平面关节型机器人结构分析研究

黄瑞

摘要：随着我国社会经济不断发展，给机器人研究带来各方面的变化，再加上机器人技术属于多学科技术的综合体，在所有机器类型之中，平面关节型机器人基于自身存在传动原理简单、体积小等方面优势，受到工业领域的欢迎，已被广泛应用于工业生产内。本文探究了机器人基本结构，以此为基础进一步研究平面关节型机器人结构改进策略。

关键词：平面关节型;机器人;结构分析

一、前言

在工业生产过程当中，平面关节型机器人应用范围较广，如机密仪器的生产制造、电子产品等方面，能有效提升生产效率和质量。同时，平面关节型机器人在Z轴方向拥有优良的运动刚性，在XY平面具有较好的运动柔性，让它们非常适合应用于装配、搬运、焊接等工作。本文研究的意义是在原有样机基础上，对机器人内部结构进行优化，提升机器人自身的刚度，降低机器人整体重量，给后期控制实现和优化设计提供丰富的数据支持。

二、机器人结构分析

（一）、机器人总体结构设计

机械本体是整合机器人所有环节当中最重要的部分，其具有确保机器人稳定运行的意义。但从目前形势而言，我国机器人本体研究水平与国外研究水平仍然具有较大差异，为了能让我国机器人追上国外机器人发展水平，要注重对机械本体关键性技术研发工作。在机械本体研发过程当中，我国借鉴了国外机器人结构，并按照实际技术和要求，对四自由度平面关节型机器人總体结构方案设计（如图1所示）。在正常情况下，机械结构主要有四个方面构成：末端执行器、手臂、机身、腕部，该地方的末端执行器可通过购买专用模板的方式解决，其他运动部件和连接部分在下节具体描述。

（二）、机身结构设计

机身专业术语叫做立柱，是整个机器人最常见的部件，是用来支撑机械手臂。在正常情况下，能完成俯仰、下降、上升、旋转等动作，常具有1-3个自由度。但值得注意的是，要确保机身设计具有较强的稳定性和刚度，运动要比较灵活，升降所用的导套不能太短，否则户出现卡死问题，并且得安装导向装置，才能确保结构布置的合理性。对于本文所研究的平面关节机器人，机身设计要重点关注机器人的稳定性和体积大小，可将机身内部设计成为空心结构，有利于将第一关节的电机放到机座内，不仅能减少机座重量，还能让机器人重心向下转移。

（三）、机械手臂结构设计

对于平面关节型机器人而言，其手臂部分的结构和尺寸在整合设计当中具有其非常重要的意义，它不仅能改变整合工作空间的大小，还能起到支撑腕部和手部的作用。因此在设计机器人结构形态时，必须需要从各个方面考虑，如定位精度、抓取重量、运动形式、运动自由度等方面来确定。同时，在设计机械手臂时，应考虑到手臂的受力情况、手腕连接形式等因素。与此同时，在进行机器人手臂设计时，要注意以下几点问题：第一，满足刚度需求，为了避免在手臂运动时，由于承受负载过大导致手臂变形，所以要选择适合的手臂界面形状。通常可选择空心管和工字钢，空心管弯曲刚度要要高于实心轴;工字钢的弯曲刚度要大于圆截面，因此一般选择钢管作为导向杆和主臂杆，用槽钢和工字钢作为支撑板。第二，提高承载能力，手臂作为主要支撑手腕的构建，在设计时不仅要考虑到运动所产生的动荷载，还要考虑到所抓物质重量。第三，具有较好导向性，为了避免手臂在直线运动当中，沿运动轴线产生旋转，要设计花键、方形等臂杆。第四，要尽可能降低机械手臂运动部件的重量，这样能极大提高机器人运动速度，通过降低机械手臂的重点，降低机械手臂对回转轴的转动惯量。

三、机器人结构改进

（一）、机身结构改进

在正常情况下，机身与机座可构成一个整体，如果机器人属于移动式，则要安装一个行走结构。一般而言，机身应具备回转、升降、回转与升降、回转与俯仰、回转与升降及俯仰5个动作，在实践过程中应按照机器人任务和生产需求为基础，来确定机器运动模式。例如：圆柱坐标型机器人机身需拥有升降和回转两个运动模式;球坐标型机器人机身要具有俯仰和回转两个运动模式。并且在研究机身结构改进时，首先要从各个方面考虑机器人运动稳定性、机械手臂、整体体系等方面的布局，将机身内部设置成为空心结构，便于在关节处安装伺服电机，并且降低机座本身的重量。其次，要想到减速器和伺服电机自身的实际尺寸，严格按照惯量匹配原则，将减速器作为间接驱动，从而解决解决惯量匹配问题。

（二）、机械手臂结构优化

机器人手臂优化必须要根据机器人抓取重量、运动精度、运动形式等方面因素而确定，不仅要降低手臂部件的重要，还要提升手臂部件的刚度，确保系统运动的定位精度和稳定性。本文所研究的平面关节型机器人，在平面内已完全实现绕关节轴线旋转运动的作用，手臂1和机座、手臂1和手臂2之间全部进行转动连接。其中手臂1在机器人系统运行过程当中，第一关节需要承受大部分作用力，其转矩也是最大。因此，在整合优化设计时，不仅要进行全面分析，也要突出重点，从而找到最好的解决方案。在初步设定时，可将手臂1设置为空心变截面梁，手臂2设计为空心等截面梁。空心梁结构可完全发挥材料自身的潜力和作用，有效控制材料使用，降低材料自身的重量，还能提高手臂刚度，从而受到很多工业领域的普遍使用。

四、总结

综上所述，在实际工业生产过程当中，机器人发挥着至关重要的作用，其不仅能代替人工作业，还可凭借自身优势，进行二十四小时不间断作业，能够完成需求量较大的业务。部分工作要人工进行处理，会极大提升人工成本，而利用机器人作业可极大降低出错概率。本文以平面关节型机器人的结构为基础，进一步探究了设计过程当中存在的问题以及机器人改进策略。发现机器人结构设计和改进属于一项系统性工作，需要考虑到各个方面的因素，同时要发现机器人的控制系统、成本、工作环境、伺服单元等方面的因素。

参考文献：

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