(jī)械臂作為仿人機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)一直是國內(nèi)外研究的熱點[1-4]。仿人機(jī)械臂作為機(jī)器人發(fā)展的高級階段，是仿人學(xué)與機(jī)械臂領(lǐng)域應(yīng)用需求的結(jié)合產(chǎn)物，其作為仿人機(jī)器人的重要執(zhí)行部分，具有一些和人體手臂類似的功能，如拿取、拉動、推動以及舉起或抬起物體等[5]。

1 四自由度機(jī)械臂設(shè)計

1.1 四自由度機(jī)械臂設(shè)計要求

某型仿人機(jī)器人四自由度機(jī)械臂的設(shè)計重點在于輕量化和關(guān)節(jié)一體化設(shè)計，表1為仿人機(jī)器人的四自由度機(jī)械臂的設(shè)計要求，其最基本的要求在于機(jī)械臂的關(guān)節(jié)運動形式與人體手臂相似，在符合人體上肢運動機(jī)理的原則下進(jìn)行分配機(jī)械臂的自由度和尺寸設(shè)計。

1.2 總體方案設(shè)計

驅(qū)動部件是機(jī)械臂的動力來源，其選擇也是機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點。仿人機(jī)械臂驅(qū)動方式選擇的依據(jù)主要為性能、重量、傳動效率等方面。目前，大多數(shù)的仿人機(jī)器人采用的關(guān)節(jié)驅(qū)動方式主要有三種，分別為液壓驅(qū)動、伺服電機(jī)驅(qū)動以及人工氣動肌肉驅(qū)動。液壓驅(qū)動具有可以輸出大的推力或大轉(zhuǎn)矩，可實現(xiàn)低速大噸位運動，在相同功率下，液壓驅(qū)動裝置體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，但是油的泄露和液體的可壓縮性會影響執(zhí)行元件運動的準(zhǔn)確性，無法保證嚴(yán)格的傳動比，且油溫的變化比較敏感，能量損失較大。人工肌肉傳動具有體積小、重量輕、靈活方便以及輸出力大的優(yōu)點，但是輸出力和輸出力矩相對較小，傳動效率低，并且因為空氣的壓縮性，不易實現(xiàn)精密控制。相比之下，采用伺服電機(jī)驅(qū)動關(guān)節(jié)運動，能夠?qū)崿F(xiàn)精確地位置控制，結(jié)合體積緊湊的諧波減速器，可以有效地解決電機(jī)輸出力矩較小的缺點。綜合考慮，最終采用直流伺服電機(jī)和諧波減速器配合的驅(qū)動方式，使該仿人機(jī)械臂具有尺寸小、運動靈活、結(jié)構(gòu)可靠、負(fù)載自重比高的特點。

在確定了仿人機(jī)器人四自由度機(jī)械臂的驅(qū)動方式后，仿人機(jī)器人的四自由度機(jī)械臂設(shè)計方案如圖1所示。

1.3 關(guān)節(jié)一體化及輕量化設(shè)計

為了提高空間利用率、減小傳動誤差以及提高定位精度，將電機(jī)和諧波減速器進(jìn)行一體化設(shè)計，利用電機(jī)外殼和諧波減速器的鋼輪進(jìn)行螺栓連接，電機(jī)輸出軸和諧波減速器輸入軸直連。

對機(jī)械臂的輕量化主要體現(xiàn)在兩個方面。一方面對驅(qū)動關(guān)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，將電機(jī)和諧波減速器上一些非應(yīng)力集中區(qū)進(jìn)行打孔、開槽等一系列減重處理，另一方面在進(jìn)行驅(qū)動關(guān)節(jié)的連接結(jié)構(gòu)設(shè)計時，采用一體化設(shè)計的方式，盡可能減少連接組件的數(shù)量，在保證連接剛度的同時，完成輕量化的要求。圖為第一驅(qū)動關(guān)節(jié)與第二驅(qū)動關(guān)節(jié)的連接部件，該部件利用螺栓與諧波減速器的鋼輪進(jìn)行連接，為了避免工作時減速器軸承上的潤滑油流出造成污染，在部件上設(shè)計了如圖2（b）所示的油封槽，并利用該槽與O型圈配合使用防止?jié)櫥托孤丁?/p>

