輕質(zhì)液壓機械臂的機構(gòu)優(yōu)化探討

和紅波

液壓機械臂在五金設(shè)備、工業(yè)機器人、車輛工程等領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛，相較于常規(guī)類型的液壓機械臂，輕質(zhì)液壓機械臂在應(yīng)用中具有結(jié)構(gòu)緊湊度高、整體質(zhì)量較輕、負載能力強等優(yōu)勢，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到汽車制造、物流等領(lǐng)域。在工業(yè)4.0 背景下，對于輕質(zhì)液壓機械臂工作性能提出更高要求，這也需要對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，使其能夠契合當(dāng)前生產(chǎn)要求，為企業(yè)創(chuàng)造出更多的經(jīng)濟效益。

1 輕質(zhì)液壓機械臂機構(gòu)的主要組成

總結(jié)以往的應(yīng)用經(jīng)驗可以得知，輕質(zhì)液壓機械臂（如圖1 所示）在應(yīng)用中，主要由大臂、二臂、小臂3 個臂節(jié)和抓手構(gòu)成。大臂一端通過支座支撐在足式機器人機身上，各臂之間通過桿件和油缸組成的連桿機構(gòu)連接，各臂節(jié)均由油缸推動連桿機構(gòu)調(diào)節(jié)機械臂姿態(tài)，完成指定動作。輕質(zhì)液壓機械臂第一自由度為支座的轉(zhuǎn)動，第二、三、四自由度為3 節(jié)機械手臂的俯仰，第五自由度為機械抓手的轉(zhuǎn)動，第六自由度為抓手的夾持。在機械臂的具體工作中，會在系統(tǒng)接收到指令后，開始對大臂下達指令，大臂會在指令要求下開始轉(zhuǎn)動，旋轉(zhuǎn)到某一角度后，帶大臂也會沿著某方向進行延伸，而二臂會在大臂完成移動后，開始進行進一步的微調(diào)，最后再指揮小臂進行運動，到達預(yù)設(shè)位置后，指揮抓手來對物品進行夾取，確定抓取后，大臂會繼續(xù)轉(zhuǎn)動到既定位置，隨后再帶動二臂與小臂展開進一步運動，完成一個循環(huán)操作[1]。

2 輕質(zhì)液壓機械臂機構(gòu)優(yōu)化必要性

在輕質(zhì)液壓機械臂的工作中，如果其末端執(zhí)行器處于較大的狀態(tài)，那么在力臂較長的情況下，機械臂驅(qū)動連桿機構(gòu)在具體工作中所需要承擔(dān)的荷載較大，這也對油缸選型和桿件尺寸參數(shù)提出了更好要求，同時也提高了結(jié)構(gòu)的質(zhì)量與空間。由此可以看出，如果在不改變油缸參數(shù)的基礎(chǔ)上，需要做好連桿機械構(gòu)型的優(yōu)化設(shè)計，這樣可以在機械臂處于較大復(fù)雜情況下，會減少對油缸的具體荷載，這樣才可以在保持工作空間穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，持續(xù)提升輕質(zhì)液壓機械臂的運營承載力，從而提升整個結(jié)構(gòu)運行狀態(tài)的穩(wěn)定性[2]。另外，通過機械臂機構(gòu)優(yōu)化，也能夠進一步提升機械臂的承載力，使其可以更好地承擔(dān)更多工作內(nèi)容，滿足不同領(lǐng)域的應(yīng)用要求。

3 輕質(zhì)液壓機械臂的機構(gòu)優(yōu)化內(nèi)容

3.1 大臂優(yōu)化

從實際應(yīng)用情況來看，在對大臂進行優(yōu)化時，應(yīng)注意以下內(nèi)容：（1）大臂優(yōu)化的主要目的，是提升大臂的最大工作負荷，使其可以滿足不同形態(tài)下的應(yīng)用要求。因此，在對大臂進行優(yōu)化時，需要對末端執(zhí)行器進行科學(xué)化設(shè)計，使其可以形成最為省力的機械構(gòu)型，從而讓大臂結(jié)構(gòu)在保證穩(wěn)定運行狀態(tài)的同時，能夠提升大臂運行狀態(tài)的穩(wěn)定性[3]。（2）在大臂優(yōu)化過程中，需要做好關(guān)節(jié)活動范圍的調(diào)整，在實際應(yīng)用中，會對大臂的工作狀態(tài)展開幾何分析，了解機械臂不同鉸接點的動態(tài)位置，并且在應(yīng)用中會對大臂的準靜態(tài)動力學(xué)狀態(tài)進行分析，并以此來完成矢量力矩平衡方程，以此來得到各個桿件的實時負載，并以此來調(diào)整大臂鉸接點、轉(zhuǎn)動范圍，使其可以滿足更多情況下的工作要求，以提升整個大臂結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)的穩(wěn)定性，滿足系統(tǒng)穩(wěn)定運行要求。

