柔性關節機械臂剛度的研究

摘 要：隨著科學技術的不斷發展，柔性關節機械臂在我國各領域的應用范圍也在不斷擴大，而質量輕、體積小、能耗低等優點則是其快速發展的落腳點所在，為此本文就柔性關節機械臂剛度展開了具體研究，希望這一研究內容能夠柔性關節機械臂的剛度優化帶來一定啟發。具備質量輕、體積小、能耗低等優點。

關鍵詞：柔性關節機械臂；剛度；計算

結合人類社會的各種生產活動不難發現，柔性關節機械臂已經開始在多個領域實現世界范圍內的廣泛應用，機械加工、航天科技、焊接、農業機械等領域的柔性關節機械臂應用都屬于這一應用的具體表現，而為了保證這種應用能夠更好服務于我國經濟與社會發展，正是本文就柔性關節機械臂剛度展開具體研究的原因所在。

1 柔性關節機械臂概述

對于柔性關節機械臂來說，其本身是為了較好滿足柔性型機器人發展需求而誕生的，而結合柔性關節機械臂的相關定義，我們可以將柔性關節機械臂劃分為彈性材料機械臂連桿柔性關節機械臂、剛性構成機械臂連桿柔性關節機械臂兩種，本文的研究對象為剛性構成機械臂連桿柔性關節機械臂。對于本文所研究的柔性關節機械臂來說，諧波齒輪減速器和力矩傳感器的應用是其柔性實現的主要原因，而想要保證柔性關節機械臂能夠較好服務于相關柔性機器人，我們就必須重視柔性關節機械臂的剛度[ 1 ]。

對于很多領域的柔性關節機械臂來說，剛度是其主要結構技術指標，而這種剛度的保證則能夠為柔性關節機械臂的動態耦合效應減輕、載荷與動應力降低帶來較為有力的支持，不過由于一些應用于特殊領域的柔性關節機械臂本身對于質量有著較為嚴格的要求，這就使得很多時候柔性關節機械臂的剛度與質量要求往往不能夠得到同時滿足，這種情況下我們就需要進行這類柔性關節機械臂的剛度研究，并通過相關計算保證柔性關節機械臂的剛度能夠得到較好優化[ 2 ]。

2 關節剛度計算

在本文就柔性關節機械臂剛度展開的研究中，筆者選擇了安裝在航天器外部的空間機械臂作為研究對象，這一柔性關節機械臂本身由關節、臂桿和前端執行器構成，配置有6個轉動自由度且每個自由度設置為一個關節，肩部、肘部與腕部是這一關節的主要設置位置。而對于這類柔性關節機械臂的關節來說，電機與諧波減速器是其關節的具體構成，而為了較好就這一柔性關節機械臂剛度展開研究，我們就需要建立該柔性關節機械臂的臂桿剛度模型、關節剛度模型以及機械臂剛度模型[ 3 ]。

2.1 柔性關節機械臂臂桿剛度模型

2.2 柔性關節機械臂關節剛度模型

2.3 柔性關節機械臂剛度模型

除了上述剛度模型的建立外，為了能夠較好完成本文就柔性關節機械臂剛度展開的研究，我們還需要創建柔性關節機械臂剛度模型，結合本文選擇的柔性關節機械臂剛度，我們能夠得出這一柔性關節機械臂受力為Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz，而通過對這一柔性關節機械臂肩部俯仰關節、肘部俯仰關節、腕部俯仰關節的力矩計算，柔性關節機械臂的變形計算，以及關節的扭轉變形、臂桿的變形、臂桿的變形角、關節引起的變形、由臂桿引起的變形計算，我們就能夠得出具體的柔性關節機械臂剛度模型，但由于受篇幅原因限制，本文不對這一模型進行具體描述。

3 計算實例

在取得柔性關節機械臂剛度模型后，我們就可以進行具體的柔性關節機械臂剛度優化，這一優化需要考慮關節優化配置、臂桿優化配置、關節與臂桿質量分配等內容。其中關節優化配置需要采用拉格朗日乘數法構造函數計算，而通過這一計算我們能夠得出采用強度高密度小、軸向長度短、柔輪壁較厚的諧波減速器將較好實現關節優化；而在臂桿優化配置中，我們同樣需要結合拉格朗日乘數法構造函數展開計算，這一計算能夠得出臂桿應采用低密度高剛性材料的結論；而在關節與臂桿質量分配的計算中，我們需要結合上文求得的關節與臂桿質量分配展開具體計算，而這這一計算能夠得出臂桿的直徑應盡可能大這一結論。

4 結論

在筆者就柔性關節機械臂剛度展開的研究中，筆者以航天器外部的空間機械臂作為研究對象，并詳細論述了柔性關節機械臂、關節剛度計算、計算實例等內容，希望這一內容能夠為相關研究人員帶來一定啟發。

參考文獻：

[1] 黃華.柔性關節機械臂的建模及控制研究[D].湖南工業大學，2014.

[2] 王海，周璇，夏小品，李晗.柔性關節機械臂的非線性控制策略研究[J].機械科學與技術，2014，（01）：22-26.

[3] 黎田.柔性關節機械臂及其運動學標定和振動抑制的研究[D].哈爾濱工業大學，2012.

[4] 顧義坤，倪風雷，劉宏.基于RENN的柔性關節機械臂自適應動態面控制[J].控制與決策，2011，（12）：1783-1790.

作者簡介：

賈士周（1989-），男，漢族，河北邯鄲人，河北工業大學研究生，研究方向：機械設計及理論。