工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化措施

劉志軍 辛宏宇

(赤峰工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000)

1 工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的問題

工業(yè)機(jī)器人的出現(xiàn)有效提升了工業(yè)生產(chǎn)的效率。由于受到設(shè)計(jì)和制造水平的限制，機(jī)器人在早期只是從事工業(yè)生產(chǎn)中某些單調(diào)、繁重和重復(fù)的長時(shí)間作業(yè)，靈活性不佳，智能化程度不高。為了適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)的需求，也嘗試了對機(jī)器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，大多做法為通過增加機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)的剛度，減少機(jī)器人機(jī)械臂在載荷作用下發(fā)生的變形，以此來提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)精度。而在以往要想提高機(jī)械臂的剛度，就需要增加機(jī)械結(jié)構(gòu)的尺寸才能夠達(dá)到目的。這種做法會(huì)直接增加機(jī)器人本體負(fù)載的重量，需要大功率伺服電機(jī)和大規(guī)格減速器才能夠維持機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，不僅會(huì)消耗較多的資源，而且還會(huì)增加一定的成本。在機(jī)器人本體負(fù)載增加的情況下，勢必會(huì)降低其運(yùn)動(dòng)速度，影響到機(jī)器人的作業(yè)效率，這與對機(jī)器人進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的初衷相背離。

為了解決機(jī)器人本體負(fù)載大的問題，采用重量較輕，剛性較差的結(jié)構(gòu)，但在負(fù)載以及高速運(yùn)動(dòng)的作用下，就會(huì)導(dǎo)致機(jī)械臂出現(xiàn)一定的變形和撓度，在停止運(yùn)動(dòng)時(shí)，還會(huì)因?yàn)閼T性的作用而導(dǎo)致自由振動(dòng)。工業(yè)機(jī)器人是一種多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度的機(jī)器裝置，每個(gè)關(guān)節(jié)的剛度是不同的，每個(gè)關(guān)節(jié)都可能會(huì)產(chǎn)生一定的轉(zhuǎn)角誤差，當(dāng)機(jī)械臂發(fā)生變形和撓度時(shí)，在連桿的作用下會(huì)被逐漸放大，經(jīng)過各個(gè)關(guān)節(jié)的累積最終在機(jī)器人的末端位置差生較大的誤差，從而影響到機(jī)器人的作業(yè)精度。以上是以往機(jī)器人結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中面臨的具體相關(guān)問題。因?yàn)槭艿礁鞣N因素的制約，從結(jié)構(gòu)剛度、重量、動(dòng)態(tài)特征以及振動(dòng)等方面進(jìn)行綜合考量時(shí)，設(shè)計(jì)效果不太理想，這也是以后的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)考慮的問題。

2 工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)思路

在吸收以往經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對機(jī)器人結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，需要從運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)兩個(gè)方面進(jìn)行考慮。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)該充分考慮結(jié)構(gòu)的尺寸、強(qiáng)度，零部件的材料、結(jié)構(gòu)特征和尺寸大小等因素，然后與機(jī)器人的運(yùn)行環(huán)境相結(jié)合，確保其在結(jié)構(gòu)上能夠更加緊湊和輕巧。為了滿足現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的需求，在對機(jī)器人進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，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(dòng)載荷條件下的性能需求。輕量化是現(xiàn)代化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為常用的理念，在機(jī)器人處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下時(shí)，連桿和關(guān)節(jié)的剛度會(huì)對機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)精度產(chǎn)生一定的影響，所以要對機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)件的受力進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，將受力較大、變形較大的結(jié)構(gòu)件作為柔性體，受力較小和變形較小的結(jié)構(gòu)件作為剛性體，然后再根據(jù)機(jī)器人的作業(yè)環(huán)境，經(jīng)過計(jì)算后得出機(jī)器人結(jié)構(gòu)件的優(yōu)化結(jié)果。

3 工業(yè)機(jī)器人輕量化設(shè)計(jì)

經(jīng)過傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的分析，可對機(jī)器人進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)理念。經(jīng)過輕量化設(shè)計(jì)的機(jī)器人，結(jié)構(gòu)件的重量明顯降低，在運(yùn)動(dòng)過程中可大大降低機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)慣性，提高機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)速度，機(jī)器人的定位精度和生產(chǎn)效率都可得到有效保證。輕量化設(shè)計(jì)還能夠降低能源消耗，減少對環(huán)境的污染。在保證機(jī)器人基本功能穩(wěn)定、可靠和安全的基礎(chǔ)上，可采用輕量化材料以及結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的方式，提高機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能的優(yōu)化。