3.2 二臂優(yōu)化

結(jié)合目前的應(yīng)用情況來，在對二臂進行優(yōu)化時，也需注意以下幾點：（1）二臂優(yōu)化的主要目的，是進一步提升二臂的運行負荷，使其可以在大臂轉(zhuǎn)向到預(yù)設(shè)位置后，以此為支點來進一步提供工作負荷，以達到提高系統(tǒng)整體負荷的作用?；诖耍槍Χ圻M行優(yōu)化設(shè)計時，也需要對二臂的執(zhí)行器進行科學(xué)設(shè)計，在滿足執(zhí)行器穩(wěn)定工作要求的同時，可以進一步提高整個結(jié)構(gòu)的工作負荷，使其滿足相應(yīng)的運行需求[4]。（2）在二臂優(yōu)化過程中，也需要做好關(guān)節(jié)活動范圍的進一步調(diào)整，從實際應(yīng)用情況來看，也會依托相關(guān)模型來對二臂工作狀態(tài)展開幾何分析，在大臂工作到某一狀態(tài)后，二臂所對應(yīng)的工作狀態(tài)，梳理二臂所對應(yīng)的動態(tài)位置，并且在模型輔助下也可以了解二臂目前的靜態(tài)動力學(xué)狀態(tài)，結(jié)合相應(yīng)方程來確定具體負載，并對相關(guān)內(nèi)容來進行調(diào)整，維持二臂轉(zhuǎn)動角度、伸長長度等內(nèi)容進行調(diào)整，以提高系統(tǒng)運行狀態(tài)的可靠性。

3.3 小臂優(yōu)化

除上述提到的相關(guān)內(nèi)容外，在實際運行過程中，需要結(jié)合現(xiàn)階段應(yīng)用情況，對小臂進行優(yōu)化處理，實踐中也需注意以內(nèi)容：（1）小臂優(yōu)化的主要目的，是提升機械臂系統(tǒng)工作結(jié)果的精準度，便于抓手可以按要求完成夾緊、松開等操作，滿足零部件的生產(chǎn)要求。基于此，在具體的優(yōu)化中，也會對小臂的執(zhí)行器工作狀態(tài)進行調(diào)整，使其可以在滿足穩(wěn)定器工作要求的同時，提升整個系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性[5]。（2）在小臂優(yōu)化過程中，也需要優(yōu)化小臂結(jié)構(gòu)的關(guān)節(jié)狀態(tài)，相較于二臂與大臂，小臂是抓手穩(wěn)定工作的主要驅(qū)動結(jié)構(gòu)，這也需要在具體應(yīng)用中小臂能夠擁有精準度更高的角度調(diào)整能力，使抓手可以準確抓取目標物。在具體的優(yōu)化活動中，也會依托現(xiàn)有數(shù)據(jù)來建立目標函數(shù)，依托目標函數(shù)來完成關(guān)鍵內(nèi)容求解，從而得到具體的優(yōu)化處理結(jié)果。

4 輕質(zhì)液壓機械臂機構(gòu)優(yōu)化實例分析

4.1 大臂優(yōu)化前數(shù)據(jù)

某輕質(zhì)液壓機械臂的制作材料為鋁合金材料，整體質(zhì)量為20kg，大臂在應(yīng)用中的轉(zhuǎn)角范圍為0°—180°，而且油缸在應(yīng)用時的受力峰值為26086N。在機械臂所有臂節(jié)完全伸展成水平姿態(tài)時，那么結(jié)構(gòu)質(zhì)量重心會位于距離大臂水平方向的1030mm 位置處，大臂的工作范圍半徑范圍為1324mm，而此次優(yōu)化的目的，是提升大臂的綜合承載力，使其在任何角度下都能承載30kg。在具體的分析活動中，需要先對大臂連桿機構(gòu)展開細化分析，隨后利用ADAMS 軟件建立該液壓機械臂大臂模型，在自身質(zhì)量及負載重心處施加載荷50kg，此時輕質(zhì)液壓機械臂處于最大載荷工況，模擬機械臂大臂在整個轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)的運動情況，大臂油缸受力隨大臂轉(zhuǎn)角的變化而變化[6]。根據(jù)獲取到的分析數(shù)據(jù)可以得知，在大臂的轉(zhuǎn)角已經(jīng)達到了極限位置，即轉(zhuǎn)角180°時，此時油缸的工作載荷處于最大的狀態(tài)，即此狀態(tài)下油缸的受力峰值為26086N，但是目前的油缸支撐機械臂較難滿足應(yīng)用需求，需要對其進行優(yōu)化設(shè)計，使大臂結(jié)構(gòu)能夠處于非常穩(wěn)定的狀態(tài)，能夠滿足現(xiàn)有的運行要求。

