仿人机器人四自由度机械臂的设计与性能分析

王振 辛洪兵 周顺豪

摘 要

目的：针对某型仿人机器人的需求，完成其四自由度机械臂的肩关节、上臂、肘关节及前臂的关节一体化和轻量化设计。方法：利用SolidWorks进行三维建模，并利用ABAQUS进行有限元仿真验证。结果：完成了应力应变分析，结果表明机械臂前臂末端在承受6倍额定负荷的情况下产生的应力未超过机械臂结构所用材料的屈服极限，机械臂产生的最大位移小于20mm。结论 该机械臂设计满足某型仿人机器人的设计要求。

关键词

仿人机器人;关节一体化;轻量化设计;有限元仿真

中图分类号： TP242                    文献标识码： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.09.054

0 前言

机器人技术与系统自1960年代初问世至今，已经发展成为集机械、电子、计算机、材料、传感器、控制技术、人工智能等多门科学于一体的技术学科，在各种类别的机器人中，仿人机器人的系统结构最复杂、集成度最高，而仿人机械臂作为仿人机器人的执行机构一直是国内外研究的热点[1-4]。仿人机械臂作为机器人发展的高级阶段，是仿人学与机械臂领域应用需求的结合产物，其作为仿人机器人的重要执行部分，具有一些和人体手臂类似的功能，如拿取、拉动、推动以及举起或抬起物体等[5]。

1 四自由度机械臂设计

1.1 四自由度机械臂设计要求

某型仿人机器人四自由度机械臂的设计重点在于轻量化和关节一体化设计，表1为仿人机器人的四自由度机械臂的设计要求，其最基本的要求在于机械臂的关节运动形式与人体手臂相似，在符合人体上肢运动机理的原则下进行分配机械臂的自由度和尺寸设计。

1.2 总体方案设计

驱动部件是机械臂的动力来源，其选择也是机械臂结构设计的重点。仿人机械臂驱动方式选择的依据主要为性能、重量、传动效率等方面。目前，大多数的仿人机器人采用的关节驱动方式主要有三种，分别为液压驱动、伺服电机驱动以及人工气动肌肉驱动。液压驱动具有可以输出大的推力或大转矩，可实现低速大吨位运动，在相同功率下，液压驱动装置体积小、重量轻、结构紧凑等优点，但是油的泄露和液体的可压缩性会影响执行元件运动的准确性，无法保证严格的传动比，且油温的变化比较敏感，能量损失较大。人工肌肉传动具有体积小、重量轻、灵活方便以及输出力大的优点，但是输出力和输出力矩相对较小，传动效率低，并且因为空气的压缩性，不易实现精密控制。相比之下，采用伺服电机驱动关节运动，能够实现精确地位置控制，结合体积紧凑的谐波减速器，可以有效地解决电机输出力矩较小的缺点。综合考虑，最终采用直流伺服电机和谐波减速器配合的驱动方式，使该仿人机械臂具有尺寸小、运动灵活、结构可靠、负载自重比高的特点。

在确定了仿人机器人四自由度机械臂的驱动方式后，仿人机器人的四自由度机械臂设计方案如图1所示。

1.3 关节一体化及轻量化设计

为了提高空间利用率、减小传动误差以及提高定位精度，将电机和谐波减速器进行一体化设计，利用电机外壳和谐波减速器的钢轮进行螺栓连接，电机输出轴和谐波减速器输入轴直连。

对机械臂的轻量化主要体现在两个方面。一方面对驱动关节进行优化，将电机和谐波减速器上一些非应力集中区进行打孔、开槽等一系列减重处理，另一方面在进行驱动关节的连接结构设计时，采用一体化设计的方式，尽可能减少连接组件的数量，在保证连接刚度的同时，完成轻量化的要求。图为第一驱动关节与第二驱动关节的连接部件，该部件利用螺栓与谐波减速器的钢轮进行连接，为了避免工作时减速器轴承上的润滑油流出造成污染，在部件上设计了如图2（b）所示的油封槽，并利用该槽与O型圈配合使用防止润滑油泄露。

仿人机械臂机构布局时，应使四个驱动关节的重心两两处于同一轴线上，以此来避免不必要的额外转动惯量。

2 机械臂总体机械设计

确定仿人机器人四自由度机械臂的自由度分布、結构构型以及各关节连接形式后，在易于加工和便于拆装维修的原则下完成机械臂的总体设计，采用SolidWorks三维建模，仿人机械臂的总体实体如图3（b）所示，图3（a）为仿人机器人四自由度机械臂的机构简图。机械臂的末端装有执行器连接件，可以根据工作环境的不同更换不同的执行器。

3 有限元分析

有限元分析步骤分为前置处理、计算求解和后置处理三个阶段，以下在Simulation和ABAQUS中分别对其进行静力学和模态分析。

3.1 静力学分析

结构材料选用7075-T6铝合金，其质量密度为2810kg/m3、杨氏模量7.199X1010N/m2、泊松比0.33，在设置好边界条件后，对仿人机械臂前臂的末端同时施加两个正交方向的6倍额定负荷进行检验，其仿真结果如图4所示。

静力学分析的结果表明，机械臂的末端同时施加两个正交方向的6倍额定负荷，产生的最大应力为4.5X108N/m2，小于材料的屈服极限，机械臂前臂末端产生的最大位移为11.6mm，未超过预设的最大变形量15mm，最大应力与最大位移的分析结果表明该仿人机械臂满足设计要求。

3.2 模态分析

模态分析主要用于确定结构和机械零部件的振动特性，在结构振动过程中，超过90%的能量集中在前6阶模态中，高阶模态能量比重较小，对机构的影响可以忽略。则前6阶模态振型如图5所示，图6为前六阶的模态分析数据。

模态分析的作用是计算出模型的模态参数，通过模态分析的结果可以预测仿人机械臂在某一频率范围内的振动响应，是仿人机械臂动态设计和设备故障诊断的重要依据[6-7]。

4 结论

根据某型仿人机器人四自由度机械臂的设计要求，完成了仿人机械臂的自由度分配、关节一体化、轻量化以及总体结构设计，通过有限元软件对其进行仿真，在机械臂的末端同时施加两个正交方向的6倍额定负荷，产生的最大应力为4.5X108N/m2，小于材料的屈服极限，机械臂前臂末端产生的最大位移为11.6mm，未超过预设的最大变形量15mm，满足设计要求。

该机械臂结构简单，易于加工和拆卸，通过改变末端执行器的种类可以适用于多种工作环境，具有较强的通用性。

参考文献

[1]田野，陈晓鹏，贾东永，孟非，黄强.仿人机器人轻型高刚性手臂设计及运动学分析[J].机器人，2011，33（03）：332-339.

[2]B.Tondu.Modelling of the shoulder complex and application to the design of the upper extremities for humanoid robots.Proceedings of the 2005 5th IEEE-RES International Conference on Humanoid Robots.2005：313-320.

[3]李宁.七自由度仿人机械臂设计与分析[D].大连交通大学，2018.

[4]Federico Parietti，H.Harry Asada.Supernumerary Robotic Limbs for Aircraft Fuselage Assembly：Body Stabilization and Guidance by Bracing.IEEE International Conference on Robotics&Automation.2014，1176-1178.

[5]郭巧. 現代机器人学：仿人系统的运动感知与控制[M].北京：北京理工大学出版，2009.

[6]赵丽娟，周文潮，田震，孟洋.转炉滑板机械臂的设计与研究[J].机械强度，2017，39（02）：452-456.

[7]安凯，毕雁，马佳光.末端带载荷的单连杆机械臂振动模态分析[J].光电工程，2016，43（07）：22-27.