工業機器人結構設計與性能提升過程中的關鍵問題分析

楊文

摘要：隨著工業機器人的廣泛應用，要求機器人本體結構緊湊、輕便、靈活，同時需要滿足高速、高精度、高可靠性的要求。本文對工業機器人結構設計與性能提升過程中的關鍵問題進行了分析與探討，以供參考。

關鍵詞：工業機器人;結構設計;性能

中圖分類號：TP242.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）10-0078-02

0? 引言

工業機器人的開發與應用是我國智能制造和高端制造業的重要內容。從工業機器人發展的產業鏈可知，上游是關鍵核心零部件（減速器、伺服電機和控制器），中游是機器人本體結構設計與制造，即是機器人的“身體”結構設計制造，下游是應用系統集成。國內企業在機器人本體設計制造方面，要求機器人本體結構越來越緊湊，越來越靈活。隨著工業機器人應用領域和應用類型的廣泛發展，對機器人性能的要求也越來越高。機器人需要滿足高速、高精度、高穩定性的要求。

1? 傳統工業機器人結構設計存在的問題

提高工業機器人運動精度的傳統方法主要是增加機器人本體結構的剛度，減小機器人機械臂在載荷作用下產生的變形，提高定位精度。為保證機械臂具有足夠的剛度，需使增大機械結構尺寸。這種方法最直接的缺點就是導致本體負載過重，需要大功率伺服電機和大規格減速器，增加了機器人成本，消耗更多能源。同時，由于機器人本體負載大，運動速度慢，生產效率低下，難以滿足自動化工廠生產要求。另一方面，采用重量輕、剛性較差的本體結構時，在負載和高速作用下，機械臂會產生一定的變形及撓度，并且在停止運動時，由于慣性會產生自由振動。由于機器人各個關節的剛度不同，各個關節會產生轉角誤差，機械臂的變形和撓度通過各節連桿被放大，并在各個關節處進行累積，最終在機器人的末端位置處產生較大的誤差，降低機器人末端的定位精度，難以滿足精度要求較高的場合等場合。因此，在工業機器人本體結構設計和優化過程中，必須考慮機械臂結構剛度、重量、動態特性及振動的影響。

2? 工業機器人結構優化設計

在進行結構優化設計時，首先，對工業機器人進行運動學和動力學計算，校核結構件的尺寸和強度，在此基礎上進行結構件疲勞強度和壽命的計算和預測，然后在滿足工業機器人基本功能要求的條件下，合理選擇零部件的材料、結構特征和尺寸大小，使得優化后的結構尺寸緊湊、輕巧。

機器人本體結構優化已從傳統靜載荷條件下結構設計逐步發展為在動載荷條件下以現代設計理論與方法為基礎的優化設計。在對工業機器人本體結構進行優化時，需要同時考慮運動學和動力學分析結果。在進行運動學分析時，可利用雅可比矩陣條件數來描述機構在運動空間中某一點的運動特性，并將其作為機器人的運動學評價指標。在進行動力學分析時，可將機械臂的慣量特性作為優化指標。利用機器人末端的速度、加速度和受力情況的動態特性方程來對動力學指標進行優化。

在輕量化和高速度的設計目標下，工業機器人連桿和關節的剛度對機械臂的運動精度影響越來越大。這時，需要分別考慮機器人本體結構件的受力情況，將受力較大、變形較大的結構件作為柔性體，受力較小和變形較小的機構件作為剛性體，建立機器人剛柔耦合動力學模型，根據工業機器人實際應用場合重點關注的要點，可以分別以整機質量、全局靜剛度及靜剛度一致性、低階固有頻率等作為優化目標，以應力和變形、低階模態固有頻率、整體質量等為約束條件對機器人結構件進行優化[1]。結合現代設計理論和方法，采用有限元方法和智能優化算法對機器人結構進行優化設計。根據應用場合的需要，可以選擇單目標或多目標進行優化。