4.2 確定具體變量

在建立模型時，需要先對具體應(yīng)用變量進行確定，為簡化模型的分析過程，首要任務(wù)便是對大臂結(jié)構(gòu)進行簡化處理。如圖一所示，大臂結(jié)構(gòu)在工作時共有A、B、C、D、E 五個關(guān)節(jié)鉸接點，其中A 點為大臂與支座的連接點，也是坐標系的原點。在分析大臂具體變量時，會選擇轉(zhuǎn)動支點A 點以外其他鉸接點來作為設(shè)計變量。在模型中圍繞A 點建立坐標系，計算出其他鉸接點對應(yīng)坐標。并以此來建立設(shè)計變量集合U，U={u1,u2,u3,u4,u5,u6,u7,u8}，集合中u1,u2 的表示大臂驅(qū)動缸相對于B 點的縱橫坐標；u3,u4 表示連接桿相對于C 點的縱橫坐標；u5,u6 表示鉸接點D 點的橫縱坐標；u7,u8 表示油缸與鉸接點E 對應(yīng)的橫縱坐標。

圖一 大臂工作原理圖

圖1 輕質(zhì)液壓機械臂外觀

4.3 設(shè)置目標函數(shù)

4.3.1 確定計算方法

完成設(shè)計變量的設(shè)計后，開始進行目標函數(shù)的設(shè)計，在函數(shù)設(shè)計活動開始前，需要提前對各項關(guān)系進行梳理，即此次大臂優(yōu)化設(shè)計方案，在實際應(yīng)用中需要在確保大臂關(guān)節(jié)順利轉(zhuǎn)動的情況下，使油缸可以處于最優(yōu)工作狀態(tài)，而整個過程則可以形成較為省力的機械結(jié)構(gòu)，為結(jié)構(gòu)的進一步優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。在具體的分析活動中，為了加快各項數(shù)據(jù)的計算速度，在實際應(yīng)用中選擇使用顯式分析方法，借助矢量運算來得到所需的數(shù)學(xué)模型，從而得到鉸接點的對應(yīng)位置。需要注意的是，在大臂工作期間，部分鉸接點會處于動態(tài)變化的狀態(tài)，因此在整個模型的建立中，也會引入線性變換方法來優(yōu)化模型計算環(huán)境，從而提高模型計算結(jié)果的可靠性。而整個坐標系當(dāng)中，A 和B 點處于固定位置，不會出現(xiàn)動態(tài)變化，因此在計算中會以此為基礎(chǔ)，結(jié)合逆時針轉(zhuǎn)動角度來計算鉸接點的具體坐標。

4.3.2 建立子坐標系

為了更加高效地完成計算工作，在目標函數(shù)的確定活動中，也會以基于圖一中的內(nèi)容來建立多個子坐標系，這些坐標系和主體坐標系之間保持較高的關(guān)聯(lián)性。例如，在對D 點坐標進行求解時，會將A 作為坐標系的原點，AC 會作為坐標系X 軸的正方向，而X 軸逆時針旋轉(zhuǎn)90°后會作為整個坐標系的Y 軸，以此來進行D 點坐標的計算。在得到D 點的具體坐標后，會將此坐標系與全局坐標系進行對比，得出兩組坐標系的具體夾角，夾角數(shù)值記作φ1，依托坐標轉(zhuǎn)換公式可以求解出D 點在此次函數(shù)計算中對應(yīng)的全局坐標。按照此方法依次求解其他鉸接點的全局坐標，并結(jié)合力學(xué)分析結(jié)果來建立大臂結(jié)構(gòu)的應(yīng)用函數(shù)，從而得到準確的數(shù)據(jù)計算結(jié)果，為大臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供良好參考。

