輕質液壓機械臂的機構優化探討

和紅波

液壓機械臂在五金設備、工業機器人、車輛工程等領域應用較為廣泛，相較于常規類型的液壓機械臂，輕質液壓機械臂在應用中具有結構緊湊度高、整體質量較輕、負載能力強等優勢，目前已經被廣泛應用到汽車制造、物流等領域。在工業4.0 背景下，對于輕質液壓機械臂工作性能提出更高要求，這也需要對現有結構進行優化，使其能夠契合當前生產要求，為企業創造出更多的經濟效益。

1 輕質液壓機械臂機構的主要組成

總結以往的應用經驗可以得知，輕質液壓機械臂（如圖1 所示）在應用中，主要由大臂、二臂、小臂3 個臂節和抓手構成。大臂一端通過支座支撐在足式機器人機身上，各臂之間通過桿件和油缸組成的連桿機構連接，各臂節均由油缸推動連桿機構調節機械臂姿態，完成指定動作。輕質液壓機械臂第一自由度為支座的轉動，第二、三、四自由度為3 節機械手臂的俯仰，第五自由度為機械抓手的轉動，第六自由度為抓手的夾持。在機械臂的具體工作中，會在系統接收到指令后，開始對大臂下達指令，大臂會在指令要求下開始轉動，旋轉到某一角度后，帶大臂也會沿著某方向進行延伸，而二臂會在大臂完成移動后，開始進行進一步的微調，最后再指揮小臂進行運動，到達預設位置后，指揮抓手來對物品進行夾取，確定抓取后，大臂會繼續轉動到既定位置，隨后再帶動二臂與小臂展開進一步運動，完成一個循環操作[1]。

2 輕質液壓機械臂機構優化必要性

在輕質液壓機械臂的工作中，如果其末端執行器處于較大的狀態，那么在力臂較長的情況下，機械臂驅動連桿機構在具體工作中所需要承擔的荷載較大，這也對油缸選型和桿件尺寸參數提出了更好要求，同時也提高了結構的質量與空間。由此可以看出，如果在不改變油缸參數的基礎上，需要做好連桿機械構型的優化設計，這樣可以在機械臂處于較大復雜情況下，會減少對油缸的具體荷載，這樣才可以在保持工作空間穩定的基礎上，持續提升輕質液壓機械臂的運營承載力，從而提升整個結構運行狀態的穩定性[2]。另外，通過機械臂機構優化，也能夠進一步提升機械臂的承載力，使其可以更好地承擔更多工作內容，滿足不同領域的應用要求。

3 輕質液壓機械臂的機構優化內容

3.1 大臂優化

從實際應用情況來看，在對大臂進行優化時，應注意以下內容：（1）大臂優化的主要目的，是提升大臂的最大工作負荷，使其可以滿足不同形態下的應用要求。因此，在對大臂進行優化時，需要對末端執行器進行科學化設計，使其可以形成最為省力的機械構型，從而讓大臂結構在保證穩定運行狀態的同時，能夠提升大臂運行狀態的穩定性[3]。（2）在大臂優化過程中，需要做好關節活動范圍的調整，在實際應用中，會對大臂的工作狀態展開幾何分析，了解機械臂不同鉸接點的動態位置，并且在應用中會對大臂的準靜態動力學狀態進行分析，并以此來完成矢量力矩平衡方程，以此來得到各個桿件的實時負載，并以此來調整大臂鉸接點、轉動范圍，使其可以滿足更多情況下的工作要求，以提升整個大臂結構工作狀態的穩定性，滿足系統穩定運行要求。

3.2 二臂優化

結合目前的應用情況來，在對二臂進行優化時，也需注意以下幾點：（1）二臂優化的主要目的，是進一步提升二臂的運行負荷，使其可以在大臂轉向到預設位置后，以此為支點來進一步提供工作負荷，以達到提高系統整體負荷的作用。基于此，針對二臂進行優化設計時，也需要對二臂的執行器進行科學設計，在滿足執行器穩定工作要求的同時，可以進一步提高整個結構的工作負荷，使其滿足相應的運行需求[4]。（2）在二臂優化過程中，也需要做好關節活動范圍的進一步調整，從實際應用情況來看，也會依托相關模型來對二臂工作狀態展開幾何分析，在大臂工作到某一狀態后，二臂所對應的工作狀態，梳理二臂所對應的動態位置，并且在模型輔助下也可以了解二臂目前的靜態動力學狀態，結合相應方程來確定具體負載，并對相關內容來進行調整，維持二臂轉動角度、伸長長度等內容進行調整，以提高系統運行狀態的可靠性。

