基于Solidwork的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

趙 雷

(安徽工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械與汽車工程系，安徽 淮南 232007)

機(jī)械臂因其靈活性，在工業(yè)裝配、娛樂(lè)服務(wù)以及軍事等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛.其設(shè)計(jì)上要求速度要適當(dāng)，需考慮手臂運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的慣性，手臂動(dòng)作要靈活，以適應(yīng)復(fù)雜的生產(chǎn)過(guò)程，還需要有通用性，可以適應(yīng)多數(shù)生產(chǎn)環(huán)境.

相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者對(duì)機(jī)械臂設(shè)計(jì)展開了研究，文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)了枸杞采摘機(jī)器人雙機(jī)械臂結(jié)構(gòu)，使用D-H矩陣建立機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)方程，結(jié)合機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)，構(gòu)建逆運(yùn)算D-H矩陣坐標(biāo)系，獲取機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)軌跡.文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)了微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人機(jī)械臂結(jié)構(gòu)，建立機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)模型，使用D-H矩陣獲取運(yùn)動(dòng)參數(shù)，結(jié)合蒙特卡洛算法得到機(jī)械臂的活動(dòng)范圍，對(duì)機(jī)械臂的體積進(jìn)行縮小，完成機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).

Solidwork在裝配設(shè)計(jì)中能夠直接利用當(dāng)前已有的模塊，生成新的優(yōu)化模塊[3].無(wú)論是從自頂而下的方式，還是自底而上的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，Solidwork都會(huì)大大提高機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)精度[4].本文提出一種基于Solidwork的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，可提高機(jī)械臂結(jié)構(gòu)的控制精度和穩(wěn)定性.

1 總體設(shè)計(jì)

基于Solidwork的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)構(gòu)造總體設(shè)計(jì)思想為：在滿足既定性能及安全系數(shù)下，通過(guò)單個(gè)零件，盡量地降低機(jī)械臂的本體質(zhì)量，提高機(jī)械臂整體運(yùn)行精度[5].本文利用螺釘、螺桿及螺柱、螺母等配件，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂零件的裝配.對(duì)于和軸承類似的關(guān)鍵受力部件采用鋼材料，其余零件采用鋁合金材質(zhì).

2 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)

機(jī)械臂主要由手爪結(jié)構(gòu)、回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)、小臂結(jié)構(gòu)、大臂結(jié)構(gòu)、底座結(jié)構(gòu)組成，其簡(jiǎn)圖如圖1所示.

圖1 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)

2.1 手爪

機(jī)械臂結(jié)構(gòu)的構(gòu)建中，存在復(fù)雜性和特殊性，提出了新穎的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)右旋渦輪運(yùn)動(dòng)，平行四邊形式連桿與右旋渦輪的上下鉗口相連，電機(jī)將蝸桿帶動(dòng)起來(lái)[6]，實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)的過(guò)程中，渦輪的旋轉(zhuǎn)方向與蝸桿的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反.平行四邊形式連桿確保機(jī)械臂對(duì)物品抓取時(shí)，機(jī)械臂可以平穩(wěn)運(yùn)動(dòng).上下鉗口選用螺柱和螺母，便于拆卸、更換.在手爪的鉗口處有橡膠包裝，能增加手爪對(duì)物體產(chǎn)生的摩擦力，而且橡膠和金屬物體之間的摩擦因數(shù)能夠達(dá)到0.8.

當(dāng)中心距為40 mm、模數(shù)為1 mm時(shí)，能斷定蝸桿分度圓的直徑是118 mm，蝸桿頭的數(shù)量為1，渦輪分度圓的直徑是62 mm，那么渦輪蝸桿的減速比為62，且傳動(dòng)效率為0.9.依據(jù)手爪結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，連桿的長(zhǎng)度為100 mm，使用到的安全系數(shù)為1.5.

