工業機器人結構設計與性能優化措施

劉志軍 辛宏宇

(赤峰工業職業技術學院，內蒙古 赤峰 024000)

1 工業機器人結構設計中存在的問題

工業機器人的出現有效提升了工業生產的效率。由于受到設計和制造水平的限制，機器人在早期只是從事工業生產中某些單調、繁重和重復的長時間作業，靈活性不佳，智能化程度不高。為了適應工業生產的需求，也嘗試了對機器人的結構進行優化設計，大多做法為通過增加機器人本體結構的剛度，減少機器人機械臂在載荷作用下發生的變形，以此來提高機器人的運動精度。而在以往要想提高機械臂的剛度，就需要增加機械結構的尺寸才能夠達到目的。這種做法會直接增加機器人本體負載的重量，需要大功率伺服電機和大規格減速器才能夠維持機器人的運動，不僅會消耗較多的資源，而且還會增加一定的成本。在機器人本體負載增加的情況下，勢必會降低其運動速度，影響到機器人的作業效率，這與對機器人進行結構優化的初衷相背離。

為了解決機器人本體負載大的問題，采用重量較輕，剛性較差的結構，但在負載以及高速運動的作用下，就會導致機械臂出現一定的變形和撓度，在停止運動時，還會因為慣性的作用而導致自由振動。工業機器人是一種多關節機械手或多自由度的機器裝置，每個關節的剛度是不同的，每個關節都可能會產生一定的轉角誤差，當機械臂發生變形和撓度時，在連桿的作用下會被逐漸放大，經過各個關節的累積最終在機器人的末端位置差生較大的誤差，從而影響到機器人的作業精度。以上是以往機器人結構優化設計中面臨的具體相關問題。因為受到各種因素的制約，從結構剛度、重量、動態特征以及振動等方面進行綜合考量時，設計效果不太理想，這也是以后的結構優化設計需要重點考慮的問題。

2 工業機器人結構優化設計思路

在吸收以往經驗的基礎上，對機器人結構的優化設計，需要從運動學和動力學兩個方面進行考慮。在結構設計中，應該充分考慮結構的尺寸、強度，零部件的材料、結構特征和尺寸大小等因素，然后與機器人的運行環境相結合，確保其在結構上能夠更加緊湊和輕巧。為了滿足現代化工業生產的需求，在對機器人進行結構優化設計時，不僅要考慮到靜載荷條件下的受力、剛度等需求，還要滿足動載荷條件下的性能需求。輕量化是現代化結構設計較為常用的理念，在機器人處于高速運轉狀態下時，連桿和關節的剛度會對機械臂的運動精度產生一定的影響，所以要對機器人本體結構件的受力進行優化設計，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結構件作為剛性體，然后再根據機器人的作業環境，經過計算后得出機器人結構件的優化結果。

3 工業機器人輕量化設計

經過傳統結構設計經驗的分析，可對機器人進行輕量化設計理念。經過輕量化設計的機器人，結構件的重量明顯降低，在運動過程中可大大降低機械臂的運動慣性，提高機械臂的運動速度，機器人的定位精度和生產效率都可得到有效保證。輕量化設計還能夠降低能源消耗，減少對環境的污染。在保證機器人基本功能穩定、可靠和安全的基礎上，可采用輕量化材料以及結構拓撲優化的方式，提高機器人結構設計和性能的優化。

