一種復合機器人結構設計與有限元分析

漆 亮，夏 永

（上海發那科機器人有限公司研發中心，上海 201906）

0 引言

在工業機器人的應用領域，原來獨立應用的機械手（操作臂）采用先進的傳感器和控制系統，能夠實現高精度的運動控制，能夠通過學習和優化算法，自動調整運動軌跡和動作姿態，提高生產效率和質量，具有較高的智能化水平[1，2]。移動機器人（AGV 或者AMR）兼具感知、規劃、決策和移動等功能，是一種具有安全保護以及各類移動功能的運輸車，能夠實現按照規定導引線路行駛，具有較強的抗干擾能力和目標識別能力[3，4]。近年來，隨著自動化水平的進一步提高，越來越多的工業生產設備之間的智能化、信息化和數字化水平進一步的提升，不同領域的機器人相互融合、集成起來，發明設計出了復合機器人，該類型機器人集原來兩種機器人的高精度和靈活性的優勢與一身，在實際應用中可以更加靈活的適應不同的場景和任務需求，具有更高的智能化和自主性，是機器人技術發展的重要方向。

1 國內外發展現狀

1984 年德國斯圖加特的弗勞恩霍夫應用研究促進協會研制出第一臺輪式移動機械臂MORO，但由于計算機硬件處理能力的限制，并未得到推廣與應用[5]。從此復合機器人就開始發展，1996 年法國系統分析與架構實驗室開發了移動操作機器人Hilare 2bis、西班牙海梅一世大學研發的UJI、丹麥奧爾堡大學研發的Little Helpe 等[6]。

國內也對復合機器人進行了研究。2016 年王鑫研究了基于雙目視覺的移動機械臂抓取控制[7]。市場方面，國內復合機器人以新松、優艾智合為主。新松于2015 年推出第一款復合機器人HRC20，為國內首創。該機器人采用自然輪廓導航技術，有效負載達20 kg，其機械臂與移動底盤安全互鎖，實現了機械臂的遠程移動操作，至今賣出數百臺，是國內復合機器人研究成果市場轉化的成功案例。成立于2017 年的優艾智合，在6 月開發出全球首套商用車輛巡檢復合機器人，之后專注于復合機器人業務，在半導體、3C、電力等行業廣泛應用，累積出貨量達到2000 套以上[8]。

2 復合機器人總體方案設計

2.1 復合機器人設計需求分析

復合機器人是指由移動平臺、操作機（目前以多關節機械手為主）、視覺模組、末端執行器和控制系統等組成，不同的模塊實現不同的功能。受企業委托，結合其應用場景確定復合機器人的相關參數如表1 所示。為了保證復合機器人的安全性，當移動平臺動作時，操作機保持靜止不動；當操作機動作時，移動平臺保持靜止不動。

表1 復合機器人需求參數

2.2 復合機器人設計功能分配

根據方案需求，初步規劃底部的移動平臺采用移動機器人的相關技術，能夠滿足承載能力的相關功能要求，并且能夠通過搭載的傳感器感知周圍環境和自身的實時狀態，實現在出現不同障礙物的情況下靈活、自主運動。上部的操作機選用上海發那科公司已有的協作機械手，滿足需要達到的有效工作空間，考慮到機械手末端通常需要根據不同的使用場景來非標定制不同的手爪，在機械上上部搭配相應的管線包組件，以方便后續的實際應用。中間部分的內部空間集成移動平臺和機械手的控制模塊單元。最終的方案設計總體結構如圖1 所示。

圖1 復合機器人總體結構方案

3 復合機器人機械結構設計

3.1 移動平臺結構設計

移動平臺可視作一款移動機器人（AGV 或者AMR），其主要的作用為：

（1）在結構布局設計時，車體中間采用雙輪差速結構作為驅動部分，在前后安裝4 個萬向輪使其更加穩定，在移動平臺運動過程中平穩可靠，轉彎半徑小，能夠適應不同地面情況，并且可以在狹小復雜的空間中自由運動和啟停[9]。

（2）在本次設計中在車體斜對角方向安裝兩個激光導航傳感器，采用激光SLAM 技術進行導航控制能夠自主精確定位，重復定位精度滿足方案需求。并且采用的算法上能夠實現自主避障，運動路徑最優判斷和規劃[10]。

（3）在移動平臺的后部安裝電池，并做成抽拉結構，方便手動更換電池以及后續的維修保養。

（4）在移動平臺的前方布置自動充電接口，在外部設置自動充電裝置，以實現自動充電功能。

詳細結構如圖2 所示。

圖2 移動平臺總體結構

其中驅動輪組件的設計需要通過綜合考慮運行速度、地面適應能力、負載能力等來計算確定對應的電機功率、減速機的傳動比和彈簧懸掛機構給驅動輪所加載的正壓力。

3.2 機械手結構設計

在機械手設計時，通常需要考慮以下幾個方面：

（1）工作范圍：機械手的工作范圍包括水平工作半徑、垂直工作高度和工作角度范圍等，根據實際需求進行設計。

（2）精度要求：機械手的精度是指其在進行工作時對工件的定位和精確度的要求。機械手的精度受到許多因素的影響，如機械結構、控制系統、傳動系統等。機械手的精度要求通常需要考據是否滿足工藝要求。

