仿人機(jī)器人四自由度機(jī)械臂的設(shè)計(jì)與性能分析

仿人機(jī)器人四自由度機(jī)械臂的設(shè)計(jì)與性能分析摘要目的：針對(duì)某型仿人機(jī)器人的需求，完成其四自由度機(jī)械臂的肩關(guān)節(jié)、上臂、肘關(guān)節(jié)及前臂的關(guān)節(jié)一體化和輕量化設(shè)計(jì)。方法：利用SolidWorks進(jìn)行三維建模，并利用ABAQUS進(jìn)行有限元仿真驗(yàn)證。結(jié)果：完成了應(yīng)力應(yīng)變分析，結(jié)果說(shuō)明機(jī)械臂前臂末端在承受6倍額定負(fù)荷的情況下產(chǎn)生的應(yīng)力未超過(guò)機(jī)械臂結(jié)構(gòu)所用材料的屈服極限，機(jī)械臂產(chǎn)生的最大位移小于20mm。結(jié)論該機(jī)械臂設(shè)計(jì)滿足某型仿人機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞仿人機(jī)器人;關(guān)節(jié)一體化;輕量化設(shè)計(jì);有限元仿真中圖分類號(hào)：TP242文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.19694/j ki.issn2095-2457.2021.09.0540前言機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)自1960年代初問(wèn)世至今，已經(jīng)開(kāi)展成為集機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、材料、傳感器、控制技術(shù)、人工智能等多門科學(xué)于一體的技術(shù)學(xué)科，在各種類別的機(jī)器人中，仿人機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、集成度最高，而仿人機(jī)械臂作為仿人機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)1-4。仿人機(jī)械臂作為機(jī)器人開(kāi)展的高級(jí)階段，是仿人學(xué)與機(jī)械臂領(lǐng)域應(yīng)用需求的結(jié)合產(chǎn)物，其作為仿人機(jī)器人的重要執(zhí)行局部，具有一些和人體手臂類似的功能，如拿取、拉動(dòng)、推動(dòng)以及舉起或抬起物體等【5】。1四自由度機(jī)械臂設(shè)計(jì)1.1四自由度機(jī)械臂設(shè)計(jì)要求某型仿人機(jī)器人四自由度機(jī)械臂的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于輕量化和關(guān)節(jié)一體化設(shè)計(jì)，表1為仿人機(jī)器人的四自由度機(jī)械臂的設(shè)計(jì)要求，其最根本的要求在于機(jī)械臂的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)形式與人體手臂相似，在符合人體上肢運(yùn)動(dòng)機(jī)理的原那么下進(jìn)行分配機(jī)械臂的自由度和尺寸設(shè)計(jì)。1.2總體方案設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)部件是機(jī)械臂的動(dòng)力來(lái)源，其選擇也是機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。仿人機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)方式選擇的依據(jù)主要為性能、重量、傳動(dòng)效率等方面。目前，大多數(shù)的仿人機(jī)器人采用的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)方式主要有三種，分別為液壓驅(qū)動(dòng)、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)以及人工氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)。液壓驅(qū)動(dòng)具有可以輸出大的推力或大轉(zhuǎn)矩，可實(shí)現(xiàn)低速大噸位運(yùn)動(dòng)，在相同功率下，液壓驅(qū)動(dòng)裝置體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，但是油的泄露和液體的可壓縮性會(huì)影響執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性，無(wú)法保證嚴(yán)格的傳動(dòng)比，且油溫的變化比較敏感，能量損失較大。人工肌肉傳動(dòng)具有體積小、重量輕、靈活方便以及輸出力大的優(yōu)點(diǎn)，但是輸出力和輸出力矩相對(duì)較小，傳動(dòng)效率低，并且因?yàn)榭諝獾膲嚎s性，不易實(shí)現(xiàn)精密控制。相比之下，采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)精確地位置控制，結(jié)合體積緊湊的諧波減速器，可以有效地解決電機(jī)輸出力矩較小的缺點(diǎn)。綜合考慮，最終采用直流伺服電機(jī)和諧波減速器配合的驅(qū)動(dòng)方式，使該仿人機(jī)械臂具有尺寸小、運(yùn)動(dòng)靈活、結(jié)構(gòu)可靠、負(fù)載自重比高的特點(diǎn)。在確定了仿人機(jī)器人四自由度機(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)方式后，仿人機(jī)器人的四自由度機(jī)械臂設(shè)計(jì)方案如圖1所示。1.3關(guān)節(jié)一體化及輕量化設(shè)計(jì)為了提高空間利用率、減小傳動(dòng)誤差以及提高定位精度，將電機(jī)和諧波減速器進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，利用電機(jī)外殼和諧波減速器的鋼輪進(jìn)行螺栓連接，電機(jī)輸出軸和諧波減速器輸入軸直連。對(duì)機(jī)械臂的輕量化主要表達(dá)在兩個(gè)方面。一方面對(duì)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，將電機(jī)和諧波減速器上一些非應(yīng)力集中區(qū)進(jìn)行打孔、開(kāi)槽等一系列減重處理，另一方面在進(jìn)行驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，采用一體化設(shè)計(jì)的方式，盡可能減少連接組件的數(shù)量，在保證連接剛度的同時(shí)，完成輕量化的要求。