仿人機器人四自由度機械臂的設(shè)計與性能分析

仿人機器人四自由度機械臂的設(shè)計與性能分析摘要目的：針對某型仿人機器人的需求，完成其四自由度機械臂的肩關(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。方法：利用SolidWorks進行三維建模，并利用ABAQUS進行有限元仿真驗證。結(jié)果：完成了應(yīng)力應(yīng)變分析，結(jié)果說明機械臂前臂末端在承受6倍額定負荷的情況下產(chǎn)生的應(yīng)力未超過機械臂結(jié)構(gòu)所用材料的屈服極限，機械臂產(chǎn)生的最大位移小于20mm。結(jié)論該機械臂設(shè)計滿足某型仿人機器人的設(shè)計要求。關(guān)鍵詞仿人機器人;關(guān)節(jié)一體化;輕量化設(shè)計;有限元仿真中圖分類號：TP242文獻標識碼：ADOI：10.19694/j ki.issn2095-2457.2021.09.0540前言機器人技術(shù)與系統(tǒng)自1960年代初問世至今，已經(jīng)開展成為集機械、電子、計算機、材料、傳感器、控制技術(shù)、人工智能等多門科學于一體的技術(shù)學科，在各種類別的機器人中，仿人機器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)最復雜、集成度最高，而仿人機械臂作為仿人機器人的執(zhí)行機構(gòu)一直是國內(nèi)外研究的熱點1-4。仿人機械臂作為機器人開展的高級階段，是仿人學與機械臂領(lǐng)域應(yīng)用需求的結(jié)合產(chǎn)物，其作為仿人機器人的重要執(zhí)行局部，具有一些和人體手臂類似的功能，如拿取、拉動、推動以及舉起或抬起物體等【5】。1四自由度機械臂設(shè)計1.1四自由度機械臂設(shè)計要求某型仿人機器人四自由度機械臂的設(shè)計重點在于輕量化和關(guān)節(jié)一體化設(shè)計，表1為仿人機器人的四自由度機械臂的設(shè)計要求，其最根本的要求在于機械臂的關(guān)節(jié)運動形式與人體手臂相似，在符合人體上肢運動機理的原那么下進行分配機械臂的自由度和尺寸設(shè)計。1.2總體方案設(shè)計驅(qū)動部件是機械臂的動力來源，其選擇也是機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點。仿人機械臂驅(qū)動方式選擇的依據(jù)主要為性能、重量、傳動效率等方面。目前，大多數(shù)的仿人機器人采用的關(guān)節(jié)驅(qū)動方式主要有三種，分別為液壓驅(qū)動、伺服電機驅(qū)動以及人工氣動肌肉驅(qū)動。液壓驅(qū)動具有可以輸出大的推力或大轉(zhuǎn)矩，可實現(xiàn)低速大噸位運動，在相同功率下，液壓驅(qū)動裝置體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，但是油的泄露和液體的可壓縮性會影響執(zhí)行元件運動的準確性，無法保證嚴格的傳動比，且油溫的變化比較敏感，能量損失較大。人工肌肉傳動具有體積小、重量輕、靈活方便以及輸出力大的優(yōu)點，但是輸出力和輸出力矩相對較小，傳動效率低，并且因為空氣的壓縮性，不易實現(xiàn)精密控制。相比之下，采用伺服電機驅(qū)動關(guān)節(jié)運動，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輸出力矩較小的缺點。綜合考慮，最終采用直流伺服電機和諧波減速器配合的驅(qū)動方式，使該仿人機械臂具有尺寸小、運動靈活、結(jié)構(gòu)可靠、負載自重比高的特點。在確定了仿人機器人四自由度機械臂的驅(qū)動方式后，仿人機器人的四自由度機械臂設(shè)計方案如圖1所示。1.3關(guān)節(jié)一體化及輕量化設(shè)計為了提高空間利用率、減小傳動誤差以及提高定位精度，將電機和諧波減速器進行一體化設(shè)計，利用電機外殼和諧波減速器的鋼輪進行螺栓連接，電機輸出軸和諧波減速器輸入軸直連。對機械臂的輕量化主要表達在兩個方面。一方面對驅(qū)動關(guān)節(jié)進行優(yōu)化，將電機和諧波減速器上一些非應(yīng)力集中區(qū)進行打孔、開槽等一系列減重處理，另一方面在進行驅(qū)動關(guān)節(jié)的連接結(jié)構(gòu)設(shè)計時，采用一體化設(shè)計的方式，盡可能減少連接組件的數(shù)量，在保證連接剛度的同時，完成輕量化的要求。