轻型机械臂的结构优化设计柴迪

柴迪 郁雯霞

摘 要：21世纪将会是机器人的时代，谁在机器人领域占据了先机，谁就占据了竞争的优势。在中国制造2025计划之下，我国大力发展质量轻、占地小、精度高、负载大、便利性和模块化的轻型机械臂，这标志着我国的机器人技术又上了一个台阶。文章针对轻型机械臂的设计问题，对机械臂的结构设计进行了优化，以提升机械性能。

关键词：轻型；机械臂；结构优化；设计

中图分类号：TP241 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）31-0043-02

Abstract： The 21st century will be the era of robotics： those who occupy the first opportunity in the field of robotics will occupy the competitive advantage. Under the "Made in China 2025" plan， our country vigorously develops light weight， small footprint， high precision， heavy load， convenience and modularization of the light mechanical arm， which marks a stage when the robot technology in our country has reached a new level. Aiming at the design problem of the light manipulator， the structure design of the manipulator is optimized in order to improve the mechanical properties.

Keywords： light weight； mechanical arm； structural optimization； design

輕型机器人不仅能够降低成本、提升效率、促进工作效益，而且和传统机器人相比，更加安全可靠，人机协作性更好，通过可持续重复编程可以更好地适应新环境和新任务。美国、瑞典、丹麦、德国都开发了智能化的轻型机器人。丹麦Universal Robotics公司推出的UR机器人具备模块化、轻型、安全、人机交互与较高精度的特点；美国Rethink公司推出的双臂机器人Baxter是高智能机器人，具备视觉和触觉多种反应能力。瑞典ABB公司推出的YuMi机器人有视觉和嗅觉功能，为了确保安全还在灵活的双臂上配备了软性材料，并且用最新的力传感技术。德国库卡公司的新型机器人LBR iiwa延续了德国技术一贯高精度的特点，被用于电子、医药、高精度加工等行业。我国机器人技术虽然处于领先水平，但是和这些国家相比，技术还比较落后，精度上有待进一步提高。

1 轻型机器人所带来的深刻变革

1.1 轻型机器人开启了机械自动化时代

传统工业机器人依赖人类操作，轻型机器人产业化发展对精密电机、伺服驱动、机器人控制器等核屯、部件相关的高技术产业将会产生显著的带动作用。高端智能装备制造业由于具备技术先进、知识密集、附加值高、成长性好，关键性强、带动性大等特点，是衡量一国高端制造能力的重要标志，能够更快地实现高速、高精度、高效率的特点和生成高质量产品的目标。轻型机器人能够加快智能化和自动化的脚步，通过机器人的感知能力实现对环境和工作对象自主判断和决策，能够代替人类在危险环境下作业，并且广泛应用于焊接、机械加工、搬运、装配、分掠、喷涂等各种行业，能够有效提高产品生产质量和效率。

1.2 轻型机器人能够带动高端产业发展

目前世界上技术最发达的国家比如荷兰、美国、德国、瑞典、瑞士都是高智能机器人的制造大国，其高端设备大大地提升了国家竞争力，占据了80%以上的国际机器人市场份额。相比之下，我国高端机器人技术还比较落后，受到场地影响较大，制造成本较高，中小企业难以承受，编程不适合环境变化，自主决策能力低，安全性较差，成本效率上存在劣势。而未来在航空航天、军事领域、危险作业、高精度行业、家庭服务等领域轻型机器人都会扮演重要角色，为提升我国高端技术发展水平，发展轻型机器人却有必要。

1.3 轻型机器人推动了人机和谐的脚步

传统机器人质量大，工作起来危险性高，令人望而生畏，而轻型机器人采用模块化技术，能够更好地实现人机协作，在结构和算法上都能够实现独立控制。这将会推动人类进入智能时代，尽管我们对智能世界的发展是未知的，但是目前看来智能化的趋势难以逆转，谁在智能化的竞争中落后，谁就处于不利的位置。轻型机器人利用传感器技术，一旦和人发生超过过大的作用力，就会自动停止接触，并且可以实现多种应用情境，这有利于人机和谐。

2 轻型机器臂的结构优化设计

2.1 整体设计思路

本文的机械臂具有6个自由度，顶端能够安装手爪和摄像设备等感应器，机械臂的质量为18kg，负载能力为6kg，采用模块化关节，活动范围在360度，产生的噪音低，关节活动速度最大可达180度每秒，工作期限不低于30000个小时。在设计上使用紧凑结构简单，驱动系统、制动系统及传感装置集于一体，能够实现大扭转和高精度，运行过程中较为平稳，目前市场上机械臂的制造多出自于用户需求，缺乏标准化设计，因此通过模块化可以弥补这些缺陷，任何部件一旦损耗即可更换，这也弥补了传动效率低的不足。本设计采用采取中也布线的方式，中心孔设计较大，避免外部走线造成缠绕和震动。采用标准接口通过螺栓传递力来连接各个关节，利用连杆连接关节。采用机电一体化设计方式，每个关节单独控制，在控制器上设置通讯和电源接口，方便线路安装。采用分布式控制，以测量力矩来反馈系统。

