六自由度机器人结构设计及关键件有限元分析

六自由度机器人结构设计及关键件有限元分析李飞，张鹏，张红升（西安航天精密机电研究所，陕西西安７１０１００）摘　要：文章介绍了５０ｋｇ六自由度机器人的设计方法，包括机器人构型方式、各轴机构传动方式以及电机、减速机的选型。创建了三维模型，利用ＡｎｓｙｓＷｏｒｋＢｅｎｃｈ建立了腰部与大臂有限元模型，分析了危险工况下的应力、形变等性能，确保铸件结构符合设计刚度。该机器人本体结构设计合理，动力传递可靠，关键件强度、刚度满足使用要求，整机设计达到了最终的设计目标。关键词：六自由度机器人；机构传动；结构设计；ＡｎｓｙｓＷｏｒｋＢｅｎｃｈ；有限元分析中图分类号：ＴＨ１１２　　文献标识码：Ａ　　文章编号：１００１－１９６Ｘ（２０１９）０３－００６３－０５ＳｔｒｕｃｔｕｒｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｋｅｙｃｏｍｐｏｎｅｎｔｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｏｆｓｉｘＤＯＦｒｏｂｏｔＬＩＦｅｉ，ＺＨＡＮＧＰｅｎｇ，ＺＨＡＮＧＨｏｎｇｓｈｅｎｇ（Ｘｉ’ａｎＡｅｒｏｓｐａｃｅＰｒｅｃｉｓｉｏｎＥｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｘｉ’ａｎ７１０１００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｔｈｅｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｏｆ５０ｋｇｓｉｘ－ｄｅｇｒｅｅ－ｏｆ－ｆｒｅｅｄｏｍｒｏｂｏｔ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｒｏｂｏｔｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｍｏｄｅ，ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｅａｃｈｓｈａｆｔａｎｄｔｈｅｓｅｌｅｃｔｉｏｎｓｏｆｍｏｔｏｒａｎｄｒｅｄｕｃｅｒ．Ａ３ｄｍｏｄｅｌｗａｓｃｒｅａｔｅｄａｎｄａｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｏｆｗａｉｓｔａｎｄｂｉｇａｒｍｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｕｎｄｅｒｄａｎｇｅｒｏｕｓｗｏｒｋｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｗｅｒｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｂｙｕｓｉｎｇＡｎｓｙｓＷｏｒｋＢｅｎｃｈｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｓｔｒｅｓｓ，ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｏｔｈｅｒｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ．Ｔｈｉｓｗｏｒｋｅｎｓｕｒｅｄｔｈｅｃａｓｔｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅｃｏｎｆｏｒｍｔｏｔｈｅｄｅｓｉｇｎｓｔｉｆｆｎｅｓｓ．Ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｒｏｂｏｔｂｏｄｙｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗａｓｒｅａｓｏｎａｂｌｅ，ｔｈｅｐｏｗｅｒｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｗａｓｒｅｌｉａｂｌｅ，ａｎｄｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｓｔｉｆｆｎｅｓｓｏｆｔｈｅｋｅｙｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｃｏｎｆｏｒｍｅｄｔｏｔｈｅｕｓｉｎｇｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．