機械手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計與性能分析

孫龍飛 房立金

(1.東北大學(xué)機械工程與自動化學(xué)院, 沈陽 110819; 2.東北大學(xué)機器人科學(xué)與工程學(xué)院， 沈陽 110819)

機械手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計與性能分析

孫龍飛1房立金2

(1.東北大學(xué)機械工程與自動化學(xué)院, 沈陽 110819; 2.東北大學(xué)機器人科學(xué)與工程學(xué)院， 沈陽 110819)

工業(yè)機器人具有工作空間大、結(jié)構(gòu)緊湊、靈活性好等優(yōu)點，但工業(yè)機器人機械臂的串聯(lián)結(jié)構(gòu)形式使其整體剛性存在不足。機器人的末端負(fù)載完全由關(guān)節(jié)處的伺服電機分擔(dān)，增加了機械臂的驅(qū)動功率及能耗。針對上述問題提出一種具有機械手臂的機器人結(jié)構(gòu)，機器人大臂和小臂采用平行四邊形框架及對角線驅(qū)動的結(jié)構(gòu)形式，利用平行四邊形框架平衡外部彎矩作用。仿真結(jié)果表明，與工業(yè)機器人相比，在僅有外部重力負(fù)載作用時大臂的驅(qū)動功率可以降低20%～80%，小臂的功率與工業(yè)機器人相當(dāng)；在僅有外部彎矩作用時，無需消耗電機的驅(qū)動功率，從原理上降低了機械臂的驅(qū)動功率及能耗。此外，對機器人整體剛度進(jìn)行計算，計算結(jié)果表明，此機器人的整體剛度優(yōu)于工業(yè)機器人，有利于提高機器人在搬運、碼垛等作業(yè)中的負(fù)載能力。

機械手臂； 結(jié)構(gòu)設(shè)計； 性能分析

引言

工業(yè)機器人由于具備工作空間大、結(jié)構(gòu)緊湊、柔性好等優(yōu)點而廣泛應(yīng)用于搬運、焊接、噴涂等領(lǐng)域[1]，特別是高速重載機器人在多種行業(yè)的重物搬運作業(yè)中優(yōu)勢較為明顯，國內(nèi)外典型的重載工業(yè)機器人有FUNUC M-2000i、KUKA TITAN KR1000及新松的SRB500A等。對機器人驅(qū)動負(fù)載能力及運行速度等方面需求的不斷提升要求機器人具備較大的驅(qū)動功率，因此，在TITAN等高速重載機器人機械臂的2、3軸均配置兩臺大功率伺服電機共同驅(qū)動[2]。如何降低工業(yè)機器人能耗已引起科研人員的關(guān)注[3]。LEE等[4-5]提出了采用并聯(lián)冗余驅(qū)動的方式實現(xiàn)機器人系統(tǒng)節(jié)能控制，該方法需要額外增加驅(qū)動電機的數(shù)量，一定程度上增加了控制的復(fù)雜程度。另外，文獻(xiàn)[6]提出基于最優(yōu)時間和最優(yōu)能量的工業(yè)機器人最優(yōu)軌跡規(guī)劃方法。文獻(xiàn)[7]建立了機器人系統(tǒng)能耗模型并研究了機器人速度和負(fù)載等參數(shù)對能耗的影響。文獻(xiàn)[8]提出通過縮短機器人作業(yè)時間、空閑時間及優(yōu)化機器人工序等方法降低制造系統(tǒng)的綜合能耗。然而，上述優(yōu)化方法均無法從根本上降低機器人自身的驅(qū)動能耗。

傳統(tǒng)工業(yè)機器人由于關(guān)節(jié)內(nèi)減速器柔性、齒隙等因素造成的傳動誤差使機器人關(guān)節(jié)剛度變差[9]，典型關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人的整體剛度通常低于1 N/μm[10-11]。PALPACELLI[12]提出在機器人末端執(zhí)行器上加裝一套輔助柔鎖驅(qū)動裝置，采用冗余驅(qū)動的方式提升機器人的剛度及靜態(tài)特性。電動缸作為直線驅(qū)動單元多采用滾珠絲杠驅(qū)動，在并聯(lián)機器人中使用較為廣泛[13-14]。在機床等高精度直線進(jìn)給系統(tǒng)中可通過雙螺母預(yù)緊來消除滾珠絲杠副傳動間隙及死區(qū)對傳動精度的影響[15-16]。

