柔性關(guān)節(jié)機械臂剛度的研究

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，柔性關(guān)節(jié)機械臂在我國各領(lǐng)域的應(yīng)用范圍也在不斷擴大，而質(zhì)量輕、體積小、能耗低等優(yōu)點則是其快速發(fā)展的落腳點所在，為此本文就柔性關(guān)節(jié)機械臂剛度展開了具體研究，希望這一研究內(nèi)容能夠柔性關(guān)節(jié)機械臂的剛度優(yōu)化帶來一定啟發(fā)。具備質(zhì)量輕、體積小、能耗低等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：柔性關(guān)節(jié)機械臂；剛度；計算

結(jié)合人類社會的各種生產(chǎn)活動不難發(fā)現(xiàn)，柔性關(guān)節(jié)機械臂已經(jīng)開始在多個領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)世界范圍內(nèi)的廣泛應(yīng)用，機械加工、航天科技、焊接、農(nóng)業(yè)機械等領(lǐng)域的柔性關(guān)節(jié)機械臂應(yīng)用都屬于這一應(yīng)用的具體表現(xiàn)，而為了保證這種應(yīng)用能夠更好服務(wù)于我國經(jīng)濟與社會發(fā)展，正是本文就柔性關(guān)節(jié)機械臂剛度展開具體研究的原因所在。

1 柔性關(guān)節(jié)機械臂概述

對于柔性關(guān)節(jié)機械臂來說，其本身是為了較好滿足柔性型機器人發(fā)展需求而誕生的，而結(jié)合柔性關(guān)節(jié)機械臂的相關(guān)定義，我們可以將柔性關(guān)節(jié)機械臂劃分為彈性材料機械臂連桿柔性關(guān)節(jié)機械臂、剛性構(gòu)成機械臂連桿柔性關(guān)節(jié)機械臂兩種，本文的研究對象為剛性構(gòu)成機械臂連桿柔性關(guān)節(jié)機械臂。對于本文所研究的柔性關(guān)節(jié)機械臂來說，諧波齒輪減速器和力矩傳感器的應(yīng)用是其柔性實現(xiàn)的主要原因，而想要保證柔性關(guān)節(jié)機械臂能夠較好服務(wù)于相關(guān)柔性機器人，我們就必須重視柔性關(guān)節(jié)機械臂的剛度[ 1 ]。

對于很多領(lǐng)域的柔性關(guān)節(jié)機械臂來說，剛度是其主要結(jié)構(gòu)技術(shù)指標(biāo)，而這種剛度的保證則能夠為柔性關(guān)節(jié)機械臂的動態(tài)耦合效應(yīng)減輕、載荷與動應(yīng)力降低帶來較為有力的支持，不過由于一些應(yīng)用于特殊領(lǐng)域的柔性關(guān)節(jié)機械臂本身對于質(zhì)量有著較為嚴(yán)格的要求，這就使得很多時候柔性關(guān)節(jié)機械臂的剛度與質(zhì)量要求往往不能夠得到同時滿足，這種情況下我們就需要進行這類柔性關(guān)節(jié)機械臂的剛度研究，并通過相關(guān)計算保證柔性關(guān)節(jié)機械臂的剛度能夠得到較好優(yōu)化[ 2 ]。

2 關(guān)節(jié)剛度計算

在本文就柔性關(guān)節(jié)機械臂剛度展開的研究中，筆者選擇了安裝在航天器外部的空間機械臂作為研究對象，這一柔性關(guān)節(jié)機械臂本身由關(guān)節(jié)、臂桿和前端執(zhí)行器構(gòu)成，配置有6個轉(zhuǎn)動自由度且每個自由度設(shè)置為一個關(guān)節(jié)，肩部、肘部與腕部是這一關(guān)節(jié)的主要設(shè)置位置。而對于這類柔性關(guān)節(jié)機械臂的關(guān)節(jié)來說，電機與諧波減速器是其關(guān)節(jié)的具體構(gòu)成，而為了較好就這一柔性關(guān)節(jié)機械臂剛度展開研究，我們就需要建立該柔性關(guān)節(jié)機械臂的臂桿剛度模型、關(guān)節(jié)剛度模型以及機械臂剛度模型[ 3 ]。

