雙臂機器人本體結構與關鍵功能部件研制研究

張波　周保牛　吳正勇　吳小邦

摘要：雙臂機器人在工業領域顯示了廣闊的應用前景，本體結構及關鍵功能部件是雙臂機器人能夠實現高速化、高載荷化、高精度化，滿足其靜力學及動力學特性要求的基礎與前提。本文分析了雙臂機器人本體結構生產、一體化關節、末端執行器、裝配與精度測試的發展，提出了需突破的關鍵技術，為技術發展提供了發展方向。

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.

關鍵詞：雙臂機器人；本體；功能部件

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

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

0 引言

《智能制造科技發展“十二五”專項規劃》和《服務機器人科技發展“十二五”專項規劃》明確提出“十二五”期間我國將把工業、服務機器人作為戰略新興產業予以重點扶持。從考量一個國家自動化水平的量化指標“機器人密度”來看，目前世界機器人密度的均值為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展潛力和增長空間。中國工業機器人市場表現強勁，市場容量不斷擴大，中國已成為世界上機器人需求增長率最高的國家之一，近年總數達到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，預計2016年中國的工業機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器人是下一代工業機器人發展的必然趨勢，符合國家及江蘇省“十二五”關于發展高端工業機器人的規劃。雙臂機器人本體結構包括機身、腕部、手部機體結構和機械傳動系統，是機器人的支承基礎，決定了機器人工作的平穩性和精確性。目前與國外企業相比，我國機器人制造公司在技術上的軟肋主要表現在電機技術、加工工藝兩方面。國內機器人的關鍵零部件如減速機、末端執行器等制造技術不達標，加工工藝方面的差距在于，國內廠商的制造工藝、精密加工與熱處理工藝、精密裝配工藝等不過關，從而會直接影響工業機器人的控制精度。都要靠國外進口，這樣也增加了（機器人）成本，削弱了價格競爭力。

1 雙臂機器人科技創新發展

1.1 雙臂機器人本體結構生產

雙臂機器人與焊接機器人、裝配機器人、噴涂機器人等，都屬于工業機器人范疇。目前，雙臂機器人在國外發展較快，而國內發展緩慢，尤其是機器人本體及關鍵功能部件的結構制造工藝、裝配工藝尚未有成熟技術，嚴重影響了其產業化應用的潛力。

雙臂機器人本體結構輕量化制造對機器人性能影響很大，進行低成本制造工藝、熱處理工藝、精密裝配工藝等方面的研究是非常必要的。普通工業機器人，其本體結構多采用鑄鐵類材料，而具有復雜雙臂協調功能機器人的本體結構多采用高性能鋁硅合金類材料。單件生產時，采用鑄造鋁合金，鑄態下材料力學性能低，抗拉強度在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。大量生產時采用擠壓、鍛壓成形。鋁型材熱處理是機器人本體結構的主要工藝過程之一。變形鋁合金分為熱處理不可強化鋁合金和熱處理可強化鋁合金兩大類，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。

合理選用機器人本體結構件材料不僅可降低機器人的成本價格，更重要的是可適應機器人的高速化、高載荷化及高精度化，滿足其靜力學及動力學特性要求。只有保證加工精度與裝配精度，才能保證雙臂機器人在工業上的使用精確度。機器人本體樣機的制造是一項復雜的過程，不僅要解決本體樣機的設計、關鍵元器件的選定等各方面內容，還要根據選定的加工方式制定合理的加工工藝流程，進行精確的裝配，最后才能得到一個合格的機器人樣機進行相關的性能測試。

1.2 雙臂機器人機電一體化關節

關節是機器人的核心組成部分，其性能好壞直接影響機器人的整機性能。機電一體化關節是集機械、電機、減速機、傳感器、控制電路等一體化的關鍵功能部件。可重構模塊化設計是發展趨勢，如卡內基梅隆（Carnegie Mellon）大學RMMS、德國SCHUNK公司PowerCube模塊，已形成商業化產品，包括轉動、移動關節、夾持器、連桿等系列模塊。

基于模塊化設計的關節有PSM關節（圖3（a）），髖、膝關節一體化Lola關節（圖3（b）），該關節使用無框架電機、諧波減速器驅動，結構緊湊，實現了關節的輕量化。國內，哈工大機器人所研制了高集成度空間機械臂模塊化關節，具有高剛度、大負載、高精度的特點，如圖3（c）所示。目前國產模塊化關節在可靠性和散熱能力等方面與國外產品還有一定差距，在雙臂機器人的實際應用上還缺乏一種低成本、高精度的緊湊型關節。

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

但是目前諧波減速器齒輪傳動技術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；杯形柔輪雖然應用廣泛但是軸向尺寸大；柔輪在苛刻條件下（如高低溫環境）容易失效。對于諧波齒輪傳動在空間環境中的應用來說，柔輪的軸向尺寸大和柔輪在高低溫環境下容易發生強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。國內的短杯諧波技術還處于研發階段，沒有成熟的產品。國外雖然有短杯柔輪，但是各國所采用的標準不一致、技術封鎖、進口產品價格昂貴。

1.3 末端執行器

機器人末端執行器（機械手的手爪）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，不太適用于雙臂機器人。欠驅動機構因其出力大、驅動元件少、控制簡單而具備優勢。比較適合的結構有加拿大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，由于大多數產品處于實驗階段，因此往往對材料部件并不進行熱處理，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，這種形式導致手爪運動精度很低。因此，高精度手爪的大規模量產，需要采用更好的工藝與裝配措施。

1.4 雙臂機器人裝配與精度測試

機器人部件裝配是將機器人的各個零部件按規定的合理程序和設計技術要求進行組合，成為具有合格設計性能的機器人產品。機械裝配保證機器人樣機的最終的質量。機器人的裝配是整個機器人樣機制造過程中的最后環節，對機器人樣機的質量起決定性的作用。機器人的裝配包括零部件裝配、質量檢驗、性能試驗、機器人外觀表面噴涂和機器人整體包裝等工作。

在實際工業生產現場對裝配工業機器人的結構要求設計合理、精度高、運行速度高等。機器人誤差產生主要由于關節連接間隙導致的誤差，一般采用概率精度分析，Newton-Raphson法。對雙臂機器人來說，其協同精度也很重要。因此在在機器人本體結構設計過程中進行動態設計及其動態性能分析是十分重要。但由于機器人本體結構復雜，傳動關節多和機電藕合等動態性能參數影響，在實際研究中，很難對機器人系統進行準確的理論建模。而經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確的機器人對關鍵部件的的加工精度要求，這就可以優化機器人本體的加工工藝、進行精確檢測，為機器人本體的的設計提供了重要的技術手段。

2 結語

國內雙臂機器人技術研究起步較晚，進展較慢，特別在本體結構制造工藝、精密減速器的設計、機電一體化關節研制、多功能雙臂機器人的裝配工藝與機械精度測試等幾方面與國外先進國家相比存在較大的差距。通過擬定科學合理的制造工藝、裝配工藝和檢測方法，研制雙臂機器人的本體結構及關鍵功能部件，是雙臂機器人復雜設計的直接驗證，也是規模化工業量產的先決條件。

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