移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

濱州學(xué)院機(jī)場(chǎng)學(xué)院 孫夢(mèng)圓 張寶國(guó)

2018年3月5日，李克強(qiáng)總理在政府工作報(bào)告中四次提到“智能”，特別提到“加強(qiáng)新一代人工智能的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用”和“發(fā)展智能產(chǎn)業(yè)”以實(shí)施“2050年中國(guó)制造”。近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，老齡化問(wèn)題越來(lái)越突出?！翱粘怖先恕爆F(xiàn)象引起了人們的特別關(guān)注。這一現(xiàn)象促進(jìn)了助老助殘機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展。目前，我國(guó)大部分服務(wù)機(jī)器人的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)都是通過(guò)經(jīng)驗(yàn)將工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榉?wù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)往往存在機(jī)械臂質(zhì)量過(guò)大、操作不便、安全性低、響應(yīng)速度慢等缺點(diǎn)。因此，為了實(shí)現(xiàn)服務(wù)機(jī)器人機(jī)械臂的合理化設(shè)計(jì)，特別是輕量化、高剛度、舒適性、安全穩(wěn)定的設(shè)計(jì)，對(duì)于提高人機(jī)交互的安全性和工作靈活性具有重要意義。

1 機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械臂系統(tǒng)是一個(gè)典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)，機(jī)械臂在移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人中起著重要作用。本課題的目標(biāo)是為移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人設(shè)計(jì)一款輕量化、高剛度、舒適性、安全穩(wěn)定的機(jī)械臂。

1.1 選擇機(jī)械臂的構(gòu)型

機(jī)械臂構(gòu)造形狀的確定對(duì)機(jī)械臂有著至關(guān)重要的影響，為了使得機(jī)械臂抓取物體時(shí)準(zhǔn)確判斷物體所處的位置以及讓機(jī)械臂移到指定的地點(diǎn)，機(jī)械臂的自由度是其機(jī)械臂構(gòu)造形狀選擇的重要因素。我們知道，對(duì)人類手臂自由度是如何分布的，機(jī)器人學(xué)中提出關(guān)于七自由度的劃分理論，這也是目前機(jī)器人學(xué)中所普遍采用的理論。而實(shí)際上，空間中任何一個(gè)剛體具有六個(gè)自由度，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)此剛體的抓取。手臂構(gòu)造形狀如圖1所示：

圖1 有關(guān)機(jī)械臂的造型形式

對(duì)于機(jī)械臂的構(gòu)造形式進(jìn)行關(guān)于靈活程度的評(píng)價(jià)，給出機(jī)械臂有關(guān)操作度的公式：

X是關(guān)于當(dāng)前情況下機(jī)械臂在每個(gè)方向難易程度的綜合評(píng)價(jià)分析值，它是一個(gè)標(biāo)量，通過(guò)上式有關(guān)機(jī)械臂操作度的評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)看，可以從理論上評(píng)價(jià)出機(jī)械臂的最合適的造型形式。但上式只是關(guān)于機(jī)械臂的部分操作度的值的計(jì)算，并不能進(jìn)行操作度的完全評(píng)價(jià)，為了使可操作度的計(jì)算具有較為準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)，在整個(gè)工作空間中進(jìn)行任意一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的全局相對(duì)操作度值為：

其中，為空間中任意一坐標(biāo)點(diǎn)的全局相對(duì)可操作度值。當(dāng)?shù)闹翟叫r(shí)，機(jī)械臂在這個(gè)點(diǎn)表現(xiàn)出比較笨拙的現(xiàn)象，相反，表現(xiàn)出機(jī)械臂在這個(gè)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)比較靈活。本文要對(duì)機(jī)械臂的構(gòu)造形狀進(jìn)行更為準(zhǔn)確的靈活性對(duì)比，在整個(gè)工作空間中要對(duì)點(diǎn)進(jìn)行選取。實(shí)驗(yàn)室為了讓實(shí)驗(yàn)結(jié)果更接近真實(shí)性，在整個(gè)空間中對(duì)點(diǎn)進(jìn)行隨機(jī)性選取，一共選取了2400個(gè)點(diǎn)，并對(duì)隨機(jī)選取點(diǎn)處進(jìn)行操作度值的計(jì)算。為了讓實(shí)驗(yàn)結(jié)果更清晰地呈現(xiàn)出來(lái)，選擇用條形統(tǒng)計(jì)圖的方法進(jìn)行的取值等級(jí)分類；當(dāng)?shù)闹翟叫r(shí)，可操作性的等級(jí)程度越小，相反，可操作性的等級(jí)程度越大；利用此規(guī)律，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析；之后，再對(duì)值落在各等級(jí)中的點(diǎn)數(shù)進(jìn)行合計(jì)統(tǒng)計(jì)。按照實(shí)際情況的要求與規(guī)律，制定靈活程度等級(jí)區(qū)域的分界線為0.6，當(dāng)可操作度的值在0.6以下時(shí)，機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)顯得較為笨拙；當(dāng)可操作度的值在0.6以上時(shí)，機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)較為靈活，通過(guò)對(duì)于以上結(jié)果進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)可得到其高低對(duì)比如圖2所示。

