輕量化工業機器人本體設計

余天榮 傅志鋒 黃浩墘

摘要：隨著雙碳政策的出臺，節能減排成為未來工業機器人發展的重要趨勢。要降低工業機器人的能耗，最直接有效的方式就是實現機器人本體的輕量化設計。鑒于此，概述了輕量化工業機器人本體的設計方法。

關鍵詞：工業機器人；雙碳；輕量化設計

中圖分類號：TP242.2? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2024）07-0056-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.07.015

1? ? 設計背景及目標

1.1? ? 工業機器人本體的發展趨勢

工業機器人是先進制造業的關鍵支撐裝備，大力發展機器人產業，對于打造中國制造新優勢，推動工業轉型升級，加快制造強國建設具有重要意義。近幾年，我國持續勞工荒，人工成本快速上漲，加上勞工對工作健康環境日益重視，傳統制造業轉型升級，使用機器人替代人，已成為未來工業發展的新趨勢。

隨著“我國力爭2030年前實現碳達峰，2060年前實現碳中和”重大戰略決策的出臺，節能減排成為未來工業生產的必然趨勢[1]，而想要降低能耗需要技術的進步和創新。傳統工業機器人的負載自重比極低，電機的功耗大部分用于負荷機器人本體本身的運動，真正用于做有用功負載搬運的能量占比很少，往往不到10%，造成極大的能源浪費。要降低工業機器人的能耗，最直接有效的方式就是提高機器人的負載自重比，即進行本體的輕量化設計[2]。

1.2? ? 設計目標

經調研，傳統6～8 kg負載的機器人負載自重比小于1：20。本文目標為通過輕量化設計，使得6～8 kg負載機器人在相近性能參數的前提下，本體重量降低50%以上，即本體重量在60 kg左右，負載自重比達到1：10以上。

2? ? 輕量型工業機器人本體結構設計

傳統小六軸工業機器人的減速器配置為1～3軸采用3個擺線針輪減速器，4～6軸采用3個諧波減速器。6個減速器的總重量為25 kg，加上6個電機的總重量為35 kg。鑄件1～3軸采用鑄鐵件，總重量為100 kg，4～6軸采用鑄鋁件，總重量為30 kg，鑄件總重量為130 kg，電機減速器加鑄件的總重量為165 kg。由此可見，采用傳統的配置方案，機器人本體是很難實現大幅度減重的。因此，本文輕量化機器人設計對電機減速器重新進行選型，6個軸都采用了諧波減速器，鑄件全部采用鑄鋁件，可以大幅降低本體重量，在此基礎上重新進行電機選型，可以大幅降低電機的功率要求，從而減小電機尺寸，減輕電機重量。基于此，重新進行本體鑄件的設計，可以減小鑄件的尺寸和重量。完成設計后，重新對電機、減速器、鑄件進行仿真分析校核，反復驗證修改，最終達到使用要求。

2.1? ? 初步擬定設計參數

初定機器人的負載、本體重量、臂展與各軸最大速度等參數，要求機器人本體整機防護等級在IP65以上，如表1所示。

2.2? ? 傳動結構設計

以J1軸為例，采用中空減速器，同步帶傳動，便于穿線。2～5軸采用類似傳動結構，整機內走線，便于密封，整機防護等級可以達到IP65。6軸采用電機減速器直連的結構，結構簡單緊湊，一致性、可靠性高。

本體結構模塊化、緊湊化設計。1、2軸底座部分，3、4軸箱體部分，5、6軸腕體部分形成標準化、模塊化設計，便于獨立安裝和自由組合。RB06Q1-1430、RB08Q1-1230、RB06Q1-1600采用模塊化設計，通過不同模塊和連桿的組合，得到不同臂展、不同負載、不同速度的工業機器人本體，形成系列化產品，以滿足不同客戶、不同應用場合的使用要求。

2.3? ? 本體結構特點

1）重量輕，本體重量約為60 kg，負載自重比約為1：10，節省空間，節能；

2）防護等級高，整機IP65，對惡劣應用環境的適應性更高；

3）整機的安裝占地面積小，可360°安裝，輕松實現狹小空間內工作；

4）模塊化、系列化設計。

3? ? 輕量型工業機器人仿真分析校核

3.1? ? 輕量化設計技術

工業機器人的帶載作業為瞬態過程，其關鍵零部件如關節臂、齒輪、軸承等在作業過程中是動態的受力過程。因此這些零部件的強度計算不能按照靜態問題去分析，需要使用動力學仿真機器人帶載作業，并提取關鍵零部件的動態載荷，將其輸入有限元分析軟件中對關鍵零部件進行強度分析，為關鍵受力部件的結構優化設計提供數據支持。使用有限元分析軟件進行剛強度分析，可以實現關鍵零部件的結構優化，在滿足剛強度要求的前提下實現機器人的輕量化設計，降低成本，提升產品競爭力。工業機器人輕量化設計技術路線如圖1所示。

