雙臂機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵功能部件研制研究

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摘要：雙臂機(jī)器人在工業(yè)領(lǐng)域顯示了廣闊的應(yīng)用前景，本體結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵功能部件是雙臂機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)高速化、高載荷化、高精度化，滿足其靜力學(xué)及動力學(xué)特性要求的基礎(chǔ)與前提。本文分析了雙臂機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)生產(chǎn)、一體化關(guān)節(jié)、末端執(zhí)行器、裝配與精度測試的發(fā)展，提出了需突破的關(guān)鍵技術(shù)，為技術(shù)發(fā)展提供了發(fā)展方向。

Abstract： This project analyses the status quo and research findings of manufacturing the body structures of dual-arm robots which have a very promising application prospect in industry， and argues the body structures and the key functional units would satisfy the requirements of featuring both of the robot's dynamics and statics， thus underpinning the functioning of robots with full speed， maximum load and precision. With the detailed demonstration of the latest development of the robot integrated joints， end-effectors， assemblage and precision test， a proposal of making an important breakthrough in key technology is put forward， indicating the future know-how direction of the dual-arm robot.

關(guān)鍵詞：雙臂機(jī)器人；本體；功能部件

Key words： dual-arm robot；body structures；functional units

中圖分類號：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）06-0251-03

0 引言

《智能制造科技發(fā)展“十二五”專項規(guī)劃》和《服務(wù)機(jī)器人科技發(fā)展“十二五”專項規(guī)劃》明確提出“十二五”期間我國將把工業(yè)、服務(wù)機(jī)器人作為戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)予以重點扶持。從考量一個國家自動化水平的量化指標(biāo)“機(jī)器人密度”來看，目前世界機(jī)器人密度的均值為51，中國僅為15，日本和韓國分別是中國的20倍和19倍，巨大的差距意味著無限發(fā)展?jié)摿驮鲩L空間。中國工業(yè)機(jī)器人市場表現(xiàn)強(qiáng)勁，市場容量不斷擴(kuò)大，中國已成為世界上機(jī)器人需求增長率最高的國家之一，近年總數(shù)達(dá)到7萬臺左右，同比大增51%，而美德等國的增長比例均在40%以下，預(yù)計2016年中國的工業(yè)機(jī)器人銷量將成為全球第一。

研制雙臂冗余自由度和智能化的機(jī)器人是下一代工業(yè)機(jī)器人發(fā)展的必然趨勢，符合國家及江蘇省“十二五”關(guān)于發(fā)展高端工業(yè)機(jī)器人的規(guī)劃。雙臂機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)包括機(jī)身、腕部、手部機(jī)體結(jié)構(gòu)和機(jī)械傳動系統(tǒng)，是機(jī)器人的支承基礎(chǔ)，決定了機(jī)器人工作的平穩(wěn)性和精確性。目前與國外企業(yè)相比，我國機(jī)器人制造公司在技術(shù)上的軟肋主要表現(xiàn)在電機(jī)技術(shù)、加工工藝兩方面。國內(nèi)機(jī)器人的關(guān)鍵零部件如減速機(jī)、末端執(zhí)行器等制造技術(shù)不達(dá)標(biāo)，加工工藝方面的差距在于，國內(nèi)廠商的制造工藝、精密加工與熱處理工藝、精密裝配工藝等不過關(guān)，從而會直接影響工業(yè)機(jī)器人的控制精度。都要靠國外進(jìn)口，這樣也增加了（機(jī)器人）成本，削弱了價格競爭力。

1 雙臂機(jī)器人科技創(chuàng)新發(fā)展

1.1 雙臂機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)生產(chǎn)

雙臂機(jī)器人與焊接機(jī)器人、裝配機(jī)器人、噴涂機(jī)器人等，都屬于工業(yè)機(jī)器人范疇。目前，雙臂機(jī)器人在國外發(fā)展較快，而國內(nèi)發(fā)展緩慢，尤其是機(jī)器人本體及關(guān)鍵功能部件的結(jié)構(gòu)制造工藝、裝配工藝尚未有成熟技術(shù)，嚴(yán)重影響了其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的潛力。

雙臂機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)輕量化制造對機(jī)器人性能影響很大，進(jìn)行低成本制造工藝、熱處理工藝、精密裝配工藝等方面的研究是非常必要的。普通工業(yè)機(jī)器人，其本體結(jié)構(gòu)多采用鑄鐵類材料，而具有復(fù)雜雙臂協(xié)調(diào)功能機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)多采用高性能鋁硅合金類材料。單件生產(chǎn)時，采用鑄造鋁合金，鑄態(tài)下材料力學(xué)性能低，抗拉強(qiáng)度在200N/mm2以下，塑性伸長率在2-6%，硬度也低于HB60，不能滿足雙臂機(jī)器人的高速運動工作要求，再考慮切削加工性，所以鑄鋁采用熱處理方法提高綜合性能。大量生產(chǎn)時采用擠壓、鍛壓成形。鋁型材熱處理是機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)的主要工藝過程之一。變形鋁合金分為熱處理不可強(qiáng)化鋁合金和熱處理可強(qiáng)化鋁合金兩大類，主要有：①Al-Cu-Mg系（硬鋁）；②Al-Cu-Mg-Zn系（超硬鋁）；③Al-Cu-Mg-Si系（鍛鋁）。擠壓鋁型材的熱處理方式主要有淬火、自然時效、人工時效、回歸處理、退火。

