多功能六軸機(jī)器人機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘要：機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)是目前機(jī)器人科學(xué)研究的一個(gè)熱點(diǎn)。這里考慮手臂的抓重、材料和運(yùn)動(dòng)速度，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。建立了優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型，使用J）KL）M軟件分析目標(biāo)函數(shù)的性態(tài)并設(shè)計(jì)變量的可行域，求得機(jī)械手臂最優(yōu)尺寸。在滿足條件的情況下，使手臂質(zhì)量最小，證明了該設(shè)計(jì)可以滿足預(yù)設(shè)動(dòng)作要求。

關(guān)鍵詞：機(jī)械手臂;優(yōu)化設(shè)計(jì);強(qiáng)度條件

機(jī)械手臂種類(lèi)較多，每個(gè)類(lèi)型的手臂之間結(jié)構(gòu)之間存在著顯著的差異。因?yàn)槠鋬?nèi)部根據(jù)特殊要求的電子電路和設(shè)計(jì)的圓截面棒?？紤]到經(jīng)濟(jì)和美觀的需求，采用等強(qiáng)度部分（即每個(gè)部分的壓力相等但尺寸不相等）設(shè)計(jì)。機(jī)械手臂軸承是維持一只手和手腕的一個(gè)重要組成部分，它的作用是使得手抓住物體以及處理由于指定位置的要求。這是設(shè)計(jì)負(fù)載的情況下必須的手臂，手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案質(zhì)量最小。

1、機(jī)械手臂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)優(yōu)化選型

機(jī)械臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化的最主要的方面是對(duì)機(jī)械臂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)形式的選取，結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要是對(duì)于機(jī)械臂傳動(dòng)設(shè)備、旋轉(zhuǎn)設(shè)備以及制動(dòng)設(shè)備的優(yōu)化。機(jī)械臂關(guān)節(jié)部分可以分為輸入端子和輸出端子。關(guān)節(jié)部位的電動(dòng)輸入部分，輸入端子需要對(duì)關(guān)節(jié)的制動(dòng)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化的配置，從而使得制動(dòng)裝置和機(jī)械臂的下一部分關(guān)節(jié)進(jìn)行有效的輸入輸出連接，前一級(jí)的輸入和后一級(jí)的輸出可以采用平行設(shè)置或者垂直設(shè)置。如果選擇垂直設(shè)置，可以使用渦輪蝸桿的方式，然而渦輪蝸桿的方式可能對(duì)機(jī)械臂的制動(dòng)產(chǎn)生一定的影響，因此大多數(shù)機(jī)械臂關(guān)節(jié)的輸入設(shè)備和輸出之間采用平行的方式連接。這種平行的方式也可以分為兩種，分別是中心軸平行和軸距平行。[1]比如說(shuō)，“精神”火星車(chē)設(shè)置的機(jī)械臂的關(guān)節(jié)恰好采用的是軸距平行的方式。此類(lèi)方式的結(jié)構(gòu)不復(fù)雜、能量傳輸效率高、傳輸距離短，然而此種連接方式的占有空間較大，各個(gè)部分都需要非常嚴(yán)格的尺寸控制，從而增加了整個(gè)系統(tǒng)的成本。

2、結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1設(shè)計(jì)變量的確定

機(jī)械手的設(shè)計(jì)變量包括腰部回轉(zhuǎn)體高度l1，大臂的長(zhǎng)度l2，小臂長(zhǎng)度l3，腰部回轉(zhuǎn)角α1，肩關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角α2，肘關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角α3，為了減少參數(shù)優(yōu)化過(guò)程中的計(jì)算量，設(shè)定以移動(dòng)平臺(tái)上表面為參考面，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正角度，底座高度h為240mm，腰部回轉(zhuǎn)角α1=45°，肩關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角α2=+50°，肘關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)α3=-50°，由于最后兩個(gè)自由度只用來(lái)調(diào)整末端執(zhí)行器的位姿，這樣，優(yōu)化設(shè)計(jì)的變量就只剩大臂的長(zhǎng)度l2和小臂的長(zhǎng)度l3。[2]

