机械手臂结构设计与其性能分析

李顺治 齐鹏 王凯

摘 要：机械手臂应用到机器人工业化操作中，具有工作空间大，灵活性好等优势，但同时，由于机械手臂的串联结构，驱动功率、能耗等范畴也存在一些问题。在这种结构模式下，关节处成为机器人末端负载的主要承受点。在操作过程中，机械臂的驱动功率、能耗方面也会有增加。对此，本文从机械手臂结构设计及其性能的角度进行分析，分别进行了结构设计、驱动能耗分析、刚度特性分析。

关键词：机械手臂 结构设计 性能分析

中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）11（a）-0-03

传统工业机器人在关节内减速器、齿隙等方面的结构设计方面存在问题，容易导致工业机器人在工作中存在传动的误差。本文从具有机械臂的机器人系统出发，对机械手臂结构形式进行设计，提出了采用平行四边形框架对角推缸驱动的形式，并对其性能进行了分析。

1 结构设计

首先，确定机器人的整体结构，如图1所示。

从图1可以看出，回转单元、大臂、小臂、腕部等、这些都是机器人整体结构的主要构成。回转是机器人机械臂及腕部的功能，运动可以呈现两个维度——水平与垂直的自由运动。此外，机器人腕部可以操作俯仰及摆动等动作。本文研究的机械手臂与传统工业机械手臂在结构形式上有所不同，如图1所示的机械手臂均采用的是平行四边形框架对角线电动缸驱动形式，具体操作是经离合器驱动丝杠来实现回转运动，丝杠经丝母通过旋转运动来实现直线运动。

机器人的基座部分提供了一个自由度的回转运动，伺服电机与蜗杆成为两个驱动力，分布在蜗轮两侧，蜗轮在回转轴的带动下，机器人立柱实现回转。本文所研究设计的机器人机械手臂采用的是双电机驱动的结构形式，能够通过蜗轮蜗杆大传动来代替减速器的功能，如图2所示。

基于差动原理，机器人腕部得以设计完成，借助U型支撑件来实现，锥齿轮及摆轴是差动输出部分，借助俯仰轴和摆轴，从2个自由度对两侧蜗轮转动，进行回转运动。而且，通过消隙控制，腕部完成无间隙传动，确保传动部件在封闭空间内进行传动，如图3所示。

此外，基于工业应用需要，工业机器人还进行了防护设计，主要体现在机械手臂关节上，具体来看，是通过密封圈密封的方式，保护回转运动的大臂、小臂等杆件间部分，从而确保回转关节内部轴承的防护。

2 驱动能耗分析

2.1 机械手臂驱动功率及能耗模型

根据前文中对机器人机械手臂的结构设计，设定小臂运动角度范围为θ1∈[0，70]，大臂的俯仰运动夹角为θ3∈[0，70]，设定机器人的水平距离达到3460mm，如图4所示。

2.2 驱动功率比较分析

本文研究设计的四自由度重载型工业机器人，主要用于搬运、码垛等工作事项。在进行驱动功率的比较中，主要是针对机械臂与臂长l1=l2=1500mm與等效二连杆机械臂进行比较，计算出功率结果。得出机器人机械手臂大臂长度为1400mm，运动范围为-130°～17.5°；小臂等效长度为1572mm，运动范围为-110°～145°。

通过计算得出，本文研究设计的机器人机械手臂的大臂功率降低范围约为20%～80%，而小臂的驱动功率与二连杆的机械臂是相当的。

3 刚度特性分析

3.1 电动缸刚度优化

机械手臂的刚度优化主要是由机械臂杆件和电动缸的刚度来决定的。对此，本文从对电动缸度优化的基础上来对机器人刚度特性进行分析。

3.2 刚度建模

3.3 刚度计算

对机器人的机械手臂杆件进行有限元计算分析，主要判断杆件的等效抗拉刚度及抗弯刚度，得出具体的数据如表1所示。

通过计算比较，机器人机械手臂的腕部结构等效为刚体处理，导致刚度数值的计算结果要略大于有限元的计算结果。

通过分析，第一，机械臂俯仰达到了一定的角度，电动缸容易与框架发生冲突，因此限制了机械手臂的俯仰角度；第二，与工业机器人的尺寸与四自由度相比，本文研究的机械手臂工作空间相近，可是综合刚度更理想，而且也能够充分提升机械手臂的搬运、码垛能力。

参考文献

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