圖為第一驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)與第二驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的連接部件，該部件利用螺栓與諧波減速器的鋼輪進(jìn)行連接，為了防止工作時(shí)減速器軸承上的潤(rùn)滑油流出造成污染，在部件上設(shè)計(jì)了如圖2b所示的油封槽，并利用該槽與O型圈配合使用防止?jié)櫥托孤丁７氯藱C(jī)械臂機(jī)構(gòu)布局時(shí)，應(yīng)使四個(gè)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的重心兩兩處于同一軸線上，以此來(lái)防止不必要的額外轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。2機(jī)械臂總體機(jī)械設(shè)計(jì)確定仿人機(jī)器人四自由度機(jī)械臂的自由度分布、結(jié)構(gòu)構(gòu)型以及各關(guān)節(jié)連接形式后，在易于加工和便于拆裝維修的原那么下完成機(jī)械臂的總體設(shè)計(jì)，采用SolidWorks三維建模，仿人機(jī)械臂的總體實(shí)體如圖3b所示，圖3a為仿人機(jī)器人四自由度機(jī)械臂的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖。機(jī)械臂的末端裝有執(zhí)行器連接件，可以根據(jù)工作環(huán)境的不同更換不同的執(zhí)行器。3有限元分析有限元分析步驟分為前置處理、計(jì)算求解和后置處理三個(gè)階段，以下在Simulation和ABAQUS中分別對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)和模態(tài)分析。3.1靜力學(xué)分析結(jié)構(gòu)材料選用7075-T6鋁合金，其質(zhì)量密度為2810kg/m3、楊氏模量7.199X1010N/m2、泊松比0.33，在設(shè)置好邊界條件后，對(duì)仿人機(jī)械臂前臂的末端同時(shí)施加兩個(gè)正交方向的6倍額定負(fù)荷進(jìn)行檢驗(yàn)，其仿真結(jié)果如圖4所示。靜力學(xué)分析的結(jié)果說(shuō)明，機(jī)械臂的末端同時(shí)施加兩個(gè)正交方向的6倍額定負(fù)荷，產(chǎn)生的最大應(yīng)力為4.5X108N/m2，小于材料的屈服極限，機(jī)械臂前臂末端產(chǎn)生的最大位移為11.6mm，未超過(guò)預(yù)設(shè)的最大變形量15mm，最大應(yīng)力與最大位移的分析結(jié)果說(shuō)明該仿人機(jī)械臂滿足設(shè)計(jì)要求。3.2模態(tài)分析模態(tài)分析主要用于確定結(jié)構(gòu)和機(jī)械零部件的振動(dòng)特性，在結(jié)構(gòu)振動(dòng)過(guò)程中，超過(guò)90%的能量集中在前6階模態(tài)中，高階模態(tài)能量比重較小，對(duì)機(jī)構(gòu)的影響可以忽略。那么前6階模態(tài)振型如圖5所示，圖6為前六階的模態(tài)分析數(shù)據(jù)。模態(tài)分析的作用是計(jì)算出模型的模態(tài)參數(shù)，通過(guò)模態(tài)分析的結(jié)果可以預(yù)測(cè)仿人機(jī)械臂在某一頻率范圍內(nèi)的振動(dòng)響應(yīng)，是仿人機(jī)械臂動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和設(shè)備故障診斷的重要依據(jù)6-7。4結(jié)論根據(jù)某型仿人機(jī)器人四自由度機(jī)械臂的設(shè)計(jì)要求，完成了仿人機(jī)械臂的自由度分配、關(guān)節(jié)一體化、輕量化以及總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)有限元軟件對(duì)其進(jìn)行仿真，在機(jī)械臂的末端同時(shí)施加兩個(gè)正交方向的6倍額定負(fù)荷，產(chǎn)生的最大應(yīng)力為4.5X108N/m2，小于材料的屈服極限，機(jī)械臂前臂末端產(chǎn)生的最大位移為11.6mm，未超過(guò)預(yù)設(shè)的最大變形量15mm，滿足設(shè)計(jì)要求。該機(jī)械臂結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工和拆卸，通過(guò)改變末端執(zhí)行器的種類可以適用于多種工作環(huán)境，具有較強(qiáng)的通用性。參考文獻(xiàn)【1】田野，陳曉鵬，賈東永，孟非，黃強(qiáng).仿人機(jī)器人輕型高剛性手臂設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析J.機(jī)器人，2021，3303：332-339.【2】B.Tondu.Modellingoftheshouldercomplexandapplicationtothedesignoftheupperextremitiesforhumanoidrobots.Proceedingsofthe20045thIEEE-RESInternationalConferenceonHumanoidRobots.2021：313-320.【3】李寧.七自由度仿人機(jī)械臂設(shè)計(jì)與分析D.大連交通大學(xué)，2021.【4】FedericoParietti，H.HarryAsada.SupernumeraryRoboticLimbsforAircraftFuselageAssembly：BodyStabilizationandGuidancebyBracing.IEEEInternationalConferenceonRobotics&Automation.2021，1176-1178.【5】郭巧.現(xiàn)代機(jī)器人學(xué)：仿人系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)感知與控制M.北京：北京理工大學(xué)出版，2021.【6】趙麗娟，周文潮，田震，孟洋.轉(zhuǎn)爐滑板機(jī)械臂的設(shè)計(jì)與研究J.機(jī)械強(qiáng)度，2021，3902：452-456.【7】安凱，畢雁，馬佳光.末端帶載荷的單連桿機(jī)械臂振動(dòng)模態(tài)分析J.光電工程，2021，4307：22-27.