依據(jù)技術(shù)要求，機(jī)械臂手爪鉗口的開關(guān)速度為40 mm/s，則1 s之內(nèi)帶動(dòng)上鉗移動(dòng)時(shí)，渦輪的旋轉(zhuǎn)角度為11.3°；1 s內(nèi)蝸桿的旋轉(zhuǎn)角為700.6°；蝸桿的角速為12 rad/s，夾持力為50 N；渦輪所需的輸出轉(zhuǎn)矩為5 N·m；電機(jī)需要的功率為21.6 W.

選取57BYG250B型兩相混合式電機(jī)，該電機(jī)尺寸為 57 mm×57 mm×56 mm，質(zhì)量0.8 kg，步距角1.8°，且保持力矩1.2 N·m，額定電流2.5 A，工作電壓24 V.

綜上所述，采用比較普遍的圓柱渦輪蝸桿[7]，詳細(xì)參數(shù)為：模數(shù)1 mm，蝸桿頭數(shù)1，渦輪齒數(shù)62，導(dǎo)程角3°10′17″，壓力角20°.普通的圓柱體蝸桿在導(dǎo)程角比3°30′時(shí)，自身有自鎖功能.為減輕手爪質(zhì)量，能將渦輪的部分切除.

因渦輪蝸桿在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中將受到一定軸向力，由此通過(guò)渦輪、蝸桿零件的大小來(lái)斷定，采用6902型深溝球軸承.電機(jī)是D字形的輸出軸，選擇的材質(zhì)是強(qiáng)度比較高的RB聯(lián)軸器，此聯(lián)軸器中最大許用轉(zhuǎn)矩為1.2 N·m.

以上述內(nèi)容為依據(jù)，獲得的機(jī)械臂手爪參數(shù)為：手爪尺寸280 mm×150 mm×60 mm；手爪質(zhì)量2.8 kg；額定抓取負(fù)載量9 kg；鉗口最大張開距離190 mm；鉗口開關(guān)速度45 mm/s.

2.2 回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)

為了使機(jī)械臂可以靈活且高效地抓取物品，應(yīng)增加回轉(zhuǎn)單位，為防止電線被卷起來(lái)甚至拉斷，回轉(zhuǎn)單位的旋轉(zhuǎn)范圍應(yīng)小于360°.本文回轉(zhuǎn)單位旋轉(zhuǎn)范圍選擇180°，正反旋轉(zhuǎn)加起來(lái)為360°，有效地保障了抓取范圍，并且可以隨時(shí)自鎖.將電機(jī)與聯(lián)軸器直接連接，完成機(jī)械臂手爪的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)[8]，過(guò)程中沒(méi)有采用渦輪蝸桿，簡(jiǎn)化了手爪的回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu).

計(jì)算被抓取物品轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，設(shè)圓柱體物品是質(zhì)量7 kg、長(zhǎng)100 mm、半徑30 mm的圓柱.轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.003 15，需要的驅(qū)動(dòng)力矩是2.03 N·m.依據(jù)技術(shù)要求，手爪的回轉(zhuǎn)速度45°/s也就是0.785 rad/s，傳動(dòng)效率為0.9，安全系數(shù)為1.5，電機(jī)需要的功率為2.66 W.

綜上，機(jī)械臂手爪回轉(zhuǎn)單元參數(shù)為：回轉(zhuǎn)部位尺寸114 mm×82 mm×66 mm，手爪回轉(zhuǎn)部位質(zhì)量1.9 kg，運(yùn)動(dòng)角度范圍±180°，運(yùn)動(dòng)角的速度45 °/s.

2.3 小臂

機(jī)械臂的小臂與手爪連接，對(duì)手爪起到支撐與回轉(zhuǎn)的作用.小臂可以改變手爪的空間位置，增加機(jī)械臂的靈活性.設(shè)計(jì)該部分時(shí)，需要進(jìn)行綜合考慮，整體的驅(qū)動(dòng)利用蝸桿的減速機(jī)和電機(jī)組合完成，結(jié)合功率和減速比等參量對(duì)小臂關(guān)節(jié)受到的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行計(jì)算.

為了獲得小臂需要的驅(qū)動(dòng)力[9]，對(duì)小臂受力進(jìn)行研究，詳細(xì)如圖2所示.