本文設(shè)計一種具有機械臂的機器人系統(tǒng)。機械臂采用平行四邊形框架對角推缸驅(qū)動的結(jié)構(gòu)形式，從結(jié)構(gòu)原理上與傳統(tǒng)關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人相比具備低驅(qū)動能耗的優(yōu)勢。基于能量法和卡氏定理對機器人系統(tǒng)的整體剛度進(jìn)行計算，并通過整機有限元模型進(jìn)行驗證。

1 機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1所示為機器人的整體結(jié)構(gòu)。機器人主要由回轉(zhuǎn)單元、大臂、小臂及腕部4部分組成。機器人的機械臂及腕部可繞立柱回轉(zhuǎn)。機械臂可以實現(xiàn)水平和豎直方向2個自由度運動，機器人腕部具有俯仰及擺動2個自由度，用于調(diào)整機器人末端姿態(tài)。與傳統(tǒng)工業(yè)機械臂結(jié)構(gòu)形式不同，該機器人大臂和小臂均采用平行四邊形框架對角線電動缸驅(qū)動的結(jié)構(gòu)形式，通過控制平行四邊形對角線上的電動缸的伸縮運動，實現(xiàn)機械臂的水平和豎直運動。

圖1 機器人整體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of robot1.伺服電機 2.立柱 3.大臂電動機 4.大臂平衡缸 5.大臂電動缸 6.小臂電動機 7.小臂電動缸 8.小臂平衡缸 9.腕部 10.小臂 11.大臂 12.基座 13.回轉(zhuǎn)單元

電動缸由伺服電機經(jīng)安全離合器驅(qū)動絲杠做回轉(zhuǎn)運動，絲杠經(jīng)絲母將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為絲母及推桿的直線運動，通過缸體內(nèi)壁加工的導(dǎo)向槽限制了絲母的回轉(zhuǎn)自由度。電動缸中的滾珠絲杠傳動副采用雙螺母預(yù)加載荷的方式來消除反向傳動間隙并提高滾珠絲杠的剛度，如圖2所示。

圖2 大臂推缸結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of cylinder1.伺服電機 2.安全離合器 3.調(diào)整墊片 4.推桿 5.密封端蓋6.缸體 7.預(yù)壓型雙絲母 8.絲杠 9.軸承 10.密封端蓋

基座部分提供一個自由度的回轉(zhuǎn)運動，如圖3所示。2臺伺服電機與蝸桿分別對稱布置在蝸輪的兩側(cè)，共同驅(qū)動蝸輪轉(zhuǎn)動，蝸輪通過回轉(zhuǎn)軸帶動機器人立柱完成回轉(zhuǎn)動作。采用雙電動機驅(qū)動的結(jié)構(gòu)形式，可通過雙電動機主動消隙控制消除蝸輪蝸桿副的傳動間隙，提高回轉(zhuǎn)運動精度[17]。此外，蝸輪蝸桿的大傳動比可以代替減速器實現(xiàn)減速的功能。

圖3 機器人回轉(zhuǎn)驅(qū)動結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of rotary unit1.伺服電機 2.密封端蓋 3.轉(zhuǎn)臺軸承 4.立柱 5.回轉(zhuǎn)軸 6.軸承 7.端蓋 8.蝸輪 9.箱體 10.蝸桿

