機(jī)械臂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)改進(jìn)與優(yōu)化①

韓守振 ， 柳洪芳， 柳洪德

(1.哈工大機(jī)器人創(chuàng)新中心，黑龍江 哈爾濱 150080；2.黑龍江農(nóng)墾科學(xué)院測試化驗(yàn)中心，黑龍江 佳木斯 154007；3.約翰迪爾(中國)投資限公司，北京 100600)

0 引 言

隨著信息化、自動化技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)械臂成為一種高效可靠的自動化裝置[1]，作為機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)的重要環(huán)節(jié)，間接影響機(jī)器人的操作能力的執(zhí)行范圍和控制能力精度，機(jī)械臂主要應(yīng)用領(lǐng)域有焊接、裝配、檢測、搬運(yùn)裝箱、碼盤分揀抓取等；近幾年，機(jī)械臂憑借其在復(fù)雜空間環(huán)境下高效可靠地執(zhí)行一系列高難度在軌任務(wù)的能力，在人類太空任務(wù)執(zhí)行、核輻射區(qū)域、特殊工作環(huán)境等發(fā)揮著越來越重要的作用。

關(guān)節(jié)是機(jī)械臂位姿控制的執(zhí)行單元，為機(jī)械臂系統(tǒng)的核心部件。機(jī)械臂的伸縮、旋轉(zhuǎn)和升降等由各關(guān)節(jié)相互作用來完成。關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)決定了安裝在機(jī)械臂末端作用器在的位置、速度和加速度，關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)控制精度直接決定了機(jī)械臂系統(tǒng)的任務(wù)完成能力。

因此，為了滿足機(jī)械臂各種性能指標(biāo)，在機(jī)械臂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，通常需要對機(jī)械臂關(guān)節(jié)重量、結(jié)構(gòu)布局、模塊化方面等幾個優(yōu)化目標(biāo)綜合考慮，使機(jī)械臂的軌跡規(guī)劃達(dá)到整體最優(yōu)的效果；為使機(jī)械臂能夠長期無故障并完成工作任務(wù)，對其可靠性提出了很高要求，而關(guān)節(jié)整體結(jié)構(gòu)的可靠性又是保證整個機(jī)械臂系統(tǒng)安全運(yùn)行的關(guān)鍵。因此，對于關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的研究具有重要的意義[2]。

1 國內(nèi)外機(jī)械臂及關(guān)節(jié)研究現(xiàn)狀

2001年4月,進(jìn)入太空的加拿大MDA公司研制的加拿大臂2[3]，是目前世界上較先進(jìn)的空間機(jī)械臂之一，它包括活動基座系統(tǒng)MBS、空間站遙控機(jī)械臂SSRMS和專用靈巧機(jī)械手SPDM三個部分。其中我們最熟悉的是空間站遙控機(jī)械臂(SSRMS)，它長17.6米，直徑0.35米，重量達(dá)1497千克,可在太空移動116噸重的載荷；無固定安裝點(diǎn)，可以像“尺蠖”一樣在國際空間站上移動，還可以在移動平臺系統(tǒng)上機(jī)動。可以到達(dá)國際空間站上所需位置；擁有7自由度，其中肘部1個，肩部和腕部各3個；各關(guān)節(jié)可以旋轉(zhuǎn)270度；外殼材料為19層高強(qiáng)度碳纖維；配備4個相機(jī)，肘部兩側(cè)各1個，2個末端效應(yīng)器上各1個；配置運(yùn)動傳感器，有觸覺，具備避撞功能。

加拿大臂2操作系統(tǒng)如圖1所示，捕獲天鵝座飛船如圖2所示。

2021年4月29日, 我國天宮空間站天和核心艙從海南文昌航天發(fā)射中心成功發(fā)射入軌,標(biāo)志著我國空間站工程進(jìn)入任務(wù)實(shí)施階段,載人航天空間站時代的大幕已開啟[4]。天宮空間站分別在天和核心艙和問天實(shí)驗(yàn)艙配置大小兩個機(jī)械臂來完成相應(yīng)的在軌操作任務(wù), 大機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)大范圍轉(zhuǎn)移和大負(fù)載操作, 小機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)高精度操作[5]。大小機(jī)械臂可通過在軌級聯(lián)組合使用, 提升操作范圍和精確度, 相較國際空間站主要采用單一機(jī)械臂進(jìn)行在軌操作的設(shè)計(jì), 具有更大的任務(wù)靈活性。