強度和剛度是機器人結構設計優化中需要重點考慮的因素，只有在滿足這兩項要求的基礎上，才能夠滿足機器人的作業需求和功能的發揮。輕量化材料主要是相對于傳統材料而言，從字面理解輕量化材料即為重量輕，重量輕主要是因為材料本身的密度小，在結構設計中能夠減少傳動部件的受力和能耗。此外輕量化材料還具有強度高、剛度大、震動阻尼大的特點，較高的強度能夠滿足機器人在工業生產中的勞動需求，保證生產運行的安全性，剛度大可避免結構件發生變形，震動阻尼大可吸收機械臂啟停產生的局部振動。比較常見的輕量化材料有鎂合金、鋁合金、碳纖維復合材料和工程塑料等，由于每種材料的密度、強度、韌性以及加工工藝等不同，所以在實際應用時，應該根據結構件的位置以及其所承受的載荷等因素，綜合考慮選擇哪種材料，以達到最佳的結構設計優化效果。在機器人結構優化設計中采用輕量化設計理念，因為每種輕量化材料的性能參數不同，所以需要合理選用材料，確保機械臂的剛度、強度、韌性等性能參數都符合作業要求。可采用拓撲優化的方法，將輕量化材料的分布作為優化的對象，在均勻分布材料的設計空間中找到最佳的分布方案，確保輕量化設計能夠達到理想的效果。

4 工業機器人機械臂振動參數分析

機器人在作業的過程中，根據工藝流程的不同，機械臂的姿態、激振力、激振頻率都會實時發生變化，當機械臂的激振力頻率與機器人本體的固有頻率接近時，就會產生共振現象，由此加劇機械臂的抖動，不僅會降低機械臂的運動精度，還會縮短結構件的使用壽命，增加安全事故發生的頻率。所以在對機器人結構設計和性能優化時，應該對機械臂的動態特征參數進行分析和辨識。由于解體測量和CAD方法都有一定的局限性，計算出的參數存在一定的偏差，所以一般都采用整體辨識法。整體辨識法為讓機器人按照預設的軌跡運動，對需求測量關節的驅動力矩和關節轉角采集信息，然后通過計算得出慣性參數。因為這種方法機器人的運動狀態與實際工作狀態一致，所以計算結果與實際值會更加接近，為結構設計和性能優化提供更具參考價值的數據信息。

5 工業機器人機械臂振動抑制方法

工業機器人在運動過程中，機械臂發生振動會直接影響到作業的精準度，所以在結構設計和性能優化中要解決機械臂振動問題。機械臂振動的根源主要來源于關節上的電機，在電機的速度和加速度發生變化時，就會導致機械臂產生振動。如果沒有激勵條件，在阻尼作用下，機器人結構件的振動會逐漸消失。對于機械臂振動的控制方法主要有被動控制、主動控制和軌跡規劃等。被動控制方法主要是在柔性機械臂上增加耗能或者儲能裝置來實現振動抑制，這種方法具有較好的穩定性，但是適應性和魯棒性相對較弱；主動控制是指根據機械臂振動的力或力矩大小以及方向，在機械臂適合的位置施加一種大小相同但方向相反的力，從而實現振動抑制的目的；軌跡規劃主要是從軌跡和速度規劃的角度實現振動抑制，軌跡規劃在一定優化限制中可歸屬于對加速度的優化，將加加速度作為約束條件，可提高軌跡精度。通過利用新材料和功能材料也可以起到機械臂振動抑制的功能，主要有壓電材料和新型復合材料，壓電材料包括壓電纖維、壓電晶體和壓電聚合物等，這類材料具有較寬的頻率響應范圍，響應速度快，動態性能好，重量輕，安裝方便等優點，在被動控制、主動控制和混合控制中應用，可取得較好的振動抑制效果。

6 結語

工業機器人是我國工業生產向智能化、數字化和網絡化方向發展的典型代表，傳統的工業機器人僅能夠從事簡單的機械性作業，智能化水平較低，在結構上占地面積較大，機械結構不夠靈活，無法完成較為精密的加工作業。機電設備的應用是促進工業生產水平的重要驅動力，所以為了滿足工業生產的需求，工業機器人在結構和性能方面需要不斷地改進和完善，不僅要適應現代化工業生產的需求，還要領先于現代工業生產技術，在結構設計和性能優化方面具有一定的前瞻性，由此才能夠促進工業生產水平的快速發展。工業機器人技術融合了多學科的知識，所以在結構設計和性能方面的優化還需要從多種學科角度綜合分析，在根本上提升工業機器人的工作性能和工作效率，為促進我國機器人產業的發展提供助力。