2.2 动力源和驱动优化设计

动力源可以采用交流电和电池双重模式，我国传统机械臂采用交流电作为主要模式，这种方式能够保证长期工作，供电充足，但是移动不便。本文采用的是交流电充电电池，在特定场景下，电池可以自动更换，为了避免温度过高出现功能障碍，设置温度保护功能。在一般场景下采用交流电工作，并且提供电池更换功能，确保在一般环境下能够持续供电。本文采用电动驱动的方式，采用简单结构设计，以谐波传动作为减速方案，具有精度高，刚度大等优点，能够承受较大转矩。

2.3 制动器优化设计

电击和减速器没有制动功能，会造成停电时机器受到惯性影响发生转动，所以本文采用了掉电制动器，用以防止危险和掉电平衡，保持机械臂的固定姿态，机械臂的末端执行器的制动距离小于1mm，制动力矩为13.8N·m。要尽量节省空间，减轻转子重量，降低空转磨损，不影响伺服电动机的响应性。

2.4 编码器优化设计

编码器按工作原理可分为绝对值编码器和增量式编码器，前者无需记忆，后者要回到初始记忆。为了提升精度，本文采用绝对值编码器，绝对值安装在传感器之中。为了提升优化程度本文采用超薄型绝对值编码器，实现了小型化和低背化，用MR传感器进行多圈检出，备份动作时也能高速应答，没有对角速度的限制，能够获得温度信息，不需要信号调整，写入读取更加方便，能够对误差进行补正。

2.5 轴承优化设计

本机器臂采用滚动轴承，以起到支撑部件、承受负载、减少摩擦的作用，为降低轴向载荷及径向载荷，本文选用一对深沟球轴承和一对推力球轴承。深沟球轴承之间采用轴套定位，以脂润滑，在计算当量动载荷之后进一步优化。

2.6 整体结构优化设计

在结构优化设计中要经过精密计算，具体来说要导入三维几何模型进行计算，赋予材料密度、弹性等属性，划分网格，施加约束和载荷，再进行具体求解。拓扑优化的计算如果显示在外壳的螺栓孔和曲面处所受应力巧变形较大，那么就要在这里提高材料的机械性能，比如增加厚度，如果在外壳外侧变形和应力都比较小，就可以降低厚度，减小质量。一般通过计算之后的优化设计，可以根据计算结果减小质量，一般对大模块和外壳进行优化。

3 进一步优化设计

3.1 有限元分析和运动学分析

通过结构离散化、单元分析、整体法分析和约束处理并求解方程深入分析力学特性和结构特点。进而进行静力学分析，重点分析机械臂关键部件，比如外壳、电机、整臂等。同时通过研究动态特性来验证机器臂的分布结构是否合理，避免发生局部共振，找出机械臂的薄弱环节进行改善，以提高效率。通过分析机械臂的正运动和逆运动确定机械臂的工作范围，在此基础上优化机械臂的工作轨迹。同样，建立机械臂的动力学仿真，测量各个关节力和力矩的变化，确保机械臂平衡运行。

3.2 散热系统优化

机械臂的散热系统设计至关重要，在进行繁重工作时，机器人会严重发热，散热不好是当前机械臂结构优化面临的最主要的问题。轻型机械臂高速运动时可以达到3000转每分钟，这让零部件温度大幅提高，会严重影响机器使用寿命，同时发热过高还意味着磨损加重，所以散热设计也意味着降低包括摩擦在内的损耗。本机械臂结构的散热设计主要采用了降低摩擦、增加传动、加入冷却液、增加传热结构、增加传输介质等方式。本机械臂采用类似人类散热的方式，在金属管道中加入冷却液，并且让冷却液在发热时慢慢渗出，实现了机械臂的流汗。同时，多采用滚动方式降低摩擦，在源头降低热量。

4 结束语

要实现轻型机械臂的结构优化设计，关键是选取合适的部件和材料降低质量，提升物理特性，在结构设计中要充分采用模块化设计，使各个机构都能实现自我控制，本文在设计中充分采用了仿人化的设计，比如引入了机械臂流汗散热的思维，这一思想在设计中要充分运用，机械臂的结构优化要多利用传感器技术，选择最适合自身的结构。

参考文献：

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1682-1684.