平面關(guān)節(jié)型機器人結(jié)構(gòu)分析研究

黃瑞

摘要：隨著我國社會經(jīng)濟不斷發(fā)展，給機器人研究帶來各方面的變化，再加上機器人技術(shù)屬于多學(xué)科技術(shù)的綜合體，在所有機器類型之中，平面關(guān)節(jié)型機器人基于自身存在傳動原理簡單、體積小等方面優(yōu)勢，受到工業(yè)領(lǐng)域的歡迎，已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)內(nèi)。本文探究了機器人基本結(jié)構(gòu)，以此為基礎(chǔ)進一步研究平面關(guān)節(jié)型機器人結(jié)構(gòu)改進策略。

關(guān)鍵詞：平面關(guān)節(jié)型;機器人;結(jié)構(gòu)分析

一、前言

在工業(yè)生產(chǎn)過程當中，平面關(guān)節(jié)型機器人應(yīng)用范圍較廣，如機密儀器的生產(chǎn)制造、電子產(chǎn)品等方面，能有效提升生產(chǎn)效率和質(zhì)量。同時，平面關(guān)節(jié)型機器人在Z軸方向擁有優(yōu)良的運動剛性，在XY平面具有較好的運動柔性，讓它們非常適合應(yīng)用于裝配、搬運、焊接等工作。本文研究的意義是在原有樣機基礎(chǔ)上，對機器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，提升機器人自身的剛度，降低機器人整體重量，給后期控制實現(xiàn)和優(yōu)化設(shè)計提供豐富的數(shù)據(jù)支持。

二、機器人結(jié)構(gòu)分析

（一）、機器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

機械本體是整合機器人所有環(huán)節(jié)當中最重要的部分，其具有確保機器人穩(wěn)定運行的意義。但從目前形勢而言，我國機器人本體研究水平與國外研究水平仍然具有較大差異，為了能讓我國機器人追上國外機器人發(fā)展水平，要注重對機械本體關(guān)鍵性技術(shù)研發(fā)工作。在機械本體研發(fā)過程當中，我國借鑒了國外機器人結(jié)構(gòu)，并按照實際技術(shù)和要求，對四自由度平面關(guān)節(jié)型機器人總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計（如圖1所示）。在正常情況下，機械結(jié)構(gòu)主要有四個方面構(gòu)成：末端執(zhí)行器、手臂、機身、腕部，該地方的末端執(zhí)行器可通過購買專用模板的方式解決，其他運動部件和連接部分在下節(jié)具體描述。

（二）、機身結(jié)構(gòu)設(shè)計

機身專業(yè)術(shù)語叫做立柱，是整個機器人最常見的部件，是用來支撐機械手臂。在正常情況下，能完成俯仰、下降、上升、旋轉(zhuǎn)等動作，常具有1-3個自由度。但值得注意的是，要確保機身設(shè)計具有較強的穩(wěn)定性和剛度，運動要比較靈活，升降所用的導(dǎo)套不能太短，否則戶出現(xiàn)卡死問題，并且得安裝導(dǎo)向裝置，才能確保結(jié)構(gòu)布置的合理性。對于本文所研究的平面關(guān)節(jié)機器人，機身設(shè)計要重點關(guān)注機器人的穩(wěn)定性和體積大小，可將機身內(nèi)部設(shè)計成為空心結(jié)構(gòu)，有利于將第一關(guān)節(jié)的電機放到機座內(nèi)，不僅能減少機座重量，還能讓機器人重心向下轉(zhuǎn)移。