2.2目標(biāo)函數(shù)的確定

本優(yōu)化設(shè)計(jì)目的是在滿足采摘區(qū)域高度和實(shí)際采摘區(qū)域面積最大化時(shí)，得到結(jié)構(gòu)最緊湊的機(jī)械臂。以機(jī)械手臂末端執(zhí)行器在XOY平面內(nèi)需要達(dá)到的范圍所圍成的面積為目標(biāo)函數(shù)，使得末端執(zhí)行器的工作空間（bxw）包含在內(nèi)時(shí)該目標(biāo)函數(shù)為最小值。

3、改進(jìn)方案分析

3.1方案設(shè)計(jì)

本文在對(duì)機(jī)械臂結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，提出了模塊化的機(jī)械臂優(yōu)化的方案，對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行模塊化的拆分，進(jìn)而對(duì)各個(gè)模塊分別優(yōu)化，然后經(jīng)過(guò)硬件的連接將優(yōu)化后的各個(gè)模塊聯(lián)合運(yùn)動(dòng)。通過(guò)機(jī)械臂的控制模塊將機(jī)械臂電機(jī)、位置傳感器以及其他控制器進(jìn)行合理的集成化，最后通過(guò)一定的整合，形成一個(gè)完整的機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重點(diǎn)在于對(duì)機(jī)械臂的一些重要部位進(jìn)行模塊化的設(shè)計(jì)及優(yōu)化。通過(guò)此種模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)周期短、機(jī)械效率高、結(jié)構(gòu)緊湊的每一部分;模塊使用標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)方法，具有良好的兼容性，且易于維護(hù)。同時(shí)，因?yàn)闆](méi)有互動(dòng)模塊，所以可以請(qǐng)求根據(jù)自由度，自由組合各種模塊，減少了機(jī)械臂的開(kāi)發(fā)成本，通過(guò)對(duì)機(jī)械臂模塊化的設(shè)計(jì)控制方式簡(jiǎn)單、控制耦合性高、控制效率高、機(jī)械手臂系統(tǒng)由幾個(gè)模塊的接線也很方便。

3.2優(yōu)化計(jì)算

我們將用于求解優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型的方法或?qū)?yōu)的方法稱(chēng)為優(yōu)化計(jì)算方法。對(duì)于機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題，求解常常需要經(jīng)過(guò)多步迭代，最終收斂得到最優(yōu)解。這里運(yùn)用數(shù)學(xué)規(guī)劃方法的理論，根據(jù)數(shù)學(xué)模型的特點(diǎn)，利用MATLAB軟件進(jìn)行輔助優(yōu)化計(jì)算與設(shè)計(jì)，以求得機(jī)械手臂的最佳設(shè)計(jì)參數(shù)。

3.3優(yōu)化設(shè)計(jì)

如圖1將原結(jié)構(gòu)兩條水平加強(qiáng)筋改為十字形加強(qiáng)筋，并將加強(qiáng)筋伸到支架邊緣，去掉一側(cè)翻邊。[3]在不降低原結(jié)構(gòu)其他方向剛度情況下提高彎曲剛度，以便提高支架的一階固有頻率。

改進(jìn)后的擋泥板支架的前四階固有頻率都有明顯提高，一階彎曲固有頻率由原來(lái)的 27.5Hz 提高到 86Hz，提高了213%，遠(yuǎn)超過(guò)了發(fā)動(dòng)機(jī)怠速激振頻率。不會(huì)發(fā)生怠速共振現(xiàn)象，滿足使用要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉罡.柔性機(jī)械臂控制研究[J]. 南方農(nóng)機(jī)，2015.

[2] 史先鵬.模塊化移動(dòng)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與控制[D].廣州：華南理工大學(xué)，2010.

[3] 謝凡.CAD 技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].南方農(nóng)機(jī)，2015.

作者簡(jiǎn)介：夏明（1996.05-），山東交通學(xué)院本科學(xué)生，指導(dǎo)老師：李光。