合理選用機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)件材料不僅可降低機(jī)器人的成本價格，更重要的是可適應(yīng)機(jī)器人的高速化、高載荷化及高精度化，滿足其靜力學(xué)及動力學(xué)特性要求。只有保證加工精度與裝配精度，才能保證雙臂機(jī)器人在工業(yè)上的使用精確度。機(jī)器人本體樣機(jī)的制造是一項復(fù)雜的過程，不僅要解決本體樣機(jī)的設(shè)計、關(guān)鍵元器件的選定等各方面內(nèi)容，還要根據(jù)選定的加工方式制定合理的加工工藝流程，進(jìn)行精確的裝配，最后才能得到一個合格的機(jī)器人樣機(jī)進(jìn)行相關(guān)的性能測試。

1.2 雙臂機(jī)器人機(jī)電一體化關(guān)節(jié)

關(guān)節(jié)是機(jī)器人的核心組成部分，其性能好壞直接影響機(jī)器人的整機(jī)性能。機(jī)電一體化關(guān)節(jié)是集機(jī)械、電機(jī)、減速機(jī)、傳感器、控制電路等一體化的關(guān)鍵功能部件?？芍貥?gòu)模塊化設(shè)計是發(fā)展趨勢，如卡內(nèi)基梅?。–arnegie Mellon）大學(xué)RMMS、德國SCHUNK公司PowerCube模塊，已形成商業(yè)化產(chǎn)品，包括轉(zhuǎn)動、移動關(guān)節(jié)、夾持器、連桿等系列模塊。

基于模塊化設(shè)計的關(guān)節(jié)有PSM關(guān)節(jié)（圖3（a）），髖、膝關(guān)節(jié)一體化Lola關(guān)節(jié)（圖3（b）），該關(guān)節(jié)使用無框架電機(jī)、諧波減速器驅(qū)動，結(jié)構(gòu)緊湊，實現(xiàn)了關(guān)節(jié)的輕量化。國內(nèi)，哈工大機(jī)器人所研制了高集成度空間機(jī)械臂模塊化關(guān)節(jié)，具有高剛度、大負(fù)載、高精度的特點，如圖3（c）所示。目前國產(chǎn)模塊化關(guān)節(jié)在可靠性和散熱能力等方面與國外產(chǎn)品還有一定差距，在雙臂機(jī)器人的實際應(yīng)用上還缺乏一種低成本、高精度的緊湊型關(guān)節(jié)。

智能關(guān)節(jié)連接器是一體化關(guān)節(jié)重要組件，而高精度減速機(jī)是機(jī)電一體化關(guān)節(jié)的核心組件（圖4），常用的是諧波減速機(jī)和RV減速機(jī)。諧波減速器結(jié)構(gòu)特點：諧波傳動是利用柔性工作構(gòu)件的彈性變形波進(jìn)行運動或動力傳遞的一種新型傳動方式。諧波傳動包括3個基本構(gòu)件：波發(fā)生器、柔輪及剛輪。3個構(gòu)件中可以任意固定一個，其余為主動和從動，可以實現(xiàn)增速或減速。采用諧波減速器能夠減小傳動機(jī)構(gòu)的體積和重量，大大減小傳動間隙，提高伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度。

但是目前諧波減速器齒輪傳動技術(shù)中還存在一些尚未解決的問題，例如：諧波傳動不適用于小速比的傳動，由于速比過小，柔輪的徑向變形量增大，容易疲勞破壞；柔輪和波發(fā)生器的加工困難；對柔性軸承的材料及制造精度要求較高；杯形柔輪雖然應(yīng)用廣泛但是軸向尺寸大；柔輪在苛刻條件下（如高低溫環(huán)境）容易失效。對于諧波齒輪傳動在空間環(huán)境中的應(yīng)用來說，柔輪的軸向尺寸大和柔輪在高低溫環(huán)境下容易發(fā)生強(qiáng)度破壞是兩個比較明顯的問題。

目前針對柔輪軸向尺寸大的問題，國外諧波齒輪傳動多采用短杯柔輪，其體積小，重量輕、承載能力高；而國內(nèi)的短杯諧波齒輪存在著軸向尺寸大，承載能力不高的缺點。國內(nèi)的短杯諧波技術(shù)還處于研發(fā)階段，沒有成熟的產(chǎn)品。國外雖然有短杯柔輪，但是各國所采用的標(biāo)準(zhǔn)不一致、技術(shù)封鎖、進(jìn)口產(chǎn)品價格昂貴。