Ｉｎａｗｏｒｄ，ｔｈｅｗｈｏｌｅｍａｃｈｉｎｅｄｅｓｉｇｎｈａｄｒｅａｃｈｅｄｔｈｅｆｉｎａｌｄｅｓｉｇｎｇｏａｌ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｉｘＤＯＦｒｏｂｏｔ；ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍ；ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｅｓｉｇｎ；ＡｎｓｙｓＷｏｒｋＢｅｎｃｈ；ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓ收稿日期：２０１９－０３－０５；修订日期：２０１９－０４－１２作者简介：李飞（１９８６），男，陕西西安人，硕士，研究方向为机器人学，机械数字化设计制造。０　前言工业机器人是一种由操作机和控制器等共同构成的多轴联动的工业自动化设备，其被广泛应用于现代工业生产中。为了更好的提高我国工业生产效率，改革劳动密集型产业，我国需要加快对工业机器人的研究和应用。对于工业机器人，机械系统是其支承基础和执行机构，控制系统编程、规划与分析的最终目的是要通过机械系统的运转完成指定的任务。机械系统设计是机器人设计的一个重要内容，其结果直接决定着机器人工作性能［１，２］。额定负载５０ｋｇ的六关节机器人适用于弧焊、搬运、码垛、机床上下料及研磨抛光等作业，是一种具有代表性的通用机型，具有广阔的市场和产业化前景。本文５０ｋｇ六自由度机器人机械系统设计，包括机器人构型方式、各轴的动力传动方式以及驱动部件的选型。创建了三维模型，利用ＡｎｓｙｓＷｏｒｋＢｅｎｃｈ软件分析了危险工况下关键铸件的应力形变等性能，确保铸件结构的设计强度与刚度。经设计分析，该机器人本体结构设计合理，动力传递可靠，关键铸件强度等都达到了设计目标。·３６·２０１８Ｎｏ３　　　　　　　　　　　　　　　　　　重型机械１　设计目标根据机器人本体市场调研结果及相关结构设计理论，确定了ＳＮ５０型工业机器人机械系统设计指标如表１所示。表１　目标参数表型号ＳＮ５０自由度数／个６额定负载／ｋｇ５０本体质量／ｋｇ７００工作半径／ｍｍ２２３０关节转速／ｒ·ｍｉｎ－１＜６０转动范围／（°）Ｊ１±１８０Ｊ２＋９０／－１５０Ｊ３＋１７７／－８５Ｊ４±３６０Ｊ５±１１５Ｊ６±３６０２　结构设计２１　机器人构型设计机器人就其形式来看，就是通过若干杆件的某种连接而成的开式连杆系，连接形式即为机器人的关节结构形式。由于开链结构末端存在整体误差累积以及高速下容易产生较大惯性力与哥氏力的问题，这些会对机器人整机刚度和运动精度有很大影响［３，４］。因此机器人的设计应在保证工作半径的前提下，尽量做到结构紧凑以及运动构件的轻量化。此外，Ｊ４、Ｊ５、Ｊ６关节的旋转轴线应处于同一平面，消除偏距。同时，Ｊ１、Ｊ２、Ｊ３关节轴线相互平行，且垂直相交于Ｊ４、Ｊ５、Ｊ６轴线平面。这些基础要求最终保证了机器人运动学方程的简单可靠，也有利于控制系统的设计及整机控制精度的提升。机器人手腕选择ＲＢＲ构型，该结构具有较强的通用性，即Ｊ４、Ｊ５、Ｊ６轴线相交于腕关节原点，且相互正交，以保证腕关节质量轻、动作灵活、工作空间达到最大，三轴共同确定了机器人末端执行器的姿态，Ｊ１、Ｊ２、Ｊ３轴则共同决定了腕关节原点在工作空间中的位置［５－７］。ＳＮ５０型工业机器人整机构型如图１所示。图１　整机构型示意图　　考虑到机器人的高运动精度要求，各关节采用伺服电机作为动力元件。各关节选用ＲＶ减速机，增大关节扭矩，并具有体积小、质量轻、传动比范围大、刚性好、传动效率高等优点。２２　连杆结构设计分析在连杆长度设计分配中，应使得整机重量的近７５％都集中在底座、腰部与大臂部分，这样不仅能降低整机重心高度与运动惯量，其质量分配也更有利于后续的控制系统的设计，能大幅提高机器人手部的控制精度。图２为整机简化后杆长分配示意图。大臂总长度９００ｍｍ，小臂总长度为１０１５ｍｍ，腕部长度２００ｍｍ。最终整机工作臂展达到２２３０ｍｍ，满足设计要求。利用ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ三维设计软件进行零部件的设计，再进行整机模型的装配，渲染完成后的外形如图３所示。图２　连杆配置示意图·４６·重型机械　　　　　　　　　　　　　　　　　　２０１８Ｎｏ３图３　机器人外形图２３　传动原理设计机器人本体结构主要包括了基座部、回转部、大臂部、小臂部、腕部等五部分。考虑到机器人整机合理的质量分布以及手臂重力的平衡以减小电机容量，应尽可能的让臂杆的重心落于支点。因此，Ｊ１～Ｊ３轴伺服电机就布置在各关节处，由电机带动齿轮轴，动力经过减速机输出，带动各轴连杆完成转动。而小臂部和腕部的电机则采用电机后置，与手腕分列在支点两侧，电机自身重量可以起到平衡部分小臂质量的作用［８，９］。后置的三台伺服电机通过传动链将动力传输到前端手腕部。