仿人機(jī)械臂機(jī)構(gòu)布局時，應(yīng)使四個驅(qū)動關(guān)節(jié)的重心兩兩處于同一軸線上，以此來避免不必要的額外轉(zhuǎn)動慣量。

2 機(jī)械臂總體機(jī)械設(shè)計

確定仿人機(jī)器人四自由度機(jī)械臂的自由度分布、結(jié)構(gòu)構(gòu)型以及各關(guān)節(jié)連接形式后，在易于加工和便于拆裝維修的原則下完成機(jī)械臂的總體設(shè)計，采用SolidWorks三維建模，仿人機(jī)械臂的總體實體如圖3（b）所示，圖3（a）為仿人機(jī)器人四自由度機(jī)械臂的機(jī)構(gòu)簡圖。機(jī)械臂的末端裝有執(zhí)行器連接件，可以根據(jù)工作環(huán)境的不同更換不同的執(zhí)行器。

3 有限元分析

有限元分析步驟分為前置處理、計算求解和后置處理三個階段，以下在Simulation和ABAQUS中分別對其進(jìn)行靜力學(xué)和模態(tài)分析。

3.1 靜力學(xué)分析

結(jié)構(gòu)材料選用7075-T6鋁合金，其質(zhì)量密度為2810kg/m3、楊氏模量7.199X1010N/m2、泊松比0.33，在設(shè)置好邊界條件后，對仿人機(jī)械臂前臂的末端同時施加兩個正交方向的6倍額定負(fù)荷進(jìn)行檢驗，其仿真結(jié)果如圖4所示。

靜力學(xué)分析的結(jié)果表明，機(jī)械臂的末端同時施加兩個正交方向的6倍額定負(fù)荷，產(chǎn)生的最大應(yīng)力為4.5X108N/m2，小于材料的屈服極限，機(jī)械臂前臂末端產(chǎn)生的最大位移為11.6mm，未超過預(yù)設(shè)的最大變形量15mm，最大應(yīng)力與最大位移的分析結(jié)果表明該仿人機(jī)械臂滿足設(shè)計要求。

3.2 模態(tài)分析

模態(tài)分析主要用于確定結(jié)構(gòu)和機(jī)械零部件的振動特性，在結(jié)構(gòu)振動過程中，超過90%的能量集中在前6階模態(tài)中，高階模態(tài)能量比重較小，對機(jī)構(gòu)的影響可以忽略。則前6階模態(tài)振型如圖5所示，圖6為前六階的模態(tài)分析數(shù)據(jù)。

模態(tài)分析的作用是計算出模型的模態(tài)參數(shù)，通過模態(tài)分析的結(jié)果可以預(yù)測仿人機(jī)械臂在某一頻率范圍內(nèi)的振動響應(yīng)，是仿人機(jī)械臂動態(tài)設(shè)計和設(shè)備故障診斷的重要依據(jù)[6-7]。

4 結(jié)論

根據(jù)某型仿人機(jī)器人四自由度機(jī)械臂的設(shè)計要求，完成了仿人機(jī)械臂的自由度分配、關(guān)節(jié)一體化、輕量化以及總體結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過有限元軟件對其進(jìn)行仿真，在機(jī)械臂的末端同時施加兩個正交方向的6倍額定負(fù)荷，產(chǎn)生的最大應(yīng)力為4.5X108N/m2，小于材料的屈服極限，機(jī)械臂前臂末端產(chǎn)生的最大位移為11.6mm，未超過預(yù)設(shè)的最大變形量15mm，滿足設(shè)計要求。

該機(jī)械臂結(jié)構(gòu)簡單，易于加工和拆卸，通過改變末端執(zhí)行器的種類可以適用于多種工作環(huán)境，具有較強(qiáng)的通用性。

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