由圖2(a)可知，機(jī)械臂的造型3、造型4中分布在等級(jí)較高的區(qū)間中的隨機(jī)點(diǎn)較少，造型1、造型2中分布在等級(jí)較高的隨機(jī)點(diǎn)數(shù)很多，其所占用的比例較大。由圖2(b)可知，比較機(jī)械臂的四種造型形式可知，造型1中操作度值≥0.6的點(diǎn)數(shù)最多。所以，相比較造型2、3、4來(lái)說(shuō)，遠(yuǎn)不如造型1的靈活性；可以看出，造型1的靈活性最好，實(shí)際上造型1也是最接近人體手臂的構(gòu)型，更能實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂模擬人體手臂進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。所以選擇機(jī)械臂的最終造型方法為造型1。

圖2 不同機(jī)械臂造型形式靈活性高低對(duì)比

1.2 尺寸及關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角范圍的確定

眾所周知，服務(wù)機(jī)器人為了讓其為人類服務(wù)，尺寸模型是進(jìn)行機(jī)械臂設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮的首要因素，其尺寸設(shè)計(jì)從人體工程學(xué)的理論出發(fā)，參考人的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角以及外形尺寸，讓其最終具有良好的宜人性和親切感，各部分具有與人相比較而類似的比例協(xié)調(diào)性。本文根據(jù)亞洲人的身材比列特點(diǎn)，加之考慮本文移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人的最終服務(wù)對(duì)象是老年人，經(jīng)過(guò)課題組的走訪調(diào)查、深入老人家里了解情況，與老人交流互動(dòng)之后得到值得大家需要注意的地方，還考慮到老年人會(huì)發(fā)生彎腰駝背現(xiàn)象，為了方便老年人與服務(wù)機(jī)器人進(jìn)行人機(jī)交互，制定了機(jī)器人的尺寸大??；確定機(jī)器人初始身高1.78m，頭部高度為0.23m，兩肩寬0.48m，大臂長(zhǎng)0.34m，小臂長(zhǎng)0.26m，手腕長(zhǎng)0.10m，為了讓機(jī)器人的每個(gè)部分達(dá)到最優(yōu)的效果，尺寸模型并不是確定的，可以在不影響人機(jī)交互的情況下在一定區(qū)間內(nèi)浮動(dòng)。

對(duì)于人體手臂而言，各種復(fù)雜的動(dòng)作是由于各個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)，要使機(jī)械臂在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中更加靈活，需要使其各個(gè)關(guān)節(jié)有合理的轉(zhuǎn)角范圍。

表1 各個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角范圍

將人體手臂運(yùn)動(dòng)范圍與表1中的各個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角范圍比較可知，人體手臂的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍可以達(dá)到的范圍對(duì)于機(jī)械臂來(lái)說(shuō)也可以達(dá)到，進(jìn)一步比較可得知，機(jī)械臂在一定的情況下，其轉(zhuǎn)動(dòng)大小還可以超出人的手臂的轉(zhuǎn)角大??；因此，人體手臂可以完成的系列復(fù)雜動(dòng)作對(duì)于機(jī)械臂而言，也可以順利地完成。

