SRH系列輕量型機器人手腕模組單元的研發

陸學斌

摘要：手腕模組單元安裝于機器人關節處，是機器人工作的核心模塊之一。論文重點闡述了SRH系列輕量型機器人手腕模組單元內部氣路優化、手腕結構優化、限位模塊單元及液壓緩沖器設計過程。SRH系列輕量型機器人手腕模組單元不僅提高了機器人關節連接精度，增加了手腕結構的穩定性，而且還具有結構簡單，成本低廉等諸多特點。

關鍵詞：機器人;輕量型;手腕;模組單元;優化;結構簡單 1研究背景

2010 年，德國技術科學院（ACDTECH）等機構聯合提出“第四代工業—Industry4.0”戰略，旨在實現制造的智能化、綠色化、人性化、分散網絡化和信息物理的深度融合。我國也于2015 年發布了第一個十年行動綱要“中國制造 2025”。該綱要中明確提出將機器人作為技術發展的重點領域，加緊搶占技術發展的戰略制高點。將工業與信息深度相融合，利用網絡化、數字化、智能化等技術，推動整個傳統產業的技術創新。

模塊化關節是模塊化機器人的關鍵組成部分，其性能的好壞直接影響機器人的性能，因此對它的研究也倍受關注。本課題重點研究機器人手腕模組單元，主要從以下四個方面開展工作：手腕模塊內部氣路優化設計、手腕模塊結構優化設計、設計限位模塊單元，設計液壓緩沖器。

2設計內容

（1）結構優化設計

機器人末端執行器的重量、被抓取物體的重量及操作力的總和機器人容許的負荷力。因此，要求機器人末端執行器體積小、重量輕、結構緊湊。在手腕模組結構符合性能要求且設置某些約束旳條件下，可以修改一些能夠被修改的設計變量，讓該手腕結構的性能符合最佳的值。借助CAE軟件對該手腕模組單元進行參數化建模;對結構參數化模型進行加載與求解;提取約束條件和目標函數，借助優化處理器完成優化參數評估;優化處理器參照此次循環獲取的優化參數、設計變量和狀態變量，對比目標函數和上次循環獲取的優化參數，判斷此次循環目標函數有沒有為最小，或結構有沒有最佳。假設最佳，結束迭代和優化循環，反之繼續;參照結束的優化循環及現在優化變量的狀態，改變設計變量，再次進行循環。

利用Adams軟件對該手腕模組結構進行建模，在建模時對某些細小結構進行簡化，設計其模型;仿真模擬其動作，完成模型的測試;進行模型的細化，確定設計變量及目標函數;進行設計的優化，獲取最佳性能時的設計參數。最終使手腕結構緊湊，輕便。

（2）內部氣路優化設計

在對氣動機械手的結構進行設計前，本課題成員首先對企業的實際情況和控制要求加以明確，在此基礎上開展設計工作，通過調研和研究該手腕的安裝于機器人手臂和抓手的工作環境，選擇氣壓驅動方式來驅動控制。氣壓驅動的特點是空氣來源方便清潔，成本較低，動作迅速，快速性好，可實現位置或者速度控制，結構簡單，具有緩沖作用。此外，氣動控制裝置還具有對工作環境要求不高、噪聲小和無油污的優點。氣動控制回路主要用于控制機器人腕關節末端執行器的夾具姿態，包括動力輸出盤和回轉供氣裝置，動力輸出盤具有輸氣通道，用于向機器人腕關節末端執行器輸送氣體;回轉供氣裝置包括回轉供氣軸和壓縮氣源輸入口，在回轉供氣軸的側壁上開設有供氣口，壓縮氣源輸入口與供氣口連接，在手腕模塊的內部設置有供氣氣路，供氣氣路的一端與供氣口連通、供氣氣路的另一端與輸氣通道連通。傳統機構中，手爪模塊的氣管線需要從外部引出。這樣一來，手爪模塊在旋轉的過程中會使手爪模塊的氣管線纏繞，斷裂。本次設計將在貫通轉軸打孔形成氣道的技術，從而將氣由轉軸輸送至手爪模塊上，避免了氣管線纏繞和斷裂，同時也避免了在轉軸上開設貫通的氣道，對轉軸造成的影響，使得加工更加簡單，節省了零部件，結構更加簡單，并且運行可靠，有利于手爪機構的小型化。手腕模組單元內部結構示意圖如圖1所示（圖中給出一個連通的氣道示意，其他氣道未畫出）。其中：1.手腕連接板，2.本體，3.手爪連接板，4.手爪，5.氣路分