（三）、機械手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計

對于平面關(guān)節(jié)型機器人而言，其手臂部分的結(jié)構(gòu)和尺寸在整合設(shè)計當中具有其非常重要的意義，它不僅能改變整合工作空間的大小，還能起到支撐腕部和手部的作用。因此在設(shè)計機器人結(jié)構(gòu)形態(tài)時，必須需要從各個方面考慮，如定位精度、抓取重量、運動形式、運動自由度等方面來確定。同時，在設(shè)計機械手臂時，應(yīng)考慮到手臂的受力情況、手腕連接形式等因素。與此同時，在進行機器人手臂設(shè)計時，要注意以下幾點問題：第一，滿足剛度需求，為了避免在手臂運動時，由于承受負載過大導(dǎo)致手臂變形，所以要選擇適合的手臂界面形狀。通常可選擇空心管和工字鋼，空心管彎曲剛度要要高于實心軸;工字鋼的彎曲剛度要大于圓截面，因此一般選擇鋼管作為導(dǎo)向桿和主臂桿，用槽鋼和工字鋼作為支撐板。第二，提高承載能力，手臂作為主要支撐手腕的構(gòu)建，在設(shè)計時不僅要考慮到運動所產(chǎn)生的動荷載，還要考慮到所抓物質(zhì)重量。第三，具有較好導(dǎo)向性，為了避免手臂在直線運動當中，沿運動軸線產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，要設(shè)計花鍵、方形等臂桿。第四，要盡可能降低機械手臂運動部件的重量，這樣能極大提高機器人運動速度，通過降低機械手臂的重點，降低機械手臂對回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量。

三、機器人結(jié)構(gòu)改進

（一）、機身結(jié)構(gòu)改進

在正常情況下，機身與機座可構(gòu)成一個整體，如果機器人屬于移動式，則要安裝一個行走結(jié)構(gòu)。一般而言，機身應(yīng)具備回轉(zhuǎn)、升降、回轉(zhuǎn)與升降、回轉(zhuǎn)與俯仰、回轉(zhuǎn)與升降及俯仰5個動作，在實踐過程中應(yīng)按照機器人任務(wù)和生產(chǎn)需求為基礎(chǔ)，來確定機器運動模式。例如：圓柱坐標型機器人機身需擁有升降和回轉(zhuǎn)兩個運動模式;球坐標型機器人機身要具有俯仰和回轉(zhuǎn)兩個運動模式。并且在研究機身結(jié)構(gòu)改進時，首先要從各個方面考慮機器人運動穩(wěn)定性、機械手臂、整體體系等方面的布局，將機身內(nèi)部設(shè)置成為空心結(jié)構(gòu)，便于在關(guān)節(jié)處安裝伺服電機，并且降低機座本身的重量。其次，要想到減速器和伺服電機自身的實際尺寸，嚴格按照慣量匹配原則，將減速器作為間接驅(qū)動，從而解決解決慣量匹配問題。

（二）、機械手臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化

機器人手臂優(yōu)化必須要根據(jù)機器人抓取重量、運動精度、運動形式等方面因素而確定，不僅要降低手臂部件的重要，還要提升手臂部件的剛度，確保系統(tǒng)運動的定位精度和穩(wěn)定性。本文所研究的平面關(guān)節(jié)型機器人，在平面內(nèi)已完全實現(xiàn)繞關(guān)節(jié)軸線旋轉(zhuǎn)運動的作用，手臂1和機座、手臂1和手臂2之間全部進行轉(zhuǎn)動連接。其中手臂1在機器人系統(tǒng)運行過程當中，第一關(guān)節(jié)需要承受大部分作用力，其轉(zhuǎn)矩也是最大。因此，在整合優(yōu)化設(shè)計時，不僅要進行全面分析，也要突出重點，從而找到最好的解決方案。在初步設(shè)定時，可將手臂1設(shè)置為空心變截面梁，手臂2設(shè)計為空心等截面梁?？招牧航Y(jié)構(gòu)可完全發(fā)揮材料自身的潛力和作用，有效控制材料使用，降低材料自身的重量，還能提高手臂剛度，從而受到很多工業(yè)領(lǐng)域的普遍使用。

四、總結(jié)

綜上所述，在實際工業(yè)生產(chǎn)過程當中，機器人發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，其不僅能代替人工作業(yè)，還可憑借自身優(yōu)勢，進行二十四小時不間斷作業(yè)，能夠完成需求量較大的業(yè)務(wù)。部分工作要人工進行處理，會極大提升人工成本，而利用機器人作業(yè)可極大降低出錯概率。本文以平面關(guān)節(jié)型機器人的結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，進一步探究了設(shè)計過程當中存在的問題以及機器人改進策略。發(fā)現(xiàn)機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計和改進屬于一項系統(tǒng)性工作，需要考慮到各個方面的因素，同時要發(fā)現(xiàn)機器人的控制系統(tǒng)、成本、工作環(huán)境、伺服單元等方面的因素。

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