1.3 電機(jī)選擇

電機(jī)選擇首先考慮的是電機(jī)類型，其次，還要考慮其對(duì)應(yīng)關(guān)節(jié)所承受的最大力矩、最大角速度，這樣，就可估算出需要采用電機(jī)的功率，所以，電機(jī)峰值堵轉(zhuǎn)功率成為一個(gè)需要考慮的重要參數(shù)。對(duì)于其他參數(shù)，就按照最優(yōu)方式選擇。一般電機(jī)在低速工作下力矩很小，也不能達(dá)到機(jī)械臂關(guān)節(jié)力矩所需要的要求，所以，對(duì)于每個(gè)電機(jī)都要加減速器。這就可以使電機(jī)在低轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生大力矩。因此，選用具有減速功能的步進(jìn)電機(jī)。

1.4 各關(guān)節(jié)力矩計(jì)算

各關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)元件和傳動(dòng)件選型為動(dòng)力參數(shù)要求提供重要依據(jù)。下僅以計(jì)算關(guān)節(jié)5處電機(jī)的力矩和功率為例來(lái)說(shuō)明計(jì)算過(guò)程。計(jì)算如下：

手抓和負(fù)載的質(zhì)量，重力同理可求得：驅(qū)動(dòng)模塊6的重力為9.8N，手腕連接件和端蓋重力是5.05N，又因?yàn)殛P(guān)節(jié)5、6之間的質(zhì)心距離為，關(guān)節(jié)末端負(fù)載與關(guān)節(jié)5之間的距離為。因此，關(guān)節(jié)5的力矩又考慮機(jī)械臂由于運(yùn)行過(guò)程需要進(jìn)行加速、減速運(yùn)作，因此會(huì)產(chǎn)生一定的慣性力，為了進(jìn)行力矩修正，在原來(lái)各力矩的值的基礎(chǔ)上乘1.1倍算出的值作為最后結(jié)果，由此可以算出可修正之后的關(guān)節(jié)5處的力矩的最大值為按照上述的計(jì)算方法，注意有關(guān)關(guān)節(jié)修正之后力矩的最大值極限情況為功率的最大值。又因?yàn)殛P(guān)節(jié)5的角速度的最大值是，因此關(guān)節(jié)5處的電機(jī)的功率的最大值，按照同樣的方法可求得剩下各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩的最大值和功率的最大值如表2所示：

表2 各關(guān)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的最大值和功率的最大值

通過(guò)計(jì)算結(jié)果與通過(guò)Adams軟件進(jìn)行對(duì)6個(gè)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩仿真驗(yàn)證，數(shù)值計(jì)算得到的力矩與通過(guò)仿真得到的力矩比較可得，前者的值都大于后者的值，根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行選擇，故強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)力矩就可以通過(guò)驅(qū)動(dòng)模塊的數(shù)據(jù)得到。

2 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)輕量化

在服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域中，一個(gè)非常重要的角色就是結(jié)構(gòu)輕量化，輕量化機(jī)械臂在探索未知世界、進(jìn)行軍事勘察、工業(yè)加工應(yīng)用、服務(wù)幫助于人類方面有了較為全面的發(fā)展，并且在未來(lái)的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的帶動(dòng)與國(guó)際市場(chǎng)的刺激下，移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人的應(yīng)用面更為廣泛，一系列為滿足人類需求的移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人的市場(chǎng)將大規(guī)模地在中國(guó)市場(chǎng)開(kāi)放，未來(lái)將是人工智能的時(shí)代，因而，移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人也將成為此次市場(chǎng)空前開(kāi)放的一個(gè)被帶動(dòng)的巨大產(chǎn)業(yè)。輕量化機(jī)械臂相對(duì)傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人有著獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)：質(zhì)量輕、精度高、占地小、靈活便捷、安全性高。通過(guò)材料輕量化和拓?fù)漭p量化來(lái)對(duì)整個(gè)機(jī)械臂進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。

2.1 材料輕量化

為了實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)輕量化，合理的選擇機(jī)械臂的材料顯得尤其重要。現(xiàn)在市場(chǎng)上多采用鋁合金來(lái)作為服務(wù)機(jī)器人機(jī)械臂框架結(jié)構(gòu)的主要材料，在機(jī)械臂可以選擇的材料中又以2A12鋁合金較為常見(jiàn)。