（3）穩定性要求：指其在工作時的穩定性和可靠性，是機械手設計中非常重要的一個方面。機械手的穩定性要求需要滿足機械結構的剛度、控制系統的反饋速度等要素，以確保機械手在工作時不出現晃動、震動等情況。

（4）承重能力要求：在生產或加工領域中通常需要承載和移動一定重量的物體，因此機械手的承重能力是非常重要的一個指標。機械手的承重能力要求需要滿足工作場景下的實際需求，并考慮機械結構和控制系統對承重能力的影響。

（5）速度要求：機械手的速度要求和實際應用場景有關，在工作時需要達到的速度要求。需要考慮工作位置、距離、工件形狀等因素，并綜合考慮機械結構、控制系統、傳動系統等影響因素進行設計。

影響機械手設計的因素還包括可行性、成本等因素。因此，在進行機械手設計時，需要全面考慮這些因素，并綜合考慮進行設計。結合設計需求的相關參數。選用公司已經開發出來的型號為CRX-10iA 的機械手。其詳細參數如表2 所示，外形尺寸以及動作范圍如圖3。

圖3 中間控制箱體設計

表2 機械手參數

3.3 中間控制箱體機械結構設計

中間控制箱體在移動復合機器人的設計中起到連接過渡的作用。外部為裝飾用罩殼和HMI 人機操作界面。周邊罩殼的主要作用為對內部安裝的電氣元件進行防護，給安裝、調試、后期的維修維護帶來便利；HMI 人機交互觸摸屏和功能按鈕為移動復合機器人的用戶、調試人員等展示設備的功能、運行狀態，接收用戶指令和提供反饋信息，調整參數和執行操作。另外還可以提供報警故障信息，幫助操作員工及時發現和解決問題。中間控制箱體的周邊罩殼通過焊接框架進行連接，并且焊接框架在箱體內部劃分出不同的功能空間，將控制柜、逆變器、繼電器、通信模塊等機器人的控制元件放置車架組焊件內部。另外設計時需考慮后期的安裝和維修維護，以及移動平臺及機器人采用了螺紋連接的形式。具體結構如圖3 所示。

4 中間控制箱體的有限元分析

焊接框架上部搭載的機器人在運行過程中會產生一定的反作用力作用到整個焊接框架上面，因此在設計時對其外形尺寸、機械強度等性能有較高的要求。利用有限元的方法來進行理論校核設計是否能夠滿足使用工況已經成為一種常用的方法，其有限元的本質是將復雜的連續體劃分為有限多個簡單的單元體，化無限自由度問題為有限自由度問題，將連續場函數的（偏）微分方程的求解問題轉化成有限個參數的代數方程組的求解問題。

利用SolidWorks 軟件進行參數化建模，并利用其自帶的Simuliation 模塊進行有限元分析。焊接框架模型如圖5 所示。在焊接框架上方安裝的機械手通過4顆M8X30 的內六角圓柱頭螺釘和2 顆8X30 的圓柱銷固定，在下方通過8 顆M8X30 的內六角圓柱頭螺釘和底板框架固定。焊接框架的材料相關性能如表3所示。

表3 焊接框架模型相關參數

焊接框架的受力情況按照機器人所傳遞的最大力和力矩來考慮，機器人的受力大小詳見表4。

表4 機器人受力和力矩大小

經計算得知：焊接框架的Von Mises 應力最大值為141 MPa，如圖4 所示。本設計中使用的材料為Q235，屈服極限為235 MPa，安全系數s= 235/141 =1.67。最大變形為0.53 mm，如圖5 所示。根據文獻[13]的規定，起重機械主梁安全系數不得低于1.6。經分析比較得知，以上結果都滿足要求。

圖4 焊接框架的von Mises 應力分布

圖5 焊接框架變形分布

中間框架與底面框架連接的螺釘受力情況如表5 所示。

表5 中間框架與底面框架連接的螺釘受力分析結果

比較表格數據可知螺栓收到的最大軸向力（拉力）為4466 N，剪切力為546 N。螺栓受拉伸破壞的可能性更大，下面以受拉情況進行分析，已知螺釘的規格型號為GB/T70.1-M8X20，按照8.8 級相關數據M8的螺釘保證載荷為21200 N；仿真模擬計算出最大螺栓受力為4467 N；因此螺栓的安全系數：21200/4467 =4.75；螺栓強度滿足工況要求。

5 樣機測試及優化

為了驗證該移動復合機器人的各個功能滿足設計需求提出的各項指標要求，對該移動復合機器人進行了樣機的研制，并對其各項功能進行了相關測試。如圖6 所示為研制的實物樣機進行相關測試時的情景。

圖6 樣機進行相關測試

在對該移動復合機器人進行測試表明，設備運行穩定可靠，上部機械手最大單軸速度120°/s，可達半徑1418 mm，機械手末端在協作模式的速度為1 m/s，末端負載能力10 kg；移動平臺的最大速度1.42 m/s，重復定位精度±5 mm；設備整體續航能力7H，滿足提出的需求。并且按照國家推薦標準的相關要求，對其進行了測試，測試內容及測試結果均滿足相關要求。

6 結語

2023 年上海發那科公司成功在某公司推廣該產品對CNC 機床進行上下料的操作應用，為企業帶來巨大的效益。此條生產線能夠減輕工人的勞動強度、減少上下料所需要的輔助時間，并使部分輔助工作與生產工作同時進行，減少等待時間，提高工件加工的利用率。