如图４所示，Ｊ６伺服电机１１提供动力，通过齿轮对１０与２３的啮合，带动实心传动轴８转动，将动力传递给内花键轴１７，带动弧锥齿轮对６、４啮合，动力再由经圆柱齿轮５、３及弧锥齿轮２、１２啮合，最终驱动Ｊ６减速机输出扭矩，带动末端执行器完成动作。Ｊ４轴的动力由电机传递给传动齿轮２１，再由套筒齿轮轴９传递给Ｊ４轴减速机输入齿轮，减速机输出端带动小臂完成旋转动作。图４　Ｊ４～Ｊ６关节传动系统示意图２４　主要传动部件选型根据设计目标，选定三菱伺服电机为各轴的驱动元件，Ｊ１～Ｊ３轴电机输出转速经输出齿轮轴与ＲＶ减速器输入齿轮进行一级减速，再经ＲＶ减速器二级减速后带动各关节转动或摆动。Ｊ１～Ｊ３轴选用额定３０００ｒ／ｍｉｎ、最高４０００ｒ／ｍｉｎ转速的电机，ＲＶ减速机速比选取分别为１４０、１７５及１８０。Ｊ４～Ｊ６的电机最高转速４５００ｒ／ｍｉｎ，ＲＶ减速机速比分别为３５、７０、６０，其中，四轴应选择中空形式的ＲＶ减速机，以便于Ｊ５轴、Ｊ６轴的动力传递，Ｊ４轴动力由电机传出再经两级减速后带动小臂部分旋转。Ｊ６轴电机转速通过输入齿轮１０与传动齿轮２３的啮合，以减速比１４完成一级减速，再由ＲＶ减速机完成第二级减速，组成了完整的传动链。经过最终核算，所选的各驱动以及传动部件使整机达到了设计的目标负载要求，各轴的运动速度也满足设计指标。３　关键件有限元分析机器人大臂两端关节处均通过螺栓组与ＲＶ减速器输出端相连，ＲＶ减速器输入端与伺服电机相连，伺服电机及减速机与腰部、肩部铸件相连。当机器人大臂部、小臂部、腕部、末端均处于水平位置时，其末端执行器结构变形的位移量最大，也是机器人关键铸件受力最大、形变最危险的状态，大臂及腰部铸件此时所受的静态弯矩为最大。因此取机器人处于水平姿态，且在极限负载状态下的这一极限位置进行静力分析。此时，整机可等效为悬臂梁状态，整机固定于底座铸件，大臂及腰部的微小形变都将影响到机器人末端执行器的位姿精度，因此，提高大臂及腰部铸件的强度和刚度就至关重要。大臂及腰部铸件多采用中空或空腔结构，以减轻零件重量，增大刚性，增强结构强度。铸件材料选用ＱＴ４５０－１０，材料密度７３００ｋｇ／ｍ３，弹性模量１７３×１０５ＭＰａ，泊松比为０２７，抗拉强度４５０ＭＰａ，屈服强度３１０ＭＰａ，经软件计算大臂铸件质量５８ｋｇ，腰部铸件质量９３ｋｇ。图５　大臂铸件应力云图·５６·２０１８Ｎｏ３　　　　　　　　　　　　　　　　　　重型机械图６　大臂铸件形变云图将铸件模型导入ＡｎｓｙｓＷｏｒｋＢｅｎｃｈ软件，输入边界条件，选用ＳＯＬＩＤ１８６单元划分网格，进行静力学分析，结果如图５、图６所示，大臂所受最大应力３８９３６ＭＰａ，相对于材料的屈服应力３１０ＭＰａ，安全系数充裕，最大变形位移０３３ｍｍ。图７、图８为腰部铸件的应力及形变云图，可以看出，腰部铸件所受到最大应力１９８１９ＭＰａ，最大变形位移为００５２７ｍｍ。有限元分析结果表明大臂及腰部铸件结构设计满足要求，铸件所受最大应力都远小于其材料的屈服极限，设计的安全系数较大，变形位移较小，最终保证了铸件结构的刚度，从而确保机器人的操作精度满足要求。图７　腰部铸件应力云图图８　腰部铸件形变云图４　结论文章介绍了额定负载５０ｋｇ六自由度机器人的结构设计，展示了机器人构型方式、各轴机构传动方式以及电机、减速机的选型。创建了整机三维模型，并利用ＡｎｓｙｓＷｏｒｋＢｅｎｃｈ建立了腰部与大臂有限元模型，分析了其在危险姿态下的应力、形变等性能，通过应力与形变云图验证了关键铸件的合理性及可靠性，为进一步完善机器人的结构提供了依据。参考文献：　［１］　李瑞峰．工业机器人设计与应用［Ｍ］．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，２０１７．［２］　李宪华，疏杨，张雷刚，等．六自由度模块化机械臂有限元分析及优化［Ｊ］．中国工程机械学报，２０１７（１５）：１０７－１１２．［３］　王占军，赵玉刚，刘新玉，等．码垛机器人结构设计与模态分析［Ｊ］．机械设计与制造，２０１４（８）：１６４－１６６．［４］　程丽，刘玉旺，骆海涛，等．１６５ｋｇ焊接机器人有限元模态分析［Ｊ］．机械设计与制造，２０１２（１）：１４７－１４９．［５］　陈成，六自由度工业机器人虚拟设计及仿真分析［Ｄ］．南京：南京信息工程大学，２０１３．［６］　陈祝权，梁晓合，林粤科，等．六自由度串联机器人结构设计及有限元分析优化［Ｊ］．机床与液压，２０１３（４１）：９７－１０１．［７］　高晓飞，李春书，齐立哲，等．６Ｒ轻量化关节机器人的静刚度建模及分析［Ｊ］．河北工业大学学报，２０１７（４６）：２９－３４．［８］　费仁元，张慧慧．机器人机械设计和分析［Ｍ］．北京工业大学出版社，１９９８．［９］　孙龙飞，房立金．机械手臂结构设计与性能分析［Ｊ］．农业机械学报，２０１７（４８）：４０２－４１０．［１０］　蔡自兴，谢斌．机器人学［Ｍ］．北京：清华大学出版