3.2? ? 動力學校核

在三維軟件Solidworks中建立輕量型機器人幾何模型，并對模型機械結構進行設計簡化，將其保存為x_t格式導出。在動力學軟件Adams中導入模型。

在機器人動力學仿真中，為校核電機減速器的性能，一般取其最大臂展下單軸的極限速度的90%作為校核工況。現取輕量型機器人J1軸進行動力學仿真分析，關節驅動最高速度為220（°）/s，關節加減速時間0.25 s，關節驅動選用STEP函數驅動表達式為：

STEP（TIME， 0， 0， 0.25， 198D）+STEP（TIME， 0.3， 0，

0.55， -198D）+STEP（TIME， 0.6， 0， 0.85， -198D）+

STEP（TIME， 0.9， 0， 1.15， 198D）

如圖2所示，J1軸關節啟動包括加速、勻速、減速三個階段，由于關節自身存在摩擦，在加速階段驅動扭矩與摩擦力矩方向相反，驅動力矩克服摩擦力矩驅動關節做加速運動，此時關節驅動扭矩最大；在減速階段驅動扭矩與摩擦力矩方向相同，驅動關節做減速運動，故在減速階段關節驅動力矩將略小于加速階段。

基于上述分析可得，考慮摩擦力矩作用，J1軸關節在極限工況下所需最大扭矩為998 N·m，減速階段所需扭矩為562 N·m；由輕量型機器人J1軸所選電機、減速器型號參數可得電機最大扭矩8.4 N·m；減速器減速比100；減速器與電機之間采用同步帶傳動，減速比為4/3。經計算電機所需最大扭矩為：

998×■×■÷95%≈7.9 N·m＜8.4 N·m

符合電機減速器要求。

3.3? ? 動態靜力學校核

通常的靜力學校核往往采用靜態載荷，該種校核簡單方便，但無法準確計算機器人關節在整個加減速階段的載荷的動態變化對零部件應力及形變的影響。本文采用一種動態靜力學校核方法，先獲取機器人在動力學仿真分析中所得到的各關節動態載荷曲線，截取某一時刻的載荷導入有限元分析軟件，從而得到動態載荷的靜力學仿真結果。

現取機器人底座零件做動態靜力學校核，對底座做受力分析可得，底座底部與地面接觸，通過螺栓連接固定；底座頂部的J1軸減速器安裝面與J1軸減速器連接，承受各個方向的力和扭矩。

如圖3所示，在Adams動力學仿真軟件中導出J1軸關節底座動態載荷。

基于上述分析可得，在J1軸極限工況中，J1軸關節在加速階段承受的載荷最大，取加速階段0.12 s時刻，其負載類型及大小如表2所示。

打開Solidworks底座模型文件，將表2所得動力學數據導入Simulation插件中，定義底座材料屬性：設置小臂為鑄鋁材料，網格劃分對底座三維模型進行簡化處理，建立約束，固定底座底部的安裝面，得到底座的應力云圖、位移云圖如圖4所示。

模型最大應力45.71 MPa，最大變形量0.291 9 mm，均符合該輕量型機器人性能要求。同理導入J2軸最大臂展極限工況動力學仿真數據，劃分網格，建立約束，底座的應力云圖、位移云圖如圖5所示。

模型最大應力43.37 MPa，最大變形量0.084 56 mm，均符合該輕量型機器人性能要求。

4? ? 結束語

本文通過機器人正向設計技術，對電機減速器重新進行選型，重新設計傳動結構及零件，借助數字樣機技術，通過仿真分析校核，確認輕量型機器人性能參數達到了設計目標。通過模塊化設計，將每個軸的關節做成標準模塊，進行系列化設計，以滿足不同客戶、不同應用場合的使用要求。

[參考文獻]

[1] 謝典，高亞靜，劉天陽，等.“雙碳”目標下我國再電氣化路徑及綜合影響研究[J].綜合智慧能源，2022，44（3）：1-8.

[2] 陸漢林，胡利永，孫寶壽，等.基于碳纖維復合材料的機器人臂桿優化設計[J].機械制造，2021，59（11）：4-8.

收稿日期：2023-11-30

作者簡介：余天榮（1987—），男，廣東茂名人，機械工程師，研究方向：工業機器人。