3.3 小臂優化

除上述提到的相關內容外，在實際運行過程中，需要結合現階段應用情況，對小臂進行優化處理，實踐中也需注意以內容：（1）小臂優化的主要目的，是提升機械臂系統工作結果的精準度，便于抓手可以按要求完成夾緊、松開等操作，滿足零部件的生產要求。基于此，在具體的優化中，也會對小臂的執行器工作狀態進行調整，使其可以在滿足穩定器工作要求的同時，提升整個系統工作的穩定性[5]。（2）在小臂優化過程中，也需要優化小臂結構的關節狀態，相較于二臂與大臂，小臂是抓手穩定工作的主要驅動結構，這也需要在具體應用中小臂能夠擁有精準度更高的角度調整能力，使抓手可以準確抓取目標物。在具體的優化活動中，也會依托現有數據來建立目標函數，依托目標函數來完成關鍵內容求解，從而得到具體的優化處理結果。

4 輕質液壓機械臂機構優化實例分析

4.1 大臂優化前數據

某輕質液壓機械臂的制作材料為鋁合金材料，整體質量為20kg，大臂在應用中的轉角范圍為0°—180°，而且油缸在應用時的受力峰值為26086N。在機械臂所有臂節完全伸展成水平姿態時，那么結構質量重心會位于距離大臂水平方向的1030mm 位置處，大臂的工作范圍半徑范圍為1324mm，而此次優化的目的，是提升大臂的綜合承載力，使其在任何角度下都能承載30kg。在具體的分析活動中，需要先對大臂連桿機構展開細化分析，隨后利用ADAMS 軟件建立該液壓機械臂大臂模型，在自身質量及負載重心處施加載荷50kg，此時輕質液壓機械臂處于最大載荷工況，模擬機械臂大臂在整個轉角范圍內的運動情況，大臂油缸受力隨大臂轉角的變化而變化[6]。根據獲取到的分析數據可以得知，在大臂的轉角已經達到了極限位置，即轉角180°時，此時油缸的工作載荷處于最大的狀態，即此狀態下油缸的受力峰值為26086N，但是目前的油缸支撐機械臂較難滿足應用需求，需要對其進行優化設計，使大臂結構能夠處于非常穩定的狀態，能夠滿足現有的運行要求。

4.2 確定具體變量

在建立模型時，需要先對具體應用變量進行確定，為簡化模型的分析過程，首要任務便是對大臂結構進行簡化處理。如圖一所示，大臂結構在工作時共有A、B、C、D、E 五個關節鉸接點，其中A 點為大臂與支座的連接點，也是坐標系的原點。在分析大臂具體變量時，會選擇轉動支點A 點以外其他鉸接點來作為設計變量。在模型中圍繞A 點建立坐標系，計算出其他鉸接點對應坐標。并以此來建立設計變量集合U，U={u1,u2,u3,u4,u5,u6,u7,u8}，集合中u1,u2 的表示大臂驅動缸相對于B 點的縱橫坐標；u3,u4 表示連接桿相對于C 點的縱橫坐標；u5,u6 表示鉸接點D 點的橫縱坐標；u7,u8 表示油缸與鉸接點E 對應的橫縱坐標。

圖一 大臂工作原理圖

圖1 輕質液壓機械臂外觀

4.3 設置目標函數

4.3.1 確定計算方法

完成設計變量的設計后，開始進行目標函數的設計，在函數設計活動開始前，需要提前對各項關系進行梳理，即此次大臂優化設計方案，在實際應用中需要在確保大臂關節順利轉動的情況下，使油缸可以處于最優工作狀態，而整個過程則可以形成較為省力的機械結構，為結構的進一步優化提供數據支持。在具體的分析活動中，為了加快各項數據的計算速度，在實際應用中選擇使用顯式分析方法，借助矢量運算來得到所需的數學模型，從而得到鉸接點的對應位置。需要注意的是，在大臂工作期間，部分鉸接點會處于動態變化的狀態，因此在整個模型的建立中，也會引入線性變換方法來優化模型計算環境，從而提高模型計算結果的可靠性。而整個坐標系當中，A 和B 點處于固定位置，不會出現動態變化，因此在計算中會以此為基礎，結合逆時針轉動角度來計算鉸接點的具體坐標。