腕部基于差動原理設(shè)計而成，如圖4a所示，傳動原理如圖4b所示，主要由第一差動輸入、第二差動輸入及差動輸出3部分組成，第一差動輸入包括蝸桿、蝸輪及錐齒輪，第二差動輸入與第一差動輸入關(guān)于U型支撐對稱并安裝于U型支撐件的外側(cè)；差動輸出部分主要包含錐齒輪及擺軸。通過控制兩側(cè)蝸輪的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)俯仰軸及擺軸2個自由度的回轉(zhuǎn)運動。腕部也可采用消隙控制實現(xiàn)無間隙傳動。為實現(xiàn)傳動部件合理布置并保證傳動零部件工作在封閉空間內(nèi)，支撐件內(nèi)外兩側(cè)錐齒輪與蝸輪分別通過傳動軸和中空傳動軸聯(lián)接，其軸向位置均可通過套筒進(jìn)行調(diào)整，機械臂腕部內(nèi)部主要結(jié)構(gòu)如圖5所示。

針對工業(yè)應(yīng)用需求對機械臂關(guān)節(jié)設(shè)計了必要的防護(hù)環(huán)節(jié)，如圖6所示。機械臂作相對回轉(zhuǎn)運動的大臂、小臂等桿件間均通過密封圈實現(xiàn)密封，關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動副外部采用端蓋密封，實現(xiàn)對回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)內(nèi)部軸承的防護(hù)；此外，電動缸的推桿伸出部分可采用折皺保護(hù)罩進(jìn)行完全防護(hù)，有效避免推桿暴露在外導(dǎo)致污物異物等進(jìn)入推缸，影響滾珠絲杠的使用壽命。

圖4 機器人腕部結(jié)構(gòu)及傳動原理圖Fig.4 Schematic diagram of robot wrist and driving principle1.蝸輪蝸桿減速箱體 2.U型支撐 3.伺服電機 4.密封端蓋 5.俯仰部件 6.輸出法蘭 7.主動蝸輪 8.從動蝸輪 9.從動蝸桿 10.U型支撐 11.從動錐齒輪 12.主動錐齒輪 13.俯仰部件 14.主動錐齒輪 15.從動錐齒輪 16.從動蝸桿 17.從動蝸輪 18.主動蝸輪 19.主動蝸桿 20.大錐齒輪 21.小錐齒輪 22.擺動擺軸 23.軸承 24.主動蝸桿

圖5 腕部結(jié)構(gòu)剖視圖Fig.5 Section view of robot wrist1.電動機與減速器 2.蝸輪箱 3.蝸輪 4.中空軸 5.傳動軸 6.驅(qū)動錐齒輪 7.輸出軸 8、9.鎖緊螺母 10、15、18.軸承 11.鎖緊螺母 12.蝸桿 13.套筒 14.支座 16.輸出錐齒輪 17.俯仰件

圖6 機械臂關(guān)節(jié)裝配圖Fig.6 Assembly drawing of passive joint1.密封端蓋 2.小臂桿件 3.推桿 4.O型密封圈 5.外端蓋6.鎖緊螺母 7.調(diào)整墊 8.大臂桿件 9.半軸

2 機器人驅(qū)動能耗特性分析

2.1 機械手臂驅(qū)動功率及能耗模型

機器人小臂運動角度θ1∈[0,70°]，大臂與水平方向的俯仰運動夾角θ3∈[0,70°]，根據(jù)機構(gòu)設(shè)計尺寸，機器人水平可達(dá)距離為3 460 mm，如圖7所示。

機器人大臂和小臂對角線電動缸所受載荷FDE、FAC與外部載荷關(guān)系為

(1)

圖7 機器人尺寸及工作空間示意圖Fig.7 Robot size and workspace

式中θ1、θ2、θ3、θ4——桿件之間夾角G——重力負(fù)載

平行四邊形框架桿件受力與外部載荷的關(guān)系為

(2)

式中Fi——桿件i作用力Me——外部彎矩LAB——桿件AB長度

由式(1)可得到大臂和小臂電動缸電動機驅(qū)動扭矩TDE、TAC與外部載荷的關(guān)系分別為

(3)

式中pAC、pDE——小臂和大臂的絲杠導(dǎo)程η1、η2——小臂和大臂的絲杠傳動效率

機器人大臂和小臂的驅(qū)動功率表示為

(4)