4.4 制定約束條件

在此次分析活動中，需要對約束條件進行提前確定，這也是確保優(yōu)化結(jié)果可靠性的基礎(chǔ)條件。在此次優(yōu)化設(shè)計活動中，所設(shè)置的約束條件如下：（1）確定具體的工作范圍，在整個大臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化過程中，需要保證結(jié)構(gòu)擁有穩(wěn)定的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動范圍，使其可以在原有基礎(chǔ)上擴大具體的工作范圍，以此來降低安裝重心，合理控制俯仰角度，確定角度的具體范圍。（2）運動干涉約束，在整個大臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化過程中，需要保證機械臂能夠在維持穩(wěn)定工作狀態(tài)的同時，不會對其他鉸接點工作狀態(tài)帶來影響，以此來確定具體的工作變量。（3）確定驅(qū)動單調(diào)性，在機械臂舉升過程中，為了確保此過程的便利性，需要機械臂油缸具有單調(diào)性變化的特征。在此次分析活動中，要求油缸長度能夠隨著大臂轉(zhuǎn)角的增大穩(wěn)定增加，確定最小與最大值。（4）連接桿件長度約束，在整個結(jié)構(gòu)布局活動中，需要對各個桿件的具體長度進行約束，根據(jù)大臂的具體工作情況，來確定連接桿的長度數(shù)值，使其可以在不干擾各連接點工作的同時，能夠更好地完成目標任務(wù)，得到穩(wěn)定的工作結(jié)果。

4.5 優(yōu)化結(jié)果整理

在此次優(yōu)化活動中，會保持A 點處于不變的狀態(tài)，針對大臂連接桿的其他鉸接點相對位置進行調(diào)整，使其可以滿足初期預(yù)設(shè)的相關(guān)目標。為提高分析結(jié)果的直觀性，會依托ADAMS 軟件來搭建相應(yīng)的連桿機構(gòu)模型，根據(jù)模型大臂轉(zhuǎn)角范圍來計算油缸的荷載狀態(tài)，根據(jù)模型提供的仿真環(huán)境，確定優(yōu)化后大臂從0°—180°轉(zhuǎn)角過程中，油缸的受力情況。根據(jù)得到的仿真實驗數(shù)據(jù)可以得知，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化處理后，最大油缸受力值為12036 N，而油缸的工作載荷保持不變，在很大程度上提高了各項資源的利用效率。同時在仿真實驗中，對于鉸接點荷載展開分析，了解不同載荷狀態(tài)下，大臂轉(zhuǎn)角的具體變化情況。根據(jù)得到的數(shù)據(jù)可以得知，在完成優(yōu)化后的關(guān)節(jié)鉸接點載荷會在大臂0°—180°轉(zhuǎn)角過程中，處于上升速度較慢的狀態(tài)，由此可以看出大臂結(jié)構(gòu)在此次優(yōu)化活動中，提升了結(jié)構(gòu)整體的載荷能力。而且該結(jié)構(gòu)也為大臂結(jié)構(gòu)進一步的輕量化改進，創(chuàng)造了良好的發(fā)展空間。

4.6 優(yōu)化前后對比

根據(jù)上述得到的分析結(jié)果，來對比最初狀態(tài)下機構(gòu)工作情況，可以得出以下結(jié)論：（1）在大臂進行優(yōu)化處理前，構(gòu)件位置處于動態(tài)變化幅度較大的狀態(tài)，能夠?qū)崿F(xiàn)較大空間范圍內(nèi)的工作要求。在大臂優(yōu)化后，構(gòu)件的運動軌跡與優(yōu)化前基本保持一致，未出現(xiàn)過多變化，即優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)空間范圍并沒有縮減，依舊可以滿足相應(yīng)要求。（2）在大臂進行優(yōu)化處理前，油缸的受力峰值為26086N，對于油缸的載荷負擔(dān)較大，容易出現(xiàn)機械疲勞損傷的問題。在大臂優(yōu)化后，油缸的受力峰值為12036 N，相比于優(yōu)化前結(jié)構(gòu)載荷減少了56.3%，減少了油缸的工作荷載，使其可以為大臂提供更加穩(wěn)定與持續(xù)的工作動力，提升整個結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

結(jié)束語

綜上所述，從目前的使用情況來看，輕質(zhì)液壓機械臂已經(jīng)在許多領(lǐng)域中得到了應(yīng)用，適用范圍也在不斷實踐中得到有序擴大。與此同時，在加工精度不斷提高的背景下，對于輕質(zhì)液壓機械臂工作精度、工作靈活性也提出了新要求，因此便需要對現(xiàn)有機構(gòu)進行優(yōu)化處理，使其綜合性能可以得到有效提升，滿足當(dāng)前的生產(chǎn)需求。同時也可以積累應(yīng)用經(jīng)驗，為系統(tǒng)持續(xù)優(yōu)化提供實踐經(jīng)驗支持。