由圖2可知，受到的剪力是128 N，彎矩是47.23 N·m.以小臂旋轉(zhuǎn)速度20°/s的技術(shù)要求為基礎(chǔ)，傳動(dòng)效率是0.9，使用的安全系數(shù)是1.5，那么電機(jī)的功率是27.4 W.

(a) 小臂平面

(b) 載荷分布

(c) 剪力

(d) 彎矩圖2 小臂載荷剪力彎矩示意

選擇RV30型蝸輪蝸桿減速器， 57J1880EC型電機(jī)，尺寸57 mm×57 mm×105 mm，質(zhì)量1.1 kg，步距1.8°，工作電壓24 V，額定電流6 A.

2.4 大臂

機(jī)械臂的大臂是機(jī)械臂中各部分受到轉(zhuǎn)矩最大的關(guān)節(jié)，對(duì)其進(jìn)行合理設(shè)計(jì)有著關(guān)鍵性的作用.本文設(shè)計(jì)的機(jī)械臂大臂和小臂理念類似，但大臂小臂的關(guān)節(jié)對(duì)稱裝配不同.

為了選取大臂關(guān)節(jié)中驅(qū)動(dòng)電機(jī)型號(hào)，對(duì)大臂關(guān)節(jié)的受力進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖3所示.

(a) 大臂平面

(b) 載荷分布

(c) 剪力

(d) 彎矩圖3 大臂載荷剪力彎矩示意

由圖3可知，大臂剪力為220 N，彎矩為109.9 N·m.按照相關(guān)技術(shù)要求，確定大臂旋轉(zhuǎn)速度20°/s，傳動(dòng)效率0.9，安全系數(shù)1.5，選取的電機(jī)功率為64 W.

同樣，選擇RV30型渦輪蝸桿減速器.電機(jī)型號(hào)86J1811C8E，質(zhì)量4.4 kg，尺寸86 mm×86 mm×149 mm，步距角1.8°，工作電壓48 V，保持力矩8.5 N·m，額定電流7 A.

2.5 底座

機(jī)械臂的底座要有穩(wěn)定性，并且其擁有很大的傾覆力矩，通過(guò)相關(guān)技術(shù)要求得知，通過(guò)腰部帶動(dòng)底座以上部分的機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)范圍為正反360°，旋轉(zhuǎn)任何位置都可以實(shí)現(xiàn)自鎖.其中，渦輪蝸桿減速器是雙輸出軸，采用型號(hào)5×5×32的圓頭平鍵傳遞轉(zhuǎn)矩.底座的轉(zhuǎn)軸和轉(zhuǎn)臺(tái)等部分利用螺釘固定.選擇的冷彎等邊鋼槽尺寸是100 mm×50 mm×4 mm，底座轉(zhuǎn)軸為45#鋼調(diào)質(zhì)處理，而剩下的加工件均為鋁合金材料.

經(jīng)過(guò)估算，底座可承受傾覆力矩是220 N·m，通過(guò)圓螺母、止動(dòng)墊圈的無(wú)間配合，來(lái)鎖緊小推力球中的軸承，能夠讓軸承承受較大的傾覆力矩，完成底座的改進(jìn).

基于尺寸和額定載荷確定小推力球軸承型號(hào)為51106，內(nèi)徑是30 mm，圓螺母的型號(hào)M30×1.5，制動(dòng)墊圈型號(hào)30.基座與底座轉(zhuǎn)臺(tái)間的旋轉(zhuǎn)，如果大推力球軸承的內(nèi)徑越大，則表示對(duì)傾覆力矩克服的能力就越強(qiáng)，進(jìn)行考慮之后，選擇了型號(hào)是51120的大推力球軸承，其內(nèi)徑是100 mm.