1.3 末端執(zhí)行器

機(jī)器人末端執(zhí)行器（機(jī)械手的手爪）種類很多（圖5），不同零部件有不同的解決方案。對于輕型和中型的零件采用氣動的手爪，對于重型的零件采用液壓手爪，對于精度要求高或復(fù)雜的場合采用伺服手爪。

氣動手爪精度較低，可控制性較弱，不太適用于雙臂機(jī)器人。欠驅(qū)動機(jī)構(gòu)因其出力大、驅(qū)動元件少、控制簡單而具備優(yōu)勢。比較適合的結(jié)構(gòu)有加拿大MD ROBOTICS 公司的SARAH，中科院的三指手爪（圖6）。目前手爪制造材料以鋁、鋼為常見，由于大多數(shù)產(chǎn)品處于實驗階段，因此往往對材料部件并不進(jìn)行熱處理，因此手爪的耐磨性較差，此外在手爪的連接處大都采用較大的間隙裝配，這種形式導(dǎo)致手爪運動精度很低。因此，高精度手爪的大規(guī)模量產(chǎn)，需要采用更好的工藝與裝配措施。

1.4 雙臂機(jī)器人裝配與精度測試

機(jī)器人部件裝配是將機(jī)器人的各個零部件按規(guī)定的合理程序和設(shè)計技術(shù)要求進(jìn)行組合，成為具有合格設(shè)計性能的機(jī)器人產(chǎn)品。機(jī)械裝配保證機(jī)器人樣機(jī)的最終的質(zhì)量。機(jī)器人的裝配是整個機(jī)器人樣機(jī)制造過程中的最后環(huán)節(jié)，對機(jī)器人樣機(jī)的質(zhì)量起決定性的作用。機(jī)器人的裝配包括零部件裝配、質(zhì)量檢驗、性能試驗、機(jī)器人外觀表面噴涂和機(jī)器人整體包裝等工作。

在實際工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場對裝配工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)要求設(shè)計合理、精度高、運行速度高等。機(jī)器人誤差產(chǎn)生主要由于關(guān)節(jié)連接間隙導(dǎo)致的誤差，一般采用概率精度分析，Newton-Raphson法。對雙臂機(jī)器人來說，其協(xié)同精度也很重要。因此在在機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中進(jìn)行動態(tài)設(shè)計及其動態(tài)性能分析是十分重要。但由于機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳動關(guān)節(jié)多和機(jī)電藕合等動態(tài)性能參數(shù)影響，在實際研究中，很難對機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確的理論建模。而經(jīng)過精密加工和裝配以后，由于累積誤差的要求，也難以滿足機(jī)器人的高精度需要。通過尺寸鏈的分析和實驗測試的分析方法可獲得準(zhǔn)確的機(jī)器人對關(guān)鍵部件的的加工精度要求，這就可以優(yōu)化機(jī)器人本體的加工工藝、進(jìn)行精確檢測，為機(jī)器人本體的的設(shè)計提供了重要的技術(shù)手段。

2 結(jié)語

國內(nèi)雙臂機(jī)器人技術(shù)研究起步較晚，進(jìn)展較慢，特別在本體結(jié)構(gòu)制造工藝、精密減速器的設(shè)計、機(jī)電一體化關(guān)節(jié)研制、多功能雙臂機(jī)器人的裝配工藝與機(jī)械精度測試等幾方面與國外先進(jìn)國家相比存在較大的差距。通過擬定科學(xué)合理的制造工藝、裝配工藝和檢測方法，研制雙臂機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵功能部件，是雙臂機(jī)器人復(fù)雜設(shè)計的直接驗證，也是規(guī)?；I(yè)量產(chǎn)的先決條件。

參考文獻(xiàn)：

[1]Smith C， Karayiannidis Y， Nalpantidis L， Gratal X， Qi P， Dimarogonas D V， Kragic D. Dual arm manipulation—A survey [J]. Robotics and Autonomous Systems， 2012， 60（10）： 1340-1353.

[2]王光建，梁錫昌，蔣建東.機(jī)器人關(guān)節(jié)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢 [J].機(jī)械傳動，2004，28（4）：1-5.

[3]宋月娥，吳林，戴明.機(jī)器人關(guān)節(jié)間隙誤差分析 [J].機(jī)械工程學(xué)報，2003，39（4）：11-14.

[4]張立軍，趙永瑞，相恒富.夾鉗式機(jī)器人手部材料應(yīng)用探析[J].機(jī)床與液壓，2012，40（22）：8-10.

[5]Greenway B. Robot accuracy [J]. Industrial Robot： An International Journal， 2000， 27（4）： 257-265.