位于中國空間站核心艙小柱段上的空間站機(jī)械臂，采用模塊化方法研制了可重構(gòu)空間機(jī)械臂，由6個相同的模塊化關(guān)節(jié)組成。為我國首個具有七個自由度的機(jī)械臂。中國空間機(jī)械臂三維模型簡圖如圖3所示，捕獲懸停飛行器如圖4所示,該機(jī)械臂工作時最長長度可達(dá)18米左右、直徑約4米左右，可以在太空抓取物體，方便設(shè)備的對接、安裝、變軌、分離等操作；具備艙體爬行功能，并實(shí)現(xiàn)艙外狀態(tài)監(jiān)視；當(dāng)機(jī)械臂轉(zhuǎn)位實(shí)驗(yàn)艙時，可開展空間站建造任務(wù)。此外，機(jī)械臂可捕獲來訪懸停飛行器、轉(zhuǎn)移貨運(yùn)飛船載荷、進(jìn)行空間站艙表狀態(tài)檢查、輔助航天員出艙活動，并可與實(shí)驗(yàn)艙實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂級聯(lián)組合。是我國目前智能程度最高、規(guī)模與技術(shù)難度最大、系統(tǒng)最復(fù)雜的空間智能制造系統(tǒng)。目前的機(jī)械臂性能參數(shù)對比，如表1所示。

表1 國內(nèi)外機(jī)械臂性能對比

金立[6]等對機(jī)器人關(guān)節(jié)核心零部件進(jìn)行分析，提出一體化關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)方法以及零部件設(shè)計(jì)選型經(jīng)驗(yàn)。侯鵬飛[7]等研制了一種新型關(guān)節(jié)力矩傳感器，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的主動柔順控制。鄺江華[8]等通過機(jī)器人機(jī)械構(gòu)型設(shè)計(jì)和動力學(xué)特性仿真與分析為多分裂輸電線路四輪驅(qū)動機(jī)器人物理樣機(jī)開發(fā)及其智能控制器的設(shè)計(jì)奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。陳龍凱[9]等提出一種新的可變剛度機(jī)械臂關(guān)節(jié)，該關(guān)節(jié)通過自身結(jié)構(gòu)的改變來實(shí)現(xiàn)變剛度。

綜合上述研究，目前應(yīng)用于航天領(lǐng)域的空間機(jī)械臂，在滿足位置、姿態(tài)、承載能力等性能條件下，追求輕量化，加拿大臂2，部分零件采用19 層高強(qiáng)度碳纖維，既能滿足高強(qiáng)度要求，又減輕了重量。在針對關(guān)節(jié)部件模塊化設(shè)計(jì)研究方面，做到簡化結(jié)構(gòu)、減少零部件數(shù)量、降低關(guān)節(jié)重量等。

2 機(jī)械臂和關(guān)節(jié)主要組成

所述的7自由度機(jī)械臂主要由基座、關(guān)節(jié)外殼連接脖、關(guān)節(jié)、終端蓋、過度脖、端蓋等主要部分組成，機(jī)械臂簡圖如圖5所示，各個組件通過關(guān)節(jié)和關(guān)節(jié)外殼連接脖連接。

關(guān)節(jié)是機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動的直接執(zhí)行部件，關(guān)節(jié)中的電機(jī)本體、位置傳感器、主控芯片、控制算法等，其中電機(jī)本體、位置傳感器、主控芯片為硬件設(shè)計(jì)，決定了機(jī)械臂的任務(wù)執(zhí)行能力、控制精度、運(yùn)動平穩(wěn)性和安全性。所述機(jī)械臂關(guān)節(jié)主要由電機(jī)、電機(jī)軸、電機(jī)外殼、諧波減速器、軸承、電機(jī)外殼蓋、傳感器裝配、線套管、制動盤、限位塊、磁環(huán)及支架、電磁鐵、電路等主要部分組成，關(guān)節(jié)簡圖如圖6所示。關(guān)節(jié)現(xiàn)階段設(shè)計(jì)常含有諧波減速器模塊化結(jié)構(gòu)，諧波減速器具有重量輕、減速比大等特點(diǎn)，可以提高整體關(guān)節(jié)輸出扭矩，從而大提高負(fù)載自重比。

3 關(guān)節(jié)RA系列專用軸承的設(shè)計(jì)