（3）設計限位模塊單元，保證定位精度

手腕內部設有限位開關用于檢測到位及保護功能，通過調整位置，實現不同的位置的限位保護。在手腕模塊內部設有位置傳感器和電磁閥，位置傳感器和電磁閥連接，位置傳感器與位置指示燈連接本機械手的非接觸式近接開關選擇磁性限位開關，在氣缸活塞上安裝永久磁環，在缸筒外殼上裝有舌簧開關，開關內裝有舌簧片。當裝有永久磁鐵的活塞運動到舌簧片附近時，磁力線通過舌簧片使其磁化，兩個舌簧片被吸引接觸，則開關接通。當永久磁鐵返回離開時，磁場減弱，兩舌簧片彈開則開關斷開。該模塊設計定位精度達到0.05度，能夠滿足高精度機床上下料要求。

（4）液壓緩沖器設計

手腕結構內部設計有緩沖腔體，緩沖腔體內設置有套筒和設置在套筒內的緩沖機構，套筒與緩沖腔體滑動連接，套筒和轉軸上設置有相嚙合的齒，手腕結構一端設置有與緩沖腔體連通的液壓孔，緩沖機構一端伸出手腕結構，并與手腕固定連接，另一端通過彈性部件與套筒底部連接。傳統緩沖結構不耐用，當沖擊力以及沖擊頻率太大時，普通緩沖結構會損失扭矩，設計的此種設置先由彈性部件吸收開始的沖擊力，然后彈性部件恢復形狀，將彈性部件的彈力轉駕到套筒上，以減少沖擊對緩沖結構的直接損傷，提高使用壽命。緩沖機構伸出手腕的一端設置有螺紋，緩沖機構通過螺母與所述手腕結構固定連接。緩沖機構在工作時固定不動，套筒在液壓作用下往復運動，緩沖機構通過彈性部件與套筒之間的相互作用，通過調節螺母能夠調節緩沖機構伸入套筒內的長度，從而根據實際需要調整彈性部件與套筒之間的預緊力。該彈性部件為彈簧。緩沖腔體數量為兩個，兩個緩沖腔體內的套筒運動方向相反。利用兩個套筒帶動轉軸轉動，轉動穩定，實現轉軸的正轉和反轉從而帶動手爪連接板的往復轉動。

手腕內部結構剖視圖如圖2所示，1.手腕連接板，2 .本體，6 .轉軸，7 .氣道，21 .緩沖腔體，22 .套筒，23 .緩沖機構，24 .彈性部件，25 .螺母，3 .手爪連接板，4 .手爪，5 .氣路分流塊，51 .氣槽，52 .密封圈。

3 結論

研發的SRH輕量型機器人手腕模組單元，在滿足功能的前提下對其結構進行優化設計，保證在滿足功能的前提下，使重量最輕。成果不但能夠為國產腕關節的產業化奠定了堅實的基礎，同時該研究成果亦可運用于將來腕關節的批量生產，該成果解決了腕關節設計應用中的關鍵技術。

作為工業機器人的末端執行部分， SRH系列輕量型機器人手腕模組單元的研發不僅填補國內技術空白，而且在技術指標和功能實現上媲美國際中高端水平，更對產品的系列化設計和進一步的優化設計提供了依據。

綜上所述，該成果解決了機器人末端執行件的關鍵技術，填補了國內該技術領域的技術空白，具有明顯的社會效益。

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