3? 工業機器人輕量化設計

傳統機器人的本體結構未經過輕量化設計，機械臂笨重，本體結構質量過大，導致需要大功率電機才能正常工作，從而耗費更多的能源，并限制了機器人負載以及工作環境。機器人本體經過輕量化設計后，結構件的重量大大減小，機械臂運動時的慣性也大大減小，在保證機器人的定位精度的條件下，可增加機械臂的運動速度，提高生產效率和安全性，降低了能耗，減少了環境污染。機器人輕量化的基本原則是在保證機器人基本功能的穩定、可靠和安全的前提下，通過結構拓撲優化和選擇輕量化材料，達到減小機器人本體重量的同時，機械臂的剛度和強度滿足設計要求。

3.1 輕量化材料

機器人本體結構的輕量化設計主要從兩個方面進行：輕量化材料的應用和機器人本體結構的拓撲優化。機器人本體設計時首先考慮的是強度和剛度問題，因此，傳統設計時，結構部件的材料多為強度和密度較大的金屬材料，如各類鑄鐵、鑄鋁、合金鋼等。這些材料密度大，并且力學性能還比一些新材料差，因此，這些材料并不是輕量化材料。

能夠進行輕量化設計的材料需要滿足以下的要求：①強度高：保證工作安全和使用壽命。②較大的剛度和強度：需要具有抵抗變形的能力。③較大的震動阻尼：需要材料吸收由于機械臂的啟停而產生局部的振動。④密度小：減少傳動部件的承受的負載和能耗。目前機器人常用的輕量化材料包括鎂合金、鋁合金、碳纖維復合材料和工程塑料等[2]。

鎂合金材料以其輕質（密度為鋁的2/3，不到鋼的1/4）、高比強度等特點，是機器人本體結構最理想輕量化材料之一。但是鎂合金材料的強韌性低于鋼鐵和鋁合金材料，還不能完全替代[3]。

鋁合金也是機器人本部結構常用的輕量化材料之一，其密度比鎂合金略大，但遠小于鋼鐵材料的密度，比強度也遠高于鋼鐵合金，因此鋁合金材料已成為在機器人本體材料應用最多的材料之一。

碳纖維復合材料是一種新型的高強度高模量復合材料。碳纖維材料的強度是鋼鐵材料的數倍，而其密度只有鋼鐵材料的1/6 ～1/4。從強度和密度來看，碳纖維復合材料無疑是最理想的輕量化材料，但是，由于碳纖維復合材料加工成型復雜，成本較高，因此，如何在成型工藝和成本上找到平衡點，是目前的研究熱點。

3.2 結構拓撲優化方法

在機器人輕量化設計方面，拓撲優化方法已廣泛應用于各種機器人的輕量化設計。常用的結構拓撲優化方法有：均勻化法、變密度法、漸進結構法、水平集法[4]、蟻群優化和有限元分析結合使用拓撲優化方法等。一般以機器人質量、慣量和剛度等為優化目標，進行多目標拓撲優化設計。

4? 工業機械人動力學參數辨識

機械臂運動過程中，激振力實時變化，機械臂的姿態也實時變化，激振頻率也實時變化。當激振力頻率接近機器人本體的固有頻率時，會產生共振現象，導致機械臂產生明顯的抖動，降低機械臂的運動精度，減小結構件的疲勞壽命，易產生安全事故。因此，在工業機器人結構設計和優化過程中，需要對機械臂的動態特性參數進行分析和辨識。

機器人動力學參數辨識方法可分為解體測量方法、CAD 方法以及整體辨識方法。解體測量是把機器人本體結構進行拆解，測量拆解零部件質心等參數，再根據計算公式求出慣性參數值。該方法的缺點是無法考慮實際運動時各個關節摩擦、變形的影響，因此會導致較大的力矩偏差;CAD 方法是根據機器人3D 模型，由軟件自動計算出相關參數。該方法的缺點同樣是無法考慮實際運動時各個關節摩擦、變形的影響;整體辨識法是指對工業機器人進行運動測試試驗，根據預先設定的運動軌跡，操作機器人沿軌跡運動，采集待測量關節的驅動力矩及關節轉角，通過辨識模型和辨識算法求解出慣性參數。由于該辨識方法中的機器人工作狀態與實際工況完全一致，因此辨識結果與實際值更加接近。

