浅谈中型工业机器人本体机械结构设计研究

浅谈中型工业机器人本体机械结构设计研究

王黎明

国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心 510555

摘要：市场经济的高速发展为未来的经营活动带来了新的发展灵感，单一依靠人力展开的生产方式已经无法满足相关工业单位的生产需求。本文结合当前工业生产活动的相关要求展开论述，针对中型工业机器人本体机械结构设计理念进行论述，在对其应用价值进行分析的同时，依靠实验数据确定中型工业机器人的工作状态。

关键词：中型工业机器人；本体机械结构；设计；研究

作为依据生产要求发展而来的概念，工业机器人并非“人形机器”，其所指代的是能够在同一周期内完成多种任务的复杂的机电综合系统，在其机械结构中，存在多个关节、连杆和传动机构，传动配合关系极为复杂，工作效能较高。对机器人机械结构设计特点进行梳理，在改变传统设计方法的同时，能够大幅提升生产效率，提高工业机器人的机械性能。

1. 机器人的整体机械结构与设计方案

工业机器人应满足整体能耗低、工作效率高、磨损速度慢等要求，在开展设计活动之前，设计人员不仅要该考虑相关单位的生产要求，更要对生产环境、机器人运行环境、生产周期等因素进行考量，依靠对硬性指标的测算确定机器人的整体结构。以较为常见的JR-80工业机器人的设计为例^[1]，从J1轴到J6轴，其采用腰座回转、大臂俯仰、小臂俯仰、小臂回转、手腕俯仰和手腕回转六个自由度组成的机械结构，强度较高，各结构之间的干扰问题并不明显。

但回顾当前的工业生产活动，单一围绕生产要求制定的设计方案并不能解决后续的设计问题，设计人员还要根据生产需求确定其它的设计指标，如机器人的最大负载能力、机器人的最大工作半径、单位时间内机器人的最大运动频率、机器人的重复定位精度等。除考虑因生产活动而产生的磨损问题外，更要考虑工业机器人的生产效能。

2. 工业机器人的运动学分析

对工业机器人的设计方案进行运动学分析，并根据分析结果导入相应计算，在保障机器人设计方案合理性的同时，能够根据机器人的关节变化幅度、结构移动距离等数据对其始末端距离关系进行调整，从而确定性价比最高的设计方案。在当前的工业机器人本体机械结构设计活动中，其距离关系主要包含转动关系和移动关系两类，基于机器人的运行特点，设计者可通过D-H参数法构建对应的运动模型，并根据模型展示结果提出运动学方程^[2]。在当前的设计活动中，这一理念已经成为建立机器人模型的首选方法。

通过运动学分析，设计者与工业应用单位能够及时掌握机器人在运动过程中末端原点能够在空间中达到的位置，并对运动中可能存在的奇异点位置进行计算，针对空间位置的最终计算结果将对设计过程产生不可忽视的影响。机器人相邻连杆之间的齐次变换矩阵公式如下所示：

通过对相邻连杆之间的距离进行运算处理，能够得出相邻连杆变换矩阵的表达式，从而确定机器人各个关节的运动范围，而在导入运动学正解算法之后，又能根据运算结果得出机器人运动末端的状态和启动位置，依靠D-H参数，所得到的运动学模型由多个坐标系变换矩阵组成。在对变换矩阵模型进行运算处理之后，可得出机器人的运动学模型线性方程。

3. 机器人伺服电机与减速器选型

（一）伺服电机的选择

机器人所发起的关节运动需要通过伺服电机的处理，并经过减速器提升扭矩之后才能产生，从这一设计角度来看，伺服电机的选择直接影响到机器人的工作扭矩，为保障机器人正常工作，在选择伺服电机时，一般遵循如下原则。