圖為第一驅(qū)動關(guān)節(jié)與第二驅(qū)動關(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行連接，為了防止工作時減速器軸承上的潤滑油流出造成污染，在部件上設(shè)計了如圖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?。仿人機械臂機構(gòu)布局時，應(yīng)使四個驅(qū)動關(guān)節(jié)的重心兩兩處于同一軸線上，以此來防止不必要的額外轉(zhuǎn)動慣量。2機械臂總體機械設(shè)計確定仿人機器人四自由度機械臂的自由度分布、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械臂的總體設(shè)計，采用SolidWorks三維建模，仿人機械臂的總體實體如圖3b所示，圖3a為仿人機器人四自由度機械臂的機構(gòu)簡圖。機械臂的末端裝有執(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、計算求解和后置處理三個階段，以下在Simulation和ABAQUS中分別對其進行靜力學和模態(tài)分析。3.1靜力學分析結(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，對仿人機械臂前臂的末端同時施加兩個正交方向的6倍額定負荷進行檢驗，其仿真結(jié)果如圖4所示。靜力學分析的結(jié)果說明，機械臂的末端同時施加兩個正交方向的6倍額定負荷，產(chǎn)生的最大應(yīng)力為4.5X108N/m2，小于材料的屈服極限，機械臂前臂末端產(chǎn)生的最大位移為11.6mm，未超過預設(shè)的最大變形量15mm，最大應(yīng)力與最大位移的分析結(jié)果說明該仿人機械臂滿足設(shè)計要求。3.2模態(tài)分析模態(tài)分析主要用于確定結(jié)構(gòu)和機械零部件的振動特性，在結(jié)構(gòu)振動過程中，超過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，對機構(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)分析的作用是計算出模型的模態(tài)參數(shù)，通過模態(tài)分析的結(jié)果可以預測仿人機械臂在某一頻率范圍內(nèi)的振動響應(yīng)，是仿人機械臂動態(tài)設(shè)計和設(shè)備故障診斷的重要依據(jù)6-7。4結(jié)論根據(jù)某型仿人機器人四自由度機械臂的設(shè)計要求，完成了仿人機械臂的自由度分配、關(guān)節(jié)一體化、輕量化以及總體結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過有限元軟件對其進行仿真，在機械臂的末端同時施加兩個正交方向的6倍額定負荷，產(chǎn)生的最大應(yīng)力為4.5X108N/m2，小于材料的屈服極限，機械臂前臂末端產(chǎn)生的最大位移為11.6mm，未超過預設(shè)的最大變形量15mm，滿足設(shè)計要求。該機械臂結(jié)構(gòu)簡單，易于加工和拆卸，通過改變末端執(zhí)行器的種類可以適用于多種工作環(huán)境，具有較強的通用性。參考文獻【1】田野，陳曉鵬，賈東永，孟非，黃強.仿人機器人輕型高剛性手臂設(shè)計及運動學分析J.機器人，2021，3303：332-339.【2】B.Tondu.Modellingoftheshouldercomplexandapplicationtothedesignoftheupperextremitiesforhumanoidrobots.Proceedingsofthe20045thIEEE-RESInternationalConferenceonHumanoidRobots.2021：313-320.【3】李寧.七自由度仿人機械臂設(shè)計與分析D.大連交通大學，2021.【4】FedericoParietti，H.HarryAsada.SupernumeraryRoboticLimbsforAircraftFuselageAssembly：BodyStabilizationandGuidancebyBracing.IEEEInternationalConferenceonRobotics&Automation.2021，1176-1178.【5】郭巧.現(xiàn)代機器人學：仿人系統(tǒng)的運動感知與控制M.北京：北京理工大學出版，2021.【6】趙麗娟，周文潮，田震，孟洋.轉(zhuǎn)爐滑板機械臂的設(shè)計與研究J.機械強度，2021，3902：452-456.【7】安凱，畢雁，馬佳光.末端帶載荷的單連桿機械臂振動模態(tài)分析J.光電工程，2021，4307：22-27.