六自由度机器人系统设计研究

曾照军

摘 要 随着工业机器人应用领域的不断扩大以及现代工业的快速发展，人们对工业机器人性能的要求越来越高，高速、高精度、智能和模块化成为目前工业机器人发展的主要趋势。本文研究六轴工业机器人的系统设计，可以提高工业机器人性能的利用率和工作效率，对于工业机器人在工业生产中的应用具有广泛的实际意义。

关键词 六自由度机器人；驱动；系统设计

工业机器人是多学科交叉的综合性学科，集力学、机械工程、电子工程、机械自动化、计算机科学技术、传感器技术、人工智能等多种先进技术于一体。随着工业机器人的快速发展，其在汽车制造、机械加工、焊接、热处理、上下料、打磨抛光、搬运码煤、装配、喷涂、检测等作业中得到越来越多的应用。下面主要以六自由度机器人为例对其系统进行分析。

1 机器人系统

从原理上讲，其由四部分组成：控制装置部分机械、本体部分、执行装置部分、传感器部分。

1.1 控制装置部分

包括通讯、人机交互以及控制系统三部分，其功能是响应上位机的信号，并使机器人系统按照要求完成动作。

1.2 机械本体部分

包括底座、臂部、手腕、末端操作器等部分，每一部分都有若干自由度，构成一个多自由度的机械系统。

1.3 执行装置部分

即用来驱动机械系统动作的驱动系统，根据驱动源的不同，驱动系统可以分为电气、液压、气压三种以及把他们结合起来应用的综合系统。

1.4 传感器

检测外部信号，并以某种形式发送给控制系统，作为拉制系统的外部输入信号[1]。

2 机器人总体方案设计

2.1 设计原则

（1）可靠性原则：可靠性问题对于结构复杂，环节较多的机器人极其重要，其贯穿到设计开发的各个环节：方案确定-本体设计-部件选择-制造-调速。

（2）转动惯量最小原则：为使机器人工作效率大幅提高，机器人在由一个工序结束处运动到另一个工序开始处时常以极高的速度运动，产生严重的振动和冲击。为减少机器人冲击和振动，提高运动的平稳性及动力学特性，需采用转动惯量最小原则。方法之一就是尽量减少各零部件的质量。

（3）高强度设计原则：机器人从基座到末端，各零件作为一个运动部件的同时是其他部件的负载，例如腕部是一个运动部件，同时又是小臂的负载，小臂是以运动部件的同时又是大臂的负载，为此对于机器人材料的强度就要求较高，使机器人本体质量减较。

（4）高刚度设计原则：在机器人本体结构方面，刚度比强度显得更为重要。为了使即度增大，可以尽可能选用抗弯、扭转刚度较高的截面形状，如封闭型空瓜截面，以提高支撑刚度和接触刚度。同时，为降低臂杆的弯曲变形，可以合理安排受力位置。

2.2 结构类型选择

本文以某型号六自由度机器人为原型设计了一款机器人，结构形式为关节型，6个关节全部为转动关节，确定的基本技术参数如下：手腕负载（额定3Kg，最大4kg）；最大工作半径540mm；自由度6；关节速度J1 370°/S、J2 370°/S、J3 430°/S、 J4 300°/S、J5 460°/S、J6 600°/S；关节范围 J1±170°、J2±40°/-160°、J3±40°/-220°、J4±185°、J5±125°、J6±360°；瞬间容许最大转矩为J5 35NM、J6 24NM；重量为28kg；重复定位精度为±0.08mm；工作温度为0～40°C。

2.3 驱动系统的选择

交流伺服电机动作灵敏，快速响应性好，控制准确，而且体积小，惯性小，驱动力矩高，价格也较便宜，所以在业机器人系统中被广泛应用。鉴于此，本文选取交流伺服电机作为动力源。

在设计的初级阶段，需要粗略估算机器人负载情况下的功率，由于机械臂的质量和转动惯量等没有确定，只能根据机器人的工作要求进行估算。当一个初步的设计完成时，每个关节的参数已经确定，这样可以估算每个关节驱动电机所需的功率。考虑到机器人在很多时候工作在加减速的状态下，因此，既要考虑额定速度情况下的功率，又要考虑加、减速功率；当电机的功率确定后，再根据负载为矩、加减速功率及最大转速选定合适的电机，然后进行电机参数的确定及电机的校核。根据计算和经验选择合适的电机及相应的驱动器。本课题机器人采用多摩川的伺服电机和欧瑞的伺服驱动器。

2.4 传动系统设计

本文旨在开发一款电机和减速机均内置于机器人臂内的轻量型机器人，同时要考虑电机线缆的穿线问题，以达到美观的效果，为了使机器人各部件尺寸尽可能的小，同时使整个机器人电机的线缆内置，确定各个关节的传动方式如表1所示：

2.5 运动控制器选型

本文六自由度机器人六个电机的控制是通过固高科技的GUC-T系列嵌入式运动控制器，型号为GUC-800-TPG-M23-L2-F4G，是固高科技将旧M-PC及其兼容机为主机和运动控制卡结合为一体的产品。GUC-T系列控制器可W工作于脉冲模式也可以工作于模拟量模式，本文中运动控制器的控制模式选择开环脉冲控制模式，根据運动控制器和伺服驱动器用户手册确定运动控制器和伺服驱动器的轴信号线引脚定义，成对信号用双绞屏蔽线[2]。

3 结束语

六自由度关节式机器人其需要研究内容涉及多学科，技术交叉性很强，本题涉及内容有限。工业机器人特别是六自由度上的机器人的轨迹规划是一个复杂的过程，由于机器人本身和操作过程中的环境等影响因素很多，研究出一套符合各种情况的系统算法很有必要。这些算法的程序化是今后研究的重点。

参考文献

[1] 周科.六轴工业机器人设计与轨迹规划方法研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013.

[2] 孙群，张龙，赵颖.基于虚拟样机技术的六自由度机械手建模与仿真[J].机械设计与制造，2013，（07）：178-181.