強(qiáng)度和剛度是機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化中需要重點(diǎn)考慮的因素，只有在滿足這兩項(xiàng)要求的基礎(chǔ)上，才能夠滿足機(jī)器人的作業(yè)需求和功能的發(fā)揮。輕量化材料主要是相對于傳統(tǒng)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?yàn)椴牧媳旧淼拿芏刃。诮Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中能夠減少傳動(dòng)部件的受力和能耗。此外輕量化材料還具有強(qiáng)度高、剛度大、震動(dòng)阻尼大的特點(diǎn)，較高的強(qiáng)度能夠滿足機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)中的勞動(dòng)需求，保證生產(chǎn)運(yùn)行的安全性，剛度大可避免結(jié)構(gòu)件發(fā)生變形，震動(dòng)阻尼大可吸收機(jī)械臂啟停產(chǎn)生的局部振動(dòng)。比較常見的輕量化材料有鎂合金、鋁合金、碳纖維復(fù)合材料和工程塑料等，由于每種材料的密度、強(qiáng)度、韌性以及加工工藝等不同，所以在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)該根據(jù)結(jié)構(gòu)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(dá)到最佳的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化效果。在機(jī)器人結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中采用輕量化設(shè)計(jì)理念，因?yàn)槊糠N輕量化材料的性能參數(shù)不同，所以需要合理選用材料，確保機(jī)械臂的剛度、強(qiáng)度、韌性等性能參數(shù)都符合作業(yè)要求。可采用拓?fù)鋬?yōu)化的方法，將輕量化材料的分布作為優(yōu)化的對象，在均勻分布材料的設(shè)計(jì)空間中找到最佳的分布方案，確保輕量化設(shè)計(jì)能夠達(dá)到理想的效果。

4 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械臂振動(dòng)參數(shù)分析

機(jī)器人在作業(yè)的過程中，根據(jù)工藝流程的不同，機(jī)械臂的姿態(tài)、激振力、激振頻率都會(huì)實(shí)時(shí)發(fā)生變化，當(dāng)機(jī)械臂的激振力頻率與機(jī)器人本體的固有頻率接近時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，由此加劇機(jī)械臂的抖動(dòng)，不僅會(huì)降低機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)精度，還會(huì)縮短結(jié)構(gòu)件的使用壽命，增加安全事故發(fā)生的頻率。所以在對機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化時(shí)，應(yīng)該對機(jī)械臂的動(dòng)態(tài)特征參數(shù)進(jìn)行分析和辨識(shí)。由于解體測量和CAD方法都有一定的局限性，計(jì)算出的參數(shù)存在一定的偏差，所以一般都采用整體辨識(shí)法。整體辨識(shí)法為讓機(jī)器人按照預(yù)設(shè)的軌跡運(yùn)動(dòng)，對需求測量關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力矩和關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角采集信息，然后通過計(jì)算得出慣性參數(shù)。因?yàn)檫@種方法機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與實(shí)際工作狀態(tài)一致，所以計(jì)算結(jié)果與實(shí)際值會(huì)更加接近，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化提供更具參考價(jià)值的數(shù)據(jù)信息。

5 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械臂振動(dòng)抑制方法

工業(yè)機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中，機(jī)械臂發(fā)生振動(dòng)會(huì)直接影響到作業(yè)的精準(zhǔn)度，所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化中要解決機(jī)械臂振動(dòng)問題。機(jī)械臂振動(dòng)的根源主要來源于關(guān)節(jié)上的電機(jī)，在電機(jī)的速度和加速度發(fā)生變化時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致機(jī)械臂產(chǎn)生振動(dòng)。如果沒有激勵(lì)條件，在阻尼作用下，機(jī)器人結(jié)構(gòu)件的振動(dòng)會(huì)逐漸消失。對于機(jī)械臂振動(dòng)的控制方法主要有被動(dòng)控制、主動(dòng)控制和軌跡規(guī)劃等。被動(dòng)控制方法主要是在柔性機(jī)械臂上增加耗能或者儲(chǔ)能裝置來實(shí)現(xiàn)振動(dòng)抑制，這種方法具有較好的穩(wěn)定性，但是適應(yīng)性和魯棒性相對較弱；主動(dòng)控制是指根據(jù)機(jī)械臂振動(dòng)的力或力矩大小以及方向，在機(jī)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(shí)現(xiàn)振動(dòng)抑制的目的；軌跡規(guī)劃主要是從軌跡和速度規(guī)劃的角度實(shí)現(xiàn)振動(dòng)抑制，軌跡規(guī)劃在一定優(yōu)化限制中可歸屬于對加速度的優(yōu)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(jī)械臂振動(dòng)抑制的功能，主要有壓電材料和新型復(fù)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(yīng)范圍，響應(yīng)速度快，動(dòng)態(tài)性能好，重量輕，安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，在被動(dòng)控制、主動(dòng)控制和混合控制中應(yīng)用，可取得較好的振動(dòng)抑制效果。

6 結(jié)語

工業(yè)機(jī)器人是我國工業(yè)生產(chǎn)向智能化、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展的典型代表，傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人僅能夠從事簡單的機(jī)械性作業(yè)，智能化水平較低，在結(jié)構(gòu)上占地面積較大，機(jī)械結(jié)構(gòu)不夠靈活，無法完成較為精密的加工作業(yè)。機(jī)電設(shè)備的應(yīng)用是促進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)水平的重要驅(qū)動(dòng)力，所以為了滿足工業(yè)生產(chǎn)的需求，工業(yè)機(jī)器人在結(jié)構(gòu)和性能方面需要不斷地改進(jìn)和完善，不僅要適應(yīng)現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的需求，還要領(lǐng)先于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化方面具有一定的前瞻性，由此才能夠促進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)水平的快速發(fā)展。工業(yè)機(jī)器人技術(shù)融合了多學(xué)科的知識(shí)，所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能方面的優(yōu)化還需要從多種學(xué)科角度綜合分析，在根本上提升工業(yè)機(jī)器人的工作性能和工作效率，為促進(jìn)我國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供助力。