多自由度工業機器人機械手的設計方法分析

陸建榮

(南通廣播電視大學機械工程學院，江蘇 南通 226000)

多自由度工業機器人機械手的設計方法分析

陸建榮

(南通廣播電視大學機械工程學院，江蘇 南通 226000)

概述了工業機器人研究現狀及其發展趨勢，以一臺四自由度的工業機器人設計為例，詳細介紹了其驅動方式、傳動方式以及制動器的設計方法，從而有效實現對其機械手的設計。

多自由度；工業機器人；機械手；設計

0 引言

伴隨當今制造業的迅猛發展，企業為了進一步提高產品的生產率及質量，對生產過程的自動化程度極為重視，而作為自動化生產線上重要工具的工業機器人便逐漸為企業所采納[1]。工業機器人主要從事一些搬運以及焊接等具有超強勞動強度的工作，其應用程度及技術水平是一個國家工業自動化水平的重要反映，并且在許多人類極限以外的領域發揮著無可替代的作用[2]。

1 工業機器人研究現狀及其發展趨勢

與國外技術相比，我國機器人技術起步較晚，相對落后，不過仍然在機器人單元技術以及機器人基礎技術等方面取得不小的成就。目前，我們正致力于研究用于生產線上的工業機器人、特種機器人以及智能機器人等。

2 工業機器人的機械手設計

本文以一臺四自由度工業機器人為例，該機器人主要功能是將物料運送給沖壓設備。其設計的主要目的是利用現在已有報廢的焊接機器人，對其原有結構作進一步改造，并有效實現對其機械手的設計。這種四自由度的工業機器人擁有腰關節、肩關節、肘關節以及腕關節四個自由度，同時還包括一個機械手(主要作用是夾持物料)[3]。

機器人直接用來吸附并抓取扳手、噴頭以及噴槍等專用工具的操作部件為工業機器人的機械手，其又被稱為末端執行器，被安裝在機器人手臂的前端，主要功能是模仿人手動作。鑒于機械手抓取的工件各種參數(如尺寸、形狀、材質以及重量等)不同，因而工業機器人的機械手(末端執行器)種類樣式很多，如吸附式取料機械手、專用操作器及轉換器、夾鉗式取料機械手、仿生多指靈巧機械手等。文中設計的機器人主要是用來搬運物料，因而無需設計成多指的靈巧人工指，設計時只需將機械手設計成從不同角度對工件進行抓取的鉗形指即可。手指是工件與機器人直接接觸的部位，其對工件的夾緊與松開，是利用手指的閉合及張開完成的。此外，機械手的傳動機構主要是將動力和運動傳遞給手指，從而實現對工件的夾緊或松開。從手指開合的動作特點來說，可以將其傳動機構分為平移型及回轉型2種，而本設計的傳動機構為回轉型，如圖1所示。

圖1 機械手機構簡圖

由圖1可知，其中O代表的是電機輸出軸，而OA曲柄、AB連桿、B滑塊以及支架組成一個曲柄滑塊機構；并由B滑塊、BC連桿以及CE搖桿與支架組成一個滑塊搖桿機構，利用兩機構的串聯，從而在電機的驅動下，令DE呈現出來回擺動的運動狀態，進而使得手指通過開合實現抓取及松開的動作。同時，為使手指合攏變得更為順利，還可將一個彈簧設置在兩個手指之間，從而適當增加手指的夾緊力。此外，需要注意電機的選取，電機功率應當足夠令彈簧實現張開或者收縮運動，同時還能提供足夠將物體夾緊和提取的力。

3 驅動及傳動方式的設計

本四自由度工業機器人具有四個獨立的轉動關節，再加上末端機械手的運動，所以其動力源一共需要5個。通常情況下，機器人的驅動方式主要包括氣動、液壓驅動以及電機驅動等。綜合參考機器人驅動系統的優缺點，一般對其驅動系統的要求包括：(1) 盡可能保證驅動系統的質量較輕，從而進一步提高其單位質量的輸出功率以及工作效率；(2) 要保證機械手具有足夠的反應速度，確保其力矩轉動慣量比及力矩質量比越大越好，以便令電機能夠頻繁啟動和制動，順利完成正轉與反轉兩方面的快速切換；(3) 盡可能保證其驅動的靈活性，以便能有效降低其速度偏差以及位移偏差；(4) 確保電機具有操作及維護的方便性、運行的安全可靠性、經濟上的合理性等。