额定转速：为避免转速过高造成的扭矩变化问题^[3]，需要通过计算严格确定伺服电机的额定转速，对于转速过高或过低的，应坚决避免组装使用。

最高转速：伺服电机的最高转速直接影响到最大扭矩值，一旦机器人扭矩过大，将会产生关节崩裂、脱离等问题，应合理控制伺服电机的最大扭矩。

额定转矩：伺服电机的额定转矩决定了伺服电机的传动效率，应根据机器人的结构尺寸确定额定转矩的具体数值，避免产生零件脱离问题。

额定功率：对伺服电机的额定功率进行限制，能够保障伺服电机与机器人正常运转，保障区域单位的正常供电。

除以上定量外，设计人员还需要对伺服电机的转动惯量、惯量比进行测算。

在当前市场中，能够与工业机器人结构相互1搭配的伺服电机包含松下、山洋、台达、法拉特等，以JR-80工业机器人的结构设计为例，考虑到生产环境与结构配置性价比等问题，一般采用松下A6系列的伺服电机作为驱动电机。

（二）减速器的选择

减速器必须保持极高的精度，通过减速控制保障工业机器人正常运行。在当前的工业机器人设计活动中，所应用到的高精度减速器分为RV减速器和谐波减速器两大类，需要根据使用环境对其进行甄别。在工业生产活动中，工业机器人生产复杂较大、生产周期较长，谐波减速器并不能应用在大负载的工作环境当中，对于JR-80机器人的本体机械结构设计，一般选择RV减速器作为机器人的传动系统。

四、电机与减速器初型选定

根据工业机器人性能指标和D-H参数进行计算，得出两件结构相关数据，并根据齿轮和减速器机构驱动确定腕部回转关节的最大回转量，从而确定负载总重量。

电机与减速器的基本工作参数应符合企业生产及设计需求，通过对零件参数进行控制，控制电机与减速器的磨损效率，合理节约生产成本。设计人员应及时导入设计活动的运算过程，根据运算结果确定设备最终工作状态，通过设定运行时间确定手部角速度与角加速度。

根据最终结果计算负载启动的惯性矩、负载稳定转矩和负载最大转矩。为保障工业机器人机械结构正常运转，应根据设计要求、负载要求确定机器人大臂质量^[4]，并独立计算小臂和手腕及其他传动组件的总质量。

五、机器人本体材料的选择

机器人本体材料的应用直接影响到机器人的工作效率、使用寿命，在选择设计材料之前，相关设计方案应遵循以下原则：

材料具有高强度：工业生产活动中包含对硬性材料的加工工作，应保障机器人设计材料的高强度，避免其在工作过程中出现损毁、消耗等问题，降低后期的工业维护开支，保障工业生产活动的高质量。

材料质量轻：新型复合材料正在被越来越多的工业单位所接受，在对工业机器人进行设计的过程中，应及时考虑应用新型复合材料^[5]，降低材料重量，提升机器人结构强度，通过控制材料密度降低材料重量，为机器人的搬动、维修提供技术性保障。

具有较大的阻尼：较大的阻尼能够遏制生产活动中所产生的震动，降低噪音污染问题，保障机器人能够稳定开展相关工作。

弹性模量大：较高的弹性模量能够提升机器人结构的抗冲击力，提升其使用寿命。

性价比高：这是机器人结构设计活动中较为重要的一环，合理控制材料的性价比，能够降低研发开支、生产开支，有利于机器人在生产活动中的大规模投入。

结语：

在现阶段的生产活动中，中型工业机器人所表现出来的应用价值正在逐步上升，相关单位也在对其投入更多的重视，对机器人本体机械结构进行设计研究，在保障关节结构正常发挥响应功能的同时，设计人员应针对生产要求做好结构、转角的计算工作，确保机器人结构稳定运行。

参考文献：

[1]葛捷,诸葛镐,童诚昊.中型工业机器人本体机械结构设计[J].机电产品开发与创新,2019(2):25-27.

[2]冯斌.六关节工业机器人离线编程仿真系统的设计与实现[D].

[3]龚仲华,龚晓雯.大中型工业机器人手腕的设计[J].机电工程,2016,033(012):1457-1462.

[2]姚鹏程.Robocup中型组机器人非视觉传感器系统的设计与实现[D].北方工业大学,2004.