RA系列交叉滾子軸承是將RB型內(nèi)、外環(huán)厚度減小到極限的緊湊型。屬于外圈分割、超薄型。適合于需要重量輕、緊湊設(shè)計(jì)的部位。且通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)優(yōu)化可以應(yīng)用于機(jī)器人和機(jī)械手旋轉(zhuǎn)部位，針對基于RA系列交叉滾子軸承原理的關(guān)節(jié)專用軸承進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)RA系列專用軸承的設(shè)計(jì)目的，它除了需要具有重量輕、承載能力強(qiáng)等要求，還要有較好的結(jié)構(gòu)合理性，尺寸滿足與模塊化關(guān)節(jié)中諧波減速器、連接脖等相鄰零件機(jī)械尺寸的配合。文中Ra系列專用軸承的設(shè)計(jì)指標(biāo)如表2所示。

表2 RA系列專用軸承的設(shè)計(jì)指標(biāo)

GCr15SiMn是最重要的特種鋼之一，具有高的抗壓強(qiáng)度與疲勞極限，高硬度，高耐磨性及一定韌性，淬透性好等優(yōu)點(diǎn)，其耐磨性和淬透性比GCr15高，是制造交叉滾子軸承的理想材料。GCr15SiMn力學(xué)性能指標(biāo)如表3所示，GCr15SiMn其他元素成分如表4所示。

表3 GCr15SiMn力學(xué)性能指標(biāo)

表4 GCr15SiMn其他元素成分[11]

機(jī)械臂關(guān)節(jié)采用模塊化設(shè)計(jì)理念，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7所示。RA系列交叉滾子專用軸承內(nèi)環(huán)固定到電機(jī)外殼和諧波減速器剛輪上，通過鎖緊螺栓與之連接，外環(huán)與關(guān)節(jié)外殼配合連接。

新設(shè)計(jì)的交叉滾子專用軸承采用內(nèi)環(huán)、外環(huán)、滾子的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并配有減重槽，既能滿足使用功能要求，又能保證質(zhì)量輕；根據(jù)軸承自身結(jié)構(gòu)，并考慮配合零件尺寸與精度要求，設(shè)計(jì)與關(guān)節(jié)外殼、電機(jī)外殼、諧波減速器剛輪止口配合與螺栓連接，交叉滾子專用軸承組件模型如圖8所示。設(shè)計(jì)采用直徑4mm滾子，Cr=10.59kN,Cor=16kN滿足使用要求。

4 關(guān)節(jié)改進(jìn)前后對比分析

關(guān)節(jié)改進(jìn)前后，其結(jié)構(gòu)簡圖見上圖6和圖7所示，關(guān)節(jié)改進(jìn)后零件數(shù)量減少1、單關(guān)節(jié)重量約減輕14.6克、成本降低約826元。改進(jìn)前后零件分析表如表5所示。由于關(guān)節(jié)改進(jìn)后，結(jié)構(gòu)緊湊，由于關(guān)節(jié)外殼連接脖，涉及專業(yè)磨具，本次關(guān)節(jié)改進(jìn)為滿足通用原來關(guān)節(jié)外殼連接脖，整體機(jī)械臂外形尺寸保持不變，額外增加了上圖7中零件16墊塊和零件18墊套。下一步，可以對關(guān)節(jié)外殼連接脖優(yōu)化改進(jìn)，改進(jìn)后的關(guān)節(jié)將取消零件16墊塊和18墊套，關(guān)節(jié)重量將減輕約50克，使改進(jìn)后關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)更緊湊和合理。

表5 改進(jìn)前后零件分析表

5 結(jié) 語

通過對國內(nèi)外機(jī)械臂及關(guān)節(jié)了解和分析，本文概括性地介紹了機(jī)械臂整體結(jié)構(gòu)，并對機(jī)械臂關(guān)節(jié)改進(jìn)優(yōu)化后，零件數(shù)量減少1，單關(guān)節(jié)重量約減輕14.6克，單關(guān)節(jié)成本降低約826元，7自由度機(jī)械臂整體成本約降低5782元。下一步，將進(jìn)行關(guān)節(jié)外殼連接脖，采用碳纖維材料改進(jìn)實(shí)驗(yàn)工作，還將在外形結(jié)構(gòu)優(yōu)化、結(jié)構(gòu)重量減輕等方面進(jìn)一步完善及提高。