陸學(xué)斌

摘要：手腕模組單元安裝于機(jī)器人關(guān)節(jié)處，是機(jī)器人工作的核心模塊之一。論文重點(diǎn)闡述了SRH系列輕量型機(jī)器人手腕模組單元內(nèi)部氣路優(yōu)化、手腕結(jié)構(gòu)優(yōu)化、限位模塊單元及液壓緩沖器設(shè)計(jì)過(guò)程。SRH系列輕量型機(jī)器人手腕模組單元不僅提高了機(jī)器人關(guān)節(jié)連接精度，增加了手腕結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，而且還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉等諸多特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人;輕量型;手腕;模組單元;優(yōu)化;結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 1研究背景

2010 年，德國(guó)技術(shù)科學(xué)院（ACDTECH）等機(jī)構(gòu)聯(lián)合提出“第四代工業(yè)—Industry4.0”戰(zhàn)略，旨在實(shí)現(xiàn)制造的智能化、綠色化、人性化、分散網(wǎng)絡(luò)化和信息物理的深度融合。我國(guó)也于2015 年發(fā)布了第一個(gè)十年行動(dòng)綱要“中國(guó)制造 2025”。該綱要中明確提出將機(jī)器人作為技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域，加緊搶占技術(shù)發(fā)展的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。將工業(yè)與信息深度相融合，利用網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化等技術(shù)，推動(dòng)整個(gè)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新。

模塊化關(guān)節(jié)是模塊化機(jī)器人的關(guān)鍵組成部分，其性能的好壞直接影響機(jī)器人的性能，因此對(duì)它的研究也倍受關(guān)注。本課題重點(diǎn)研究機(jī)器人手腕模組單元，主要從以下四個(gè)方面開展工作：手腕模塊內(nèi)部氣路優(yōu)化設(shè)計(jì)、手腕模塊結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)限位模塊單元，設(shè)計(jì)液壓緩沖器。

2設(shè)計(jì)內(nèi)容

（1）結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

機(jī)器人末端執(zhí)行器的重量、被抓取物體的重量及操作力的總和機(jī)器人容許的負(fù)荷力。因此，要求機(jī)器人末端執(zhí)行器體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊。在手腕模組結(jié)構(gòu)符合性能要求且設(shè)置某些約束旳條件下，可以修改一些能夠被修改的設(shè)計(jì)變量，讓該手腕結(jié)構(gòu)的性能符合最佳的值。借助CAE軟件對(duì)該手腕模組單元進(jìn)行參數(shù)化建模;對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)化模型進(jìn)行加載與求解;提取約束條件和目標(biāo)函數(shù)，借助優(yōu)化處理器完成優(yōu)化參數(shù)評(píng)估;優(yōu)化處理器參照此次循環(huán)獲取的優(yōu)化參數(shù)、設(shè)計(jì)變量和狀態(tài)變量，對(duì)比目標(biāo)函數(shù)和上次循環(huán)獲取的優(yōu)化參數(shù)，判斷此次循環(huán)目標(biāo)函數(shù)有沒(méi)有為最小，或結(jié)構(gòu)有沒(méi)有最佳。假設(shè)最佳，結(jié)束迭代和優(yōu)化循環(huán)，反之繼續(xù);參照結(jié)束的優(yōu)化循環(huán)及現(xiàn)在優(yōu)化變量的狀態(tài)，改變?cè)O(shè)計(jì)變量，再次進(jìn)行循環(huán)。

利用Adams軟件對(duì)該手腕模組結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，在建模時(shí)對(duì)某些細(xì)小結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，設(shè)計(jì)其模型;仿真模擬其動(dòng)作，完成模型的測(cè)試;進(jìn)行模型的細(xì)化，確定設(shè)計(jì)變量及目標(biāo)函數(shù);進(jìn)行設(shè)計(jì)的優(yōu)化，獲取最佳性能時(shí)的設(shè)計(jì)參數(shù)。最終使手腕結(jié)構(gòu)緊湊，輕便。

（2）內(nèi)部氣路優(yōu)化設(shè)計(jì)

在對(duì)氣動(dòng)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)前，本課題成員首先對(duì)企業(yè)的實(shí)際情況和控制要求加以明確，在此基礎(chǔ)上開展設(shè)計(jì)工作，通過(guò)調(diào)研和研究該手腕的安裝于機(jī)器人手臂和抓手的工作環(huán)境，選擇氣壓驅(qū)動(dòng)方式來(lái)驅(qū)動(dòng)控制。氣壓驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)是空氣來(lái)源方便清潔，成本較低，動(dòng)作迅速，快速性好，可實(shí)現(xiàn)位置或者速度控制，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有緩沖作用。此外，氣動(dòng)控制裝置還具有對(duì)工作環(huán)境要求不高、噪聲小和無(wú)油污的優(yōu)點(diǎn)。氣動(dòng)控制回路主要用于控制機(jī)器人腕關(guān)節(jié)末端執(zhí)行器的夾具姿態(tài)，包括動(dòng)力輸出盤和回轉(zhuǎn)供氣裝置，動(dòng)力輸出盤具有輸氣通道，用于向機(jī)器人腕關(guān)節(jié)末端執(zhí)行器輸送氣體;回轉(zhuǎn)供氣裝置包括回轉(zhuǎn)供氣軸和壓縮氣源輸入口，在回轉(zhuǎn)供氣軸的側(cè)壁上開設(shè)有供氣口，壓縮氣源輸入口與供氣口連接，在手腕模塊的內(nèi)部設(shè)置有供氣氣路，供氣氣路的一端與供氣口連通、供氣氣路的另一端與輸氣通道連通。傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)中，手爪模塊的氣管線需要從外部引出。這樣一來(lái)，手爪模塊在旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中會(huì)使手爪模塊的氣管線纏繞，斷裂。本次設(shè)計(jì)將在貫通轉(zhuǎn)軸打孔形成氣道的技術(shù)，從而將氣由轉(zhuǎn)軸輸送至手爪模塊上，避免了氣管線纏繞和斷裂，同時(shí)也避免了在轉(zhuǎn)軸上開設(shè)貫通的氣道，對(duì)轉(zhuǎn)軸造成的影響，使得加工更加簡(jiǎn)單，節(jié)省了零部件，結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，并且運(yùn)行可靠，有利于手爪機(jī)構(gòu)的小型化。手腕模組單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示（圖中給出一個(gè)連通的氣道示意，其他氣道未畫出）。其中：1.手腕連接板，2.本體，3.手爪連接板，4.手爪，5.氣路分