而傳動方面，因為電機驅動系統通常輸出的力矩偏小，因而要增加其力矩，需要通過傳動機構來進行。通常情況下，對四自由度工業機器人傳動機構的要求包括：(1) 要求傳動機構具有緊湊的結構，即要求在傳動比與傳動功率相同時，要保證其傳動機構具有最小的體積和最輕的重量；(2) 要求傳動機構具有較大的傳動剛度，同時為了使整機的固有頻率得到進一步提高，從而令整機的低頻振動得到有效降低，要保證驅動器輸出軸至連桿關節轉軸的扭矩相同時，盡可能縮小其角度變形；(3) 要盡量降低傳動機構的回差，即為進一步提高傳動機構的位置控制精度，當電機由正轉到反轉時空行程要小；(4) 應盡量確保傳動機構具有較長的壽命和較低的價格，以便保證企業的經濟效益。

本四自由度工業機器人選取的電機為電機與齒輪輪系一體化設計，因而該電機具有緊湊的傳動結構和極強的負載能力，然而卻無法用電機對各個連桿的運動進行直接驅動。為了使機構運行過程中所受到的沖擊與振動進一步減少，并使得其控制精度有效提高，本設計采用了齒形帶傳動形式。齒形帶傳動是同步帶的一種，其作用主要是將回轉運動轉換成為直線運動，或者實現平行軸間運動的傳遞，其在該機械手中的功能主要是，實現腰關節、肩關節以及肘關節運動的傳動。

4 制動器的設計

在機器人機構中，為防止遇上機器瞬間停止時需要及時采取安全措施而出現故障，或者當停電時有效預防運動部分下滑而給其他裝置造成破壞，需要在機械中設置制動器。制動器的主要功能是將機械運動部分的能量轉換成熱能釋放，進而降低機械運動速度或者直接使其停止，主要分為機械制動器和電氣制動器，前者擁有螺旋式、閘瓦式、電磁式及盤式等多種，而其中電磁制動器的應用最為普遍。由于機器人多采取伺服電機作為驅動系統，而電磁制動器則為伺服電機中不可缺少的零件，該制動器又叫做無勵磁動作型電磁制動器，只有當電源斷開線圈中無勵磁電流時，在彈簧力的作用下它才具有制動效果。而電氣制動器則主要是用來將電能轉換成機械能。

通過對工業機器人腰部、臂部、腕部等關鍵部位在多種工況下的靜態分析可知，機器人機械手質量的增加容易對其工作效率帶來影響，因此本四自由度工業機器人采取電氣制動器而沒有安裝機械制動器。當其肘關節與肩關節停止轉動時，由于重力作用而出現下落的現象，針對這種情況，為了在不增加驅動系統質量的情況下，確保其具有制動功能，本設計利用CAD/CAE集成軟件對空間多關節機器人肘關節及肩關節的電氣制動進行分析，從而有效避免安裝機械制動器導致機械手質量增加的狀況，有效確保該機械手原有的工作效率。這種四自由度平面關節裝配機器人，屬于精密型裝配機器人，其優點包括高定位精度、高柔性以及較大的工作空間等。

5 結語

隨著社會以及現代化技術的發展，工業企業為了有效提高自身產品的生產效率以及質量，十分重視生產過程的自動化程度，本文以一臺四自由度的工業機器人設計為例，通過對其驅動方式、傳動方式以及制動器設計的詳細分析，得出該機器人屬于精密型裝配機器人，具有高定位精度、高柔性以及較大的工作空間等優點，近10年來其在焊接、搬運以及噴漆等方面得到了極為廣泛的應用。

[1] 劉鑫.多自由度機械手臂魯棒控制技術研究[D].南京理工大學，2008

[2] 賴文峰，趙興龍.機器人在單元化生產中的應用設想[J].金屬加工(冷加工)，2013(20)

[3] 汪建華.平移—旋轉結構機器人的定位和視覺跟蹤控制研究[D].中國科學院自動化研究所，2008

2014-09-02

陸建榮(1979—)，男，江蘇南通人，碩士研究生，講師，研究方向：機器人結構設計、運行控制。