但是通過(guò)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)室得到2A12鋁合金存在一些缺點(diǎn)，由于屈服強(qiáng)度比較低使得通過(guò)2A12鋁合金設(shè)計(jì)的機(jī)械也較強(qiáng)、固溶處理后塑性好。將兩種材料的鋁合金的性能進(jìn)行對(duì)比如表3所示臂結(jié)構(gòu)安全系數(shù)也比較低。7075-T6鋁合金強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、導(dǎo)熱導(dǎo)電性更好、可延展性：

表3 2A12鋁合金與7075—T6鋁合金性能對(duì)比

從表3中可以看出，在有兩種性能相同的情況下，即兩種材料泊松比和彈性模量相同時(shí)，對(duì)于屈服強(qiáng)度來(lái)說(shuō)，2A12鋁合金的明顯低于7075-T6鋁合金的，且7075-T6鋁合金的密度低于2A12鋁合金?？梢?jiàn)，7075-T6鋁合金在降低了機(jī)械臂的重量的同時(shí)屈服強(qiáng)度得到提高。所以，本課題機(jī)械臂結(jié)構(gòu)的材料采用性能更好的7075-T6鋁合金。

2.2 拓?fù)漭p量化

拓?fù)鋬?yōu)化的過(guò)程是把需要優(yōu)化的區(qū)域分割成多個(gè)部分的小區(qū)域，再對(duì)這些小區(qū)域進(jìn)行某些規(guī)定的優(yōu)化，也就是按照一定的設(shè)計(jì)方案和優(yōu)化方法，從某些分割出來(lái)的小區(qū)域中再去除某些區(qū)域，使用剩下的區(qū)域來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)的最優(yōu)拓?fù)溥M(jìn)行表達(dá)。使用相對(duì)密度法時(shí)，劃定的設(shè)計(jì)區(qū)域的密度為變化的數(shù)值，并且其值可以在0～1之間變動(dòng)。如果單位密度為1，則表明材料應(yīng)保留；如果單元密度為0，則可以刪除材料以獲得結(jié)構(gòu)材料的最佳分布。拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的步驟如圖3所示：

圖3 拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的步驟

為了使大臂在進(jìn)行完拓?fù)鋬?yōu)化后具有可靠的安全性，對(duì)其優(yōu)化前后進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校驗(yàn)。通過(guò)建立機(jī)械臂的大臂有限元模型并且對(duì)優(yōu)化前、后的模型加入相關(guān)的約束條件后，進(jìn)而得到機(jī)械臂的大臂拓?fù)鋬?yōu)化前、后的應(yīng)力圖4和位移圖5。

對(duì)比圖4中的(a)、(b)和圖5中的(c)、(d)可知，在拓?fù)鋬?yōu)化前、后機(jī)械臂大臂的應(yīng)力的最大值分別是34.85Mpa、35.58Mpa，大臂的應(yīng)力最大值相對(duì)變化不太大，并且都在材料的許用應(yīng)力范圍之內(nèi)，安全系數(shù)也較大；拓?fù)鋬?yōu)化前、后機(jī)械臂大臂的位移的最大值分別是0.1789mm、0.2103mm，二者相差也不太大，并在大臂可以接受的誤差范圍內(nèi)。而拓?fù)鋬?yōu)化前、后大臂的質(zhì)量分別為2.102kg、1.787kg，可見(jiàn)，優(yōu)化后質(zhì)量減重達(dá)15.05%，減重效果十分明顯。

圖4 拓?fù)鋬?yōu)化前后應(yīng)力圖

圖5 拓?fù)鋬?yōu)化前后位移圖

3 結(jié)論

本課題主要是針對(duì)現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在的不足進(jìn)行可行性的探索，通過(guò)機(jī)械臂構(gòu)型的確定、尺寸以及關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角范圍的確定、電機(jī)的選擇、各關(guān)節(jié)力矩的計(jì)算對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行清晰地選擇；在結(jié)構(gòu)輕量化上，主要通過(guò)材料輕量化和拓?fù)漭p量化進(jìn)行研究，最后在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行機(jī)械臂建模；最終實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂輕量化、高剛度、舒適性、安全穩(wěn)定的特點(diǎn)。本文的研究對(duì)加強(qiáng)人機(jī)交互的安全性以及機(jī)械臂工作的靈巧性都有著重要的意義。

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