5? 工業機器人機械臂振動抑制

隨著工業機器人應用的要求不斷提升，對機器人的運動精度要求越來越高，機械臂在運動過程中的振動問題也亟待解決。工業機器人機械臂振動的根源在于運動的激勵裝置。機器人的振動來自于機器人每個關節上運行的電機。機器人的運動是由電機驅動的，電機速度和加速度的變化就是機器人運動的變化，即產生振動。在沒有激勵的條件下，在機器人的結構件阻尼的作用下，振動會逐漸衰減，經過一段時間后，最終停止下來。振動控制理論與技術可分為被動控制和主動控制。被動控制、主動控制和軌跡規劃是機器人振動抑制的主要方法。

5.1 被動控制

工業機器人機械臂的被動控制是在柔性機械臂上增加耗能或儲能的裝置來實現振動抑制。被動控制原理簡單，穩定性好，但適應性和魯棒性較弱。常用的被動控制方法有阻尼法（在結構上加入彈性阻尼材料）和剛度變化法。

5.2 主動控制

主動控制方法則采用有效的控制策略和方法對振動進行反向抑制或補償間隙，實現振動的抑制。根據機械臂振動檢測信號，設計一種控制策略，控制在機械臂上施加的力或力矩的大小和方向，使得與振動的方向相反，從而實現振動的抑制。常用的主動控制方法有 PID 控制、自適應控制、手指輸入整形法、變結構控制、預測控制等。

5.3 軌跡規劃

軌跡規劃方法是通過從軌跡和速度規劃的角度來實現振動抑制。軌跡規劃包括軌跡曲線優化和速度與加速度的優化。軌跡規劃中的約束條件包括最大關節加速度、最大關節加加速度以及關節輸入信號的頻率成分等。機器人軌跡曲線的優化取決于工作任務要求，需針對特定工作任務進行優化限制。加速度優化是改善機器人振動特性的重要影響參數。軌跡規劃在一定優化限制中可歸屬于對加速度的優化當中。將加加速度作為約束條件，提高了軌跡精度。

5.4 新材料和功能材料

目前，在機器人機械臂振動控制方面，還有通過使用新材料和功能材料來實現振動抑制。這些新材料和功能材料主包括：壓電材料和新型復合材料。壓電材料是指具有壓電效應的材料，主要分為壓電纖維、壓電晶體、壓電聚合物和壓電陶瓷等。壓電材料具有頻率響應范圍寬、響應速度快、動態性能好、重量輕、加工安裝方便、分布式加工好等優點。利用壓電材料進行振動控制方法主要包括：被動控制、主動控制、主/被動混合控制。被動控制方法利用正壓電效應將振動變形產生的機械能轉化為電能，利用外部電路消耗的電能實現振動的抑制，但柔性差，控制效果不理想。主動控制是利用壓電效應、電能轉化為機械能，通過機械變形和運動來抑制振動，這種控制方法具有很強的適應性和靈活性。主/被動混合控制結合了主動控制和被動控制的特點，通過在普通阻尼材料中加入壓電材料來實現振動控制，具有較強的魯棒性、靈活性和適應性。

6? 結束語

綜上所述，工業機器人結構設計及性能提升需要全面地從運動學、動力學分析、結構優化設計、輕量化設計、動態特性分析與參數辨識、振動抑制等方面進行系統化的分析、設計和優化，才能從根本上提升機器人工作性能和工作效率，對促進我國機器人產業發展產生重要影響。

參考文獻：

[1]岳士崗，余躍慶.多桿柔性機器人桿與關節耦合效應及優化設計[J].北京工業大學學報，1997，23（4）：49-56.

[2]于成濤，張靜旖，吳英彪.機器人輕量化材料應用的研究進展[J].新材料產業，2019：41-45.

[3]丁輝.鎂合金材料在機器人輕量化上的應用淺析[N].中國建材報，2017（003）.

[4]姚屏，林源，湯勇，曾琴. 結構拓撲優化方法及其機器人輕量化應用現狀及發展[J].機電工程技術，2018，47（11）：117-122.