其中

(5)

式中vB、vS——大臂和小臂電動缸伸縮速度ωB、ωS——大臂和小臂的角速度LDF、LAD——大臂和小臂的長度

忽略功率損失等因素，連續(xù)工作時間段(0～T0)內(nèi)，機器人驅(qū)動能耗為

(6)

2.2 工業(yè)機器人驅(qū)動功率及能耗模型

典型四自由度重載型工業(yè)機器人，常用于搬運、碼垛等場合，其受力如圖8所示。

圖8 典型四自由度工業(yè)機器人受載示意圖Fig.8 Force analysis of 4-DOF industrial robot

工業(yè)機械臂小臂和大臂驅(qū)動扭矩可以表示為

(7)

式中l(wèi)1、l2——大臂和小臂長度φ1、φ2——桿件之間夾角

小臂和大臂驅(qū)動功率可以表示為

(8)

式中nS、nB——小臂和大臂的轉(zhuǎn)速

機械臂驅(qū)動負(fù)載所需消耗驅(qū)動能量為

(9)

2.3 機器人驅(qū)動功率比較分析

圖9 機器人小臂展開狀態(tài)下大臂驅(qū)動功率Fig.9 Driving power of big arm with unfolded small arm

圖10 機器人小臂縮回狀態(tài)下大臂驅(qū)動功率Fig.10 Driving power of big arm with folded small arm

圖11 機器人小臂驅(qū)動功率對比Fig.11 Comparison of small arm driving power

將本文機械臂與臂長l1=l2=1 500 mm的等效二連桿機械臂比較，同時給出尺寸參數(shù)相近的KUKA TITAN KR1000的功率計算結(jié)果，如圖9～11所示。其中，TITAN機器人大臂長度為l1=1 400 mm，運動范圍為-130°～17.5°，小臂等效長度為l2=1 572 mm，運動范圍為-110°～145°。參考TITAN 2軸和3軸50 (°)/s的額定轉(zhuǎn)速，設(shè)定外部重力負(fù)載G。

圖9為小臂展開狀態(tài)下的大臂驅(qū)動功率，與二連桿及TITAN機械臂相比，本文大臂功率降低50%～80%；圖10為小臂縮回狀態(tài)下的大臂功率計算結(jié)果，驅(qū)動功率降低20%～50%，由此，得出本文機器人的大臂功率降低范圍為20%～80%。小臂驅(qū)動功率與二連桿機械臂相當(dāng)，略低于TITAN工業(yè)機器人的小臂驅(qū)動功率，如圖11所示。

由式(4)可知，外部彎矩不影響本文機械手臂的驅(qū)動功率；反之，工業(yè)機器人的外部彎矩直接導(dǎo)致關(guān)節(jié)的驅(qū)動功率增大，因此，計及外部彎矩作用下本文機械臂的功率優(yōu)勢更為明顯。

2.4 算例仿真

以大臂回轉(zhuǎn)中心(本文機械臂F點)作為坐標(biāo)原點(x,z)=(0,0)，使小臂末端(本文機械臂A點)以水平速度200 mm/s勻速由坐標(biāo)點(1 500,0)運動至坐標(biāo)點(2 500,0)，運動時間為5 s，設(shè)定重力負(fù)載為1 000 N，分別比較負(fù)載質(zhì)心與末端輸出法蘭中心重合及負(fù)載質(zhì)心沿法蘭中心x向偏出500 mm兩種狀態(tài)下機器人驅(qū)動功率，如圖12所示。

如圖12所示，相同工作條件下，本文機械臂驅(qū)動功率明顯降低。驅(qū)動功率曲線與時間坐標(biāo)系圍成的面積為消耗的驅(qū)動能量。采用復(fù)化求積公式近似計算得到機械臂消耗的驅(qū)動能量，如表1所示。負(fù)載質(zhì)心無偏移時本文機械臂與二連桿機械臂和TITAN工業(yè)機械臂相比驅(qū)動能耗分別降低25%和34.9%；質(zhì)心偏移500 mm狀態(tài)下，本文機械臂驅(qū)動能耗分別降低45.2%和51.5%。