選擇RV30渦輪蝸桿減速器.電機(jī)選擇的型號(hào)是57BYG250H，工作電壓24 V，質(zhì)量1.8 kg，尺寸57 mm×57 mm×112 mm，步距角1.8°，保持力矩2.8 N·m，額定電流3 A.RV30渦輪蝸桿減速器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 RV30渦輪蝸桿減速器結(jié)構(gòu)

3 結(jié)構(gòu)控制優(yōu)化

在機(jī)械臂結(jié)構(gòu)的控制單元中[10]，操控人員在控制體系中十分重要，不僅要通過(guò)上位機(jī)鍵盤來(lái)輸入各單元模塊對(duì)機(jī)械臂所傳送的指令，還要利用上位機(jī)的顯示、輸出功能來(lái)對(duì)機(jī)械臂自身運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行判斷，對(duì)傳送來(lái)的指令實(shí)施判斷，來(lái)組建比較完整的閉環(huán)回路.

控制體系中的下位機(jī)屬于核心，利用對(duì)上位機(jī)控制指令的接收，控制機(jī)械臂的各驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié).通過(guò)傳感器的測(cè)量完成反饋控制，形成閉環(huán)回路，可以準(zhǔn)確控制機(jī)械臂的整體結(jié)構(gòu)，具體如圖5所示.

圖5 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)控制體系

經(jīng)過(guò)對(duì)比，最后選擇DSP-TMS320F28335開發(fā)板，當(dāng)作上位機(jī)和下位機(jī)主控單元.DSP使用32位浮點(diǎn)，其主頻是150 MHz，通過(guò)Solidwork軟件對(duì)機(jī)械臂零部件進(jìn)行優(yōu)化，使用其裝配功能組裝機(jī)械臂零部件.

3.1 輸入和輸出單元

為了實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂結(jié)構(gòu)的高效控制，需要給下位機(jī)輸入電機(jī)對(duì)各個(gè)關(guān)節(jié)的控制命令，通過(guò)構(gòu)建鍵盤輸入模塊完成對(duì)各關(guān)節(jié)的控制.單個(gè)按鍵的開關(guān)實(shí)現(xiàn)電位高低的改變，以達(dá)到指令的觸發(fā)性能.多組按鍵要大規(guī)模的I/O控制引腳實(shí)現(xiàn)，結(jié)合DSP選擇矩形鍵盤，矩形鍵盤優(yōu)點(diǎn)是占用IO口資源少，也能減少外圍的電路連接線.

3.2 電源單元

在機(jī)械臂結(jié)構(gòu)的電源單元中，為了加強(qiáng)電源供電抗干擾能力，在連線的過(guò)程中將直流穩(wěn)壓和低通濾波高效結(jié)合，提高電源的抗干擾性能.工作狀態(tài)過(guò)程中，使用開關(guān)電源將220 V的交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓.其開關(guān)電源型號(hào)為MS-250-12，輸出電壓為12 V，電流為20 A，功率為250 W.

3.3 閉環(huán)控制

在閉環(huán)控制模塊中，引入各個(gè)種類的傳感器，完成機(jī)械臂輸出實(shí)際參量的實(shí)時(shí)采集，經(jīng)過(guò)不斷調(diào)整直到達(dá)到預(yù)期的控制量.并且電機(jī)控制時(shí)，通常采用速度傳感器/光電編碼器，測(cè)量精度較高，成本較低.DSP本身可以連接正交接口單元，因此閉環(huán)控制體系中，采用的光電編碼器能夠直接在電機(jī)輸出軸中進(jìn)行安裝.

通過(guò)光源、透鏡及光敏元件等模塊構(gòu)成增量式編碼器.該單元中，光源經(jīng)透鏡會(huì)產(chǎn)生2條光束，并分別穿過(guò)碼盤透光孔至光敏元件，當(dāng)轉(zhuǎn)盤進(jìn)行旋轉(zhuǎn)時(shí)，光敏元件生成脈沖信號(hào)，數(shù)字脈沖信號(hào)用來(lái)對(duì)電極轉(zhuǎn)向進(jìn)行辨識(shí).

通過(guò)PID控制提高機(jī)械臂控制，根據(jù)光電編碼器對(duì)電機(jī)實(shí)際的運(yùn)行位置和速度進(jìn)行接收，將結(jié)果應(yīng)用至輸出控制上，其中的控制原理如圖6所示.