2.1 柔性關(guān)節(jié)機械臂臂桿剛度模型

2.2 柔性關(guān)節(jié)機械臂關(guān)節(jié)剛度模型

2.3 柔性關(guān)節(jié)機械臂剛度模型

除了上述剛度模型的建立外，為了能夠較好完成本文就柔性關(guān)節(jié)機械臂剛度展開的研究，我們還需要創(chuàng)建柔性關(guān)節(jié)機械臂剛度模型，結(jié)合本文選擇的柔性關(guān)節(jié)機械臂剛度，我們能夠得出這一柔性關(guān)節(jié)機械臂受力為Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz，而通過對這一柔性關(guān)節(jié)機械臂肩部俯仰關(guān)節(jié)、肘部俯仰關(guān)節(jié)、腕部俯仰關(guān)節(jié)的力矩計算，柔性關(guān)節(jié)機械臂的變形計算，以及關(guān)節(jié)的扭轉(zhuǎn)變形、臂桿的變形、臂桿的變形角、關(guān)節(jié)引起的變形、由臂桿引起的變形計算，我們就能夠得出具體的柔性關(guān)節(jié)機械臂剛度模型，但由于受篇幅原因限制，本文不對這一模型進行具體描述。

3 計算實例

在取得柔性關(guān)節(jié)機械臂剛度模型后，我們就可以進行具體的柔性關(guān)節(jié)機械臂剛度優(yōu)化，這一優(yōu)化需要考慮關(guān)節(jié)優(yōu)化配置、臂桿優(yōu)化配置、關(guān)節(jié)與臂桿質(zhì)量分配等內(nèi)容。其中關(guān)節(jié)優(yōu)化配置需要采用拉格朗日乘數(shù)法構(gòu)造函數(shù)計算，而通過這一計算我們能夠得出采用強度高密度小、軸向長度短、柔輪壁較厚的諧波減速器將較好實現(xiàn)關(guān)節(jié)優(yōu)化；而在臂桿優(yōu)化配置中，我們同樣需要結(jié)合拉格朗日乘數(shù)法構(gòu)造函數(shù)展開計算，這一計算能夠得出臂桿應(yīng)采用低密度高剛性材料的結(jié)論；而在關(guān)節(jié)與臂桿質(zhì)量分配的計算中，我們需要結(jié)合上文求得的關(guān)節(jié)與臂桿質(zhì)量分配展開具體計算，而這這一計算能夠得出臂桿的直徑應(yīng)盡可能大這一結(jié)論。

4 結(jié)論

在筆者就柔性關(guān)節(jié)機械臂剛度展開的研究中，筆者以航天器外部的空間機械臂作為研究對象，并詳細(xì)論述了柔性關(guān)節(jié)機械臂、關(guān)節(jié)剛度計算、計算實例等內(nèi)容，希望這一內(nèi)容能夠為相關(guān)研究人員帶來一定啟發(fā)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 黃華.柔性關(guān)節(jié)機械臂的建模及控制研究[D].湖南工業(yè)大學(xué)，2014.

[2] 王海，周璇，夏小品，李晗.柔性關(guān)節(jié)機械臂的非線性控制策略研究[J].機械科學(xué)與技術(shù)，2014，（01）：22-26.

[3] 黎田.柔性關(guān)節(jié)機械臂及其運動學(xué)標(biāo)定和振動抑制的研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012.

[4] 顧義坤，倪風(fēng)雷，劉宏.基于RENN的柔性關(guān)節(jié)機械臂自適應(yīng)動態(tài)面控制[J].控制與決策，2011，（12）：1783-1790.

作者簡介：

賈士周（1989-），男，漢族，河北邯鄲人，河北工業(yè)大學(xué)研究生，研究方向：機械設(shè)計及理論。