4.3.2 建立子坐標系

為了更加高效地完成計算工作，在目標函數的確定活動中，也會以基于圖一中的內容來建立多個子坐標系，這些坐標系和主體坐標系之間保持較高的關聯性。例如，在對D 點坐標進行求解時，會將A 作為坐標系的原點，AC 會作為坐標系X 軸的正方向，而X 軸逆時針旋轉90°后會作為整個坐標系的Y 軸，以此來進行D 點坐標的計算。在得到D 點的具體坐標后，會將此坐標系與全局坐標系進行對比，得出兩組坐標系的具體夾角，夾角數值記作φ1，依托坐標轉換公式可以求解出D 點在此次函數計算中對應的全局坐標。按照此方法依次求解其他鉸接點的全局坐標，并結合力學分析結果來建立大臂結構的應用函數，從而得到準確的數據計算結果，為大臂結構優化提供良好參考。

4.4 制定約束條件

在此次分析活動中，需要對約束條件進行提前確定，這也是確保優化結果可靠性的基礎條件。在此次優化設計活動中，所設置的約束條件如下：（1）確定具體的工作范圍，在整個大臂結構的優化過程中，需要保證結構擁有穩定的關節轉動范圍，使其可以在原有基礎上擴大具體的工作范圍，以此來降低安裝重心，合理控制俯仰角度，確定角度的具體范圍。（2）運動干涉約束，在整個大臂結構的優化過程中，需要保證機械臂能夠在維持穩定工作狀態的同時，不會對其他鉸接點工作狀態帶來影響，以此來確定具體的工作變量。（3）確定驅動單調性，在機械臂舉升過程中，為了確保此過程的便利性，需要機械臂油缸具有單調性變化的特征。在此次分析活動中，要求油缸長度能夠隨著大臂轉角的增大穩定增加，確定最小與最大值。（4）連接桿件長度約束，在整個結構布局活動中，需要對各個桿件的具體長度進行約束，根據大臂的具體工作情況，來確定連接桿的長度數值，使其可以在不干擾各連接點工作的同時，能夠更好地完成目標任務，得到穩定的工作結果。

4.5 優化結果整理

在此次優化活動中，會保持A 點處于不變的狀態，針對大臂連接桿的其他鉸接點相對位置進行調整，使其可以滿足初期預設的相關目標。為提高分析結果的直觀性，會依托ADAMS 軟件來搭建相應的連桿機構模型，根據模型大臂轉角范圍來計算油缸的荷載狀態，根據模型提供的仿真環境，確定優化后大臂從0°—180°轉角過程中，油缸的受力情況。根據得到的仿真實驗數據可以得知，在結構優化處理后，最大油缸受力值為12036 N，而油缸的工作載荷保持不變，在很大程度上提高了各項資源的利用效率。同時在仿真實驗中，對于鉸接點荷載展開分析，了解不同載荷狀態下，大臂轉角的具體變化情況。根據得到的數據可以得知，在完成優化后的關節鉸接點載荷會在大臂0°—180°轉角過程中，處于上升速度較慢的狀態，由此可以看出大臂結構在此次優化活動中，提升了結構整體的載荷能力。而且該結構也為大臂結構進一步的輕量化改進，創造了良好的發展空間。

4.6 優化前后對比

根據上述得到的分析結果，來對比最初狀態下機構工作情況，可以得出以下結論：（1）在大臂進行優化處理前，構件位置處于動態變化幅度較大的狀態，能夠實現較大空間范圍內的工作要求。在大臂優化后，構件的運動軌跡與優化前基本保持一致，未出現過多變化，即優化后的結構空間范圍并沒有縮減，依舊可以滿足相應要求。（2）在大臂進行優化處理前，油缸的受力峰值為26086N，對于油缸的載荷負擔較大，容易出現機械疲勞損傷的問題。在大臂優化后，油缸的受力峰值為12036 N，相比于優化前結構載荷減少了56.3%，減少了油缸的工作荷載，使其可以為大臂提供更加穩定與持續的工作動力，提升整個結構的穩定性。

結束語

綜上所述，從目前的使用情況來看，輕質液壓機械臂已經在許多領域中得到了應用，適用范圍也在不斷實踐中得到有序擴大。與此同時，在加工精度不斷提高的背景下，對于輕質液壓機械臂工作精度、工作靈活性也提出了新要求，因此便需要對現有機構進行優化處理，使其綜合性能可以得到有效提升，滿足當前的生產需求。同時也可以積累應用經驗，為系統持續優化提供實踐經驗支持。