3 機器人剛度特性分析

機器人剛度主要取決于機械臂桿件及電動缸剛度，本節(jié)在對電動缸剛度優(yōu)化的基礎(chǔ)上分析了機械手臂的綜合剛度特性。

3.1 電動缸剛度優(yōu)化

機器人小臂的驅(qū)動對角線長度變化范圍為1 600～2 300 mm，絲杠工作螺紋長度約為700 mm。綜合考慮驅(qū)動單元中絲杠軸向負(fù)載、安裝間距及穩(wěn)定性等工況要求，選擇THK絲杠公稱型號為BNFN 4510A-5，即絲杠外徑為45 mm，內(nèi)徑為41.4 mm，導(dǎo)程為10 mm，該絲杠采用的預(yù)壓型雙絲母軸向剛度KN=1 610 N/μm。綜合考慮電動缸的整體直徑尺寸，設(shè)計推桿內(nèi)徑為50 mm，外徑為100 mm，絲杠支撐軸承內(nèi)徑為40 mm，選擇NSK型號為40TAC90B四列組合軸承并中度預(yù)緊，其軸向剛度為2 650 N/μm。設(shè)定縮短狀態(tài)下絲母與缸體安裝點的距離為Δx，推桿安裝中心點與缸體前端面的距離LF=200 mm，要求對角線伸長距離為2 300 mm時，絲母與缸體前端面的距離Δy=200 mm，其中，缸體長度為LB，絲杠長度為LS，推桿長度為LR，如圖13所示。

圖12 機器人綜合驅(qū)動功率變化曲線Fig.12 Driving power changing curves of robot

J

圖13 小臂電動缸尺寸鏈?zhǔn)疽鈭DFig.13 Size of small arm cylinder

電動缸的綜合軸向剛度K表示為

(10)

式中KR——推桿軸向剛度KS——絲杠軸向剛度KB——支撐軸承軸向剛度

其中，電動缸推桿結(jié)構(gòu)如圖14所示，其剛度計算公式近似為

(11)

式中E——推桿材料彈性模量R——推桿外圓半徑r——推桿內(nèi)圓半徑

圖14 小臂推桿結(jié)構(gòu)示意圖Fig.14 Schematic diagram of piston rod

在絲杠、絲母、軸承剛度確定的條件下，提升推桿剛度是保證電動缸輸出剛度的唯一方法，因此，將獲取電動缸最優(yōu)剛度的問題轉(zhuǎn)化為推桿長度最小化的問題，來確定電動缸各部件的尺寸參數(shù)。優(yōu)化問題的目標(biāo)函數(shù)及約束條件為

(12)

將優(yōu)化計算結(jié)果取整后得出小臂電動缸部件的尺寸參數(shù)如表2所示。

表2 機器人小臂電動缸優(yōu)化尺寸Tab.2 Optimal size of small arm cylinder mm

大臂電動缸絲杠公稱型號為BNFN 5010-5，絲母軸向剛度為1 750 N/μm；絲杠支撐軸承內(nèi)徑為45 mm，選擇45TAC100B四列組合并中度預(yù)緊，其軸向剛度為3 000 N/μm。推桿內(nèi)徑60 mm，外徑110 mm，長度1 200 mm。圖15所示為優(yōu)化后電動缸軸向剛度隨行程的變化曲線。

圖15 電動缸剛度特性曲線Fig.15 Stiffness curves of cylinders

3.2 機器人剛度建模

機器人末端所受外部載荷可以用矩陣表示為

(13)

外部載荷、剛度矩陣K及變形量的關(guān)系為

Fe=KδSP

(14)

其中

(15)

式中 δSP——機器人末端綜合變形量矩陣C——機器人柔度矩陣

根據(jù)式(14)、(15)可以得出

K=C-1

(16)

