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1、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(jìn)行三維建模，并利用ABAQUS進(jìn)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(fù)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(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.19694/j ki.issn20

2、95-2457.2021.09.054 0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(xué)于一體的技術(shù)學(xué)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(fù)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(xué)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

3、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(jìn)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)

4、行元件運動的準(zhǔn)確性，無法保證嚴(yán)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(fù)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

5、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(jìn)行一體化設(shè)計，利用電機外殼和諧波減速器的鋼輪進(jìn)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(dá)在兩個方面。一方面對驅(qū)動關(guān)節(jié)進(jìn)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(jìn)行打孔、開槽等一系列減重處理，另一方面在進(jìn)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(jìn)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2〔b〕所示的油封槽，并利

6、用該槽與O型圈配合使用防止?jié)櫥托孤丁? 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3〔b〕所示，圖3〔a〕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

7、中分別對其進(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(fù)荷進(jìn)行檢驗，其仿真結(jié)果如圖4所示。 靜力學(xué)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(fù)荷，產(chǎn)生的最大應(yīng)力為4.5X108N/m2，小于材料的屈服極限，機械臂前臂末端產(chǎn)生的最大位移為11.6mm，未超過預(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

8、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(yù)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(jìn)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(fù)荷，產(chǎn)生的最大應(yīng)力為4.5X108N/m2，小于材料的屈服極限

9、，機械臂前臂末端產(chǎn)生的最大位移為11.6mm，未超過預(yù)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(xiàn) 【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(xué)分析[J].機器人，2021，33〔03〕：332-339. 【2】B.Tondu.Modellingoftheshouldercomplexandapplicationtothedesignoftheupperextremitiesforhumanoidrobots.Proceedingsofthe2004

10、5thIEEE-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(xué)，2021. 【4】FedericoParietti，H.HarryAsada.SupernumeraryRoboticLimbsforAircraftFuselageAssembly：BodyStabilizationandGuidancebyBracing.IEEEInternationalConferenceonRobotics&Automation.2021，1176-1178. 【5】郭巧.現(xiàn)代機器人學(xué)：仿人系統(tǒng)的運動感知與控制[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)爐滑板機械臂的設(shè)計與研究[J].機械強度，2021，39〔02〕：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，2021，43〔07〕：22-27.