圖6 控制系統(tǒng)原理

對(duì)圖6中的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行分析，控制偏差e(t)代表預(yù)設(shè)值及實(shí)際輸出值之間的差，利用計(jì)算獲取到控制量u(t)，再對(duì)電機(jī)控制構(gòu)建一個(gè)反饋，則控制量為

(1)

式中：TI為積分系數(shù)；kp為比例系數(shù)；TD為微分系數(shù).

綜上所述，獲得控制量之后，利用比例積分和微分之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械臂結(jié)構(gòu)的總體控制.

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)仿真平臺(tái)為RTL8019AS，試驗(yàn)數(shù)據(jù)取自于某機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究數(shù)據(jù)，采用3種方法分別對(duì)機(jī)械臂結(jié)構(gòu)中的電源抗干擾性能、鉗口抓取物體的穩(wěn)定性以及小臂夾持物品的精確性等方面對(duì)機(jī)械臂結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行試驗(yàn).

4.1 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)中的電源抗干擾性能

在RTL8019AS平臺(tái)中輸入某機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示.

(a) 文獻(xiàn)[1]方法

(b) 文獻(xiàn)[2]方法

(c) 本文方法圖7 不同方法抗干擾效果

由圖7可知：在抗干擾方面，本文方法的電源供電抗干擾能力最強(qiáng)；在連線過(guò)程中，通過(guò)直流穩(wěn)壓和低通濾波結(jié)合來(lái)提高電源抗干擾的能力，因此振幅波形相比當(dāng)前方法更為平緩.

4.2 鉗口抓取物體的穩(wěn)定性

采用不同方法在相同時(shí)間內(nèi)抓取物體數(shù)量如表1所示.

由表1可知，在相同時(shí)間內(nèi)，本文方法成功抓取數(shù)量最多.因?yàn)楸疚脑O(shè)計(jì)的鉗口表面有橡膠，增加了對(duì)物體的摩擦力，橡膠和金屬物體之間的摩擦系數(shù)能夠達(dá)到0.8.因此，增加了本文設(shè)計(jì)的機(jī)械臂在抓取物體時(shí)的穩(wěn)定性，物體不易掉落.

表1 不同方法相同時(shí)間內(nèi)抓取物體數(shù)量

4.3 小臂夾持物品的精確性

圖8為一個(gè)簡(jiǎn)易機(jī)械臂抓取物品示意圖，其中虛線部分表示處于晃動(dòng)中，實(shí)線表示處于穩(wěn)定狀態(tài)中.

(a) 文獻(xiàn)[1]方法

(b) 文獻(xiàn)[2]方法

(c) 本文方法圖8 不同方法機(jī)械臂抓取物體準(zhǔn)確性

由圖8可知，本文方法在抓取物體時(shí)機(jī)械臂處于穩(wěn)定狀態(tài)中.這是因?yàn)楸疚脑O(shè)計(jì)的小臂在進(jìn)行俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，可增加機(jī)械臂在空間中的運(yùn)動(dòng)力，使得機(jī)械臂在夾持物品時(shí)，提高了結(jié)構(gòu)的靈活性和精確性.

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出基于Solidwork的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，對(duì)機(jī)械臂的手爪、回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)、小臂結(jié)構(gòu)等部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并通過(guò)閉環(huán)控制單元對(duì)整個(gè)機(jī)械臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制.通過(guò)試驗(yàn)證明本文所提方法電源供電抗干擾能力強(qiáng)，并且其夾持物品性能方面精度高、穩(wěn)定性好，但還存在發(fā)展空間.另外，多自由度作為機(jī)械臂發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)，其采用的設(shè)計(jì)思想是給自由度留下接口，可在該方面進(jìn)一步添加新內(nèi)容；機(jī)械臂的部分零件成本有些高，應(yīng)在該方面進(jìn)行改進(jìn).本文對(duì)機(jī)械臂的軟件方面設(shè)計(jì)較少，在下一步的研究中，應(yīng)對(duì)機(jī)械臂結(jié)構(gòu)的軟件方面進(jìn)行更深層次的研究，為該領(lǐng)域的發(fā)展提供更為堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).