機器人腕部支撐結(jié)構(gòu)與內(nèi)部齒輪傳動部件均具備較高剛度，因此，本文將該部分結(jié)構(gòu)簡化等效為剛體。機械臂簡化為如圖16所示的柔性模型。通過計算桿件應(yīng)變能并基于卡氏定理可以計算出平行四邊形機械臂關(guān)節(jié)點沿載荷作用方向的變形量。

圖16 平行四邊形機械臂柔性模型Fig.16 Schematic diagram of flexible robot arms

以大臂回轉(zhuǎn)中心作為初始參考點，D點相對于F點的變形量為

(17)

式中UD——D點變形能FDE、FDF——桿件DE、DF作用力KDE、KDF——桿件DE、DF等效剛度FDx、FDz——D點處沿x、z向附加力

平行四邊形C點相對于D點的變形量為

(18)

式中UC——C點變形能FCE——桿件CE作用力KCE——桿件CE等效剛度FCx、FCz——C點處沿x、z向附加力

同理，平行四邊形A點相對于D點的變形量為

(19)

式中UA——A點變形能FAC、FAD——桿件AC、AD作用力KAC、KAD——桿件AC、AD等效剛度FAx、FAz——A點處沿x、z向附加力

平行四邊形B點相對于A點的變形量為

(20)

式中UB——B點變形能FBC——桿件BC作用力KBC——桿件BC等效剛度FBx、FBz——B點處沿x、z向附加力

桿件EF、CD及AB的姿態(tài)變化間接影響機器人末端的偏移量Δax和Δaz，該變形量可通過幾何關(guān)系計算直接得到，機器人末端在xOz平面的綜合變形量為

(21)

此外，機器人末端的y向變形量δSy可根據(jù)桿件CE、DF、BC和AD所受載荷及其等效抗彎剛度直接計算得到，這里不再贅述。

3.3 剛度計算結(jié)果分析

對機械臂桿件進(jìn)行有限元分析，近似得到桿件的等效抗拉剛度及抗彎剛度，如表3所示。

有限元分析(FEA)能提供相對可靠、準(zhǔn)確的計算結(jié)果，常被用來驗證數(shù)值計算結(jié)果的正確性[18-20]。通過任意選取工作空間內(nèi)位置點(θ1=20°,θ3=30°)處的有限元計算結(jié)果對機器人剛度數(shù)值計算結(jié)果進(jìn)行驗證，變形結(jié)果如圖17所示。

表3 機器人桿件等效剛度Tab.3 Equivalent stiffness of robot arms N/μm

將數(shù)值計算結(jié)果與有限元計算結(jié)果進(jìn)行比較，如表4所示，由于將腕部結(jié)構(gòu)等效為剛體處理導(dǎo)致剛度數(shù)值計算結(jié)果略大于有限元計算結(jié)果。但是，數(shù)值計算結(jié)果與有限元結(jié)果相差不大，可用于近似估算機器人系統(tǒng)工作空間內(nèi)的整體剛度水平。

圖17 機器人變形有限元計算結(jié)果Fig.17 Robot deformations in FEA

表4 機器人剛度計算結(jié)果比較Tab.4 Comparison of robot stiffnessN/μm

機器人工作空間內(nèi)的剛度分布如圖18所示。機器人的x向剛度為2.2～244.4 N/μm，y向剛度為2.8～16.3 N/μm，z向剛度為7.8～13.4 N/μm。縮回狀態(tài)下機器人x向和y向剛度與工業(yè)機器人剛度

水平基本相當(dāng)；機械臂展開狀態(tài)的剛度優(yōu)于縮回狀態(tài)，特別是x向剛度增加較為明顯，并且其綜合剛度優(yōu)于工業(yè)機器人整體剛度。

綜合上述分析，本文機械臂具備以下特點：機械臂俯仰至較大角度時，電動缸會與框架發(fā)生干涉，限制了該型機械臂的俯仰角度，導(dǎo)致機械臂結(jié)構(gòu)的緊湊性稍顯不足；尺寸相近的六自由度工業(yè)機器人在工作空間及靈活性等方面優(yōu)于文中的機械臂結(jié)構(gòu)；但是，本文機械臂與尺寸相近的四自由度工業(yè)機器人相比，兩者的工作空間相近，同時具備較好的綜合剛度，有利于提升該型機器人在搬運、碼垛等作業(yè)中的負(fù)載能力。