（3）設(shè)計(jì)限位模塊單元，保證定位精度

手腕內(nèi)部設(shè)有限位開關(guān)用于檢測(cè)到位及保護(hù)功能，通過(guò)調(diào)整位置，實(shí)現(xiàn)不同的位置的限位保護(hù)。在手腕模塊內(nèi)部設(shè)有位置傳感器和電磁閥，位置傳感器和電磁閥連接，位置傳感器與位置指示燈連接本機(jī)械手的非接觸式近接開關(guān)選擇磁性限位開關(guān)，在氣缸活塞上安裝永久磁環(huán)，在缸筒外殼上裝有舌簧開關(guān)，開關(guān)內(nèi)裝有舌簧片。當(dāng)裝有永久磁鐵的活塞運(yùn)動(dòng)到舌簧片附近時(shí)，磁力線通過(guò)舌簧片使其磁化，兩個(gè)舌簧片被吸引接觸，則開關(guān)接通。當(dāng)永久磁鐵返回離開時(shí)，磁場(chǎng)減弱，兩舌簧片彈開則開關(guān)斷開。該模塊設(shè)計(jì)定位精度達(dá)到0.05度，能夠滿足高精度機(jī)床上下料要求。

（4）液壓緩沖器設(shè)計(jì)

手腕結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)計(jì)有緩沖腔體，緩沖腔體內(nèi)設(shè)置有套筒和設(shè)置在套筒內(nèi)的緩沖機(jī)構(gòu)，套筒與緩沖腔體滑動(dòng)連接，套筒和轉(zhuǎn)軸上設(shè)置有相嚙合的齒，手腕結(jié)構(gòu)一端設(shè)置有與緩沖腔體連通的液壓孔，緩沖機(jī)構(gòu)一端伸出手腕結(jié)構(gòu)，并與手腕固定連接，另一端通過(guò)彈性部件與套筒底部連接。傳統(tǒng)緩沖結(jié)構(gòu)不耐用，當(dāng)沖擊力以及沖擊頻率太大時(shí)，普通緩沖結(jié)構(gòu)會(huì)損失扭矩，設(shè)計(jì)的此種設(shè)置先由彈性部件吸收開始的沖擊力，然后彈性部件恢復(fù)形狀，將彈性部件的彈力轉(zhuǎn)駕到套筒上，以減少?zèng)_擊對(duì)緩沖結(jié)構(gòu)的直接損傷，提高使用壽命。緩沖機(jī)構(gòu)伸出手腕的一端設(shè)置有螺紋，緩沖機(jī)構(gòu)通過(guò)螺母與所述手腕結(jié)構(gòu)固定連接。緩沖機(jī)構(gòu)在工作時(shí)固定不動(dòng)，套筒在液壓作用下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，緩沖機(jī)構(gòu)通過(guò)彈性部件與套筒之間的相互作用，通過(guò)調(diào)節(jié)螺母能夠調(diào)節(jié)緩沖機(jī)構(gòu)伸入套筒內(nèi)的長(zhǎng)度，從而根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整彈性部件與套筒之間的預(yù)緊力。該彈性部件為彈簧。緩沖腔體數(shù)量為兩個(gè)，兩個(gè)緩沖腔體內(nèi)的套筒運(yùn)動(dòng)方向相反。利用兩個(gè)套筒帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)軸的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)從而帶動(dòng)手爪連接板的往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)。

手腕內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖視圖如圖2所示，1.手腕連接板，2 .本體，6 .轉(zhuǎn)軸，7 .氣道，21 .緩沖腔體，22 .套筒，23 .緩沖機(jī)構(gòu)，24 .彈性部件，25 .螺母，3 .手爪連接板，4 .手爪，5 .氣路分流塊，51 .氣槽，52 .密封圈。

3 結(jié)論

研發(fā)的SRH輕量型機(jī)器人手腕模組單元，在滿足功能的前提下對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證在滿足功能的前提下，使重量最輕。成果不但能夠?yàn)閲?guó)產(chǎn)腕關(guān)節(jié)的產(chǎn)業(yè)化奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，同時(shí)該研究成果亦可運(yùn)用于將來(lái)腕關(guān)節(jié)的批量生產(chǎn)，該成果解決了腕關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)。

作為工業(yè)機(jī)器人的末端執(zhí)行部分， SRH系列輕量型機(jī)器人手腕模組單元的研發(fā)不僅填補(bǔ)國(guó)內(nèi)技術(shù)空白，而且在技術(shù)指標(biāo)和功能實(shí)現(xiàn)上媲美國(guó)際中高端水平，更對(duì)產(chǎn)品的系列化設(shè)計(jì)和進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

綜上所述，該成果解決了機(jī)器人末端執(zhí)行件的關(guān)鍵技術(shù)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)該技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)空白，具有明顯的社會(huì)效益。

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