4 結(jié)論

(1)設(shè)計了一種具有新型機械手臂的機器人結(jié)構(gòu)，機器人的大臂、小臂均采用平行四邊形框架對角線電動缸驅(qū)動的結(jié)構(gòu)形式。電動缸采用預(yù)緊雙螺母消除滾珠絲杠副的反向間隙，此外，機器人回轉(zhuǎn)底座及腕部均可通過雙電機消隙控制消除傳動間隙。

(2)與工業(yè)機器人相比，機械臂的平行四邊形框架可以平衡外部的彎矩作用，減小電動缸的等效負(fù)載，在提升機器人的負(fù)載能力的同時有效降低機械臂的驅(qū)動功率及能耗。與傳統(tǒng)工業(yè)機器人相比，相同外部重力負(fù)載及速度條件下，機器人的大臂驅(qū)動功率降低20%～80%，小臂驅(qū)動功率與工業(yè)器人小臂相當(dāng)；當(dāng)僅有外部彎矩作用時，機器人不需提供驅(qū)動功率。

(3)對機器人的整體剛度計算結(jié)果表明：機器人在垂直方向的剛度明顯優(yōu)于工業(yè)機器人；機器人縮回狀態(tài)的剛度與工業(yè)機器人基本相當(dāng)，而展開狀態(tài)的剛度明顯優(yōu)于縮回狀態(tài)，有利于在鑄造、搬運、碼垛等重載場合應(yīng)用。

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DesignandPerformanceAnalysisofNovelRoboticArm

SUN Longfei1FANG Lijin2

(1.SchoolofMechanicalEngineeringandAutomation,NortheasternUniversity,Shenyang110819,China2.FacultyofRobotScienceandEngineering,NortheasternUniversity,Shenyang110819,China)

Industrial robots are widely used in the fields of handling, stacking and machining due to their advantages of large workspace, compact structure and good flexibility, but the stiffness of the robot is relatively weak due to the series structure. In addition, the external load of the robot is fully shared by servo motors which increase the driving power and energy consumption of the robot arm, especially for the big and small arms. In order to increase the robot stiffness and reduce the driving power of the robot arm, a robot structure with a novel robot arm was presented. A parallelogram structure with diagonal driven was adopted for robot big and small arms. The diagonal electric cylinders driven by ball screws using double nuts with preload to eliminate the reverse backlash, and the anti-backlash method was applied to the rotary base and the robot wrist to eliminate the transmission backlash. By using the parallel quadrilateral frame to balance the external bending moment, the driving power and the energy consumption of the mechanical arm were reduced in principle. The energy consumption of the novel robot and the corresponding industrial robot were compared under the same external load, and the simulation results showed that the driving power of the big arm can be reduced from 20% to 80% compared with the industrial robot and the small arm was equal to the industrial robot when only the external gravity load was applied. Moreover, the power consumption of the driving motor was not required when only external bending moment was applied. Finally, based on the strain energy and Castigliano’s theorem, combining with the robot arms stiffness results using finite element analysis (FEA), the integral robot stiffness was calculated and the results showed that the overall stiffness of the robot was better than that of industrial robots, which made it beneficial to improve the load capacity in the operations of handling, stacking and so on.

mechanical arm; structural design; performance analysis

TP242.2

A

1000-1298(2017)09-0402-09

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.09.051

2016-12-20

2017-01-19

國家自然科學(xué)基金項目(51575092)和遼寧重大裝備制造協(xié)同創(chuàng)新中心項目

孫龍飛(1987—)，男，博士生，主要從事提高機器人精度關(guān)鍵技術(shù)研究，E-mail: lfsun_neu@163.com

房立金(1965—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事機器人與自動化裝備研究，E-mail: ljfang@mail.neu.edu.cn