杨文

摘要：随着工业机器人的广泛应用，要求机器人本体结构紧凑、轻便、灵活，同时需要满足高速、高精度、高可靠性的要求。本文对工业机器人结构设计与性能提升过程中的关键问题进行了分析与探讨，以供参考。

关键词：工业机器人;结构设计;性能

中图分类号：TP242.2                                     文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）10-0078-02

0  引言

工业机器人的开发与应用是我国智能制造和高端制造业的重要内容。从工业机器人发展的产业链可知，上游是关键核心零部件（减速器、伺服电机和控制器），中游是机器人本体结构设计与制造，即是机器人的“身体”结构设计制造，下游是应用系统集成。国内企业在机器人本体设计制造方面，要求机器人本体结构越来越紧凑，越来越灵活。随着工业机器人应用领域和应用类型的广泛发展，对机器人性能的要求也越来越高。机器人需要满足高速、高精度、高稳定性的要求。

1  传统工业机器人结构设计存在的问题

提高工业机器人运动精度的传统方法主要是增加机器人本体结构的刚度，减小机器人机械臂在载荷作用下产生的变形，提高定位精度。为保证机械臂具有足够的刚度，需使增大机械结构尺寸。这种方法最直接的缺点就是导致本体负载过重，需要大功率伺服电机和大规格减速器，增加了机器人成本，消耗更多能源。同时，由于机器人本体负载大，运动速度慢，生产效率低下，难以满足自动化工厂生产要求。另一方面，采用重量轻、刚性较差的本体结构时，在负载和高速作用下，机械臂会产生一定的变形及挠度，并且在停止运动时，由于惯性会产生自由振动。由于机器人各个关节的刚度不同，各个关节会产生转角误差，机械臂的变形和挠度通过各节连杆被放大，并在各个关节处进行累积，最终在机器人的末端位置处产生较大的误差，降低机器人末端的定位精度，难以满足精度要求较高的场合等场合。因此，在工业机器人本体结构设计和优化过程中，必须考虑机械臂结构刚度、重量、动态特性及振动的影响。

2  工业机器人结构优化设计

在进行结构优化设计时，首先，对工业机器人进行运动学和动力学计算，校核结构件的尺寸和强度，在此基础上进行结构件疲劳强度和寿命的计算和预测，然后在满足工业机器人基本功能要求的条件下，合理选择零部件的材料、结构特征和尺寸大小，使得优化后的结构尺寸紧凑、轻巧。

机器人本体结构优化已从传统静载荷条件下结构设计逐步发展为在动载荷条件下以现代设计理论与方法为基础的优化设计。在对工业机器人本体结构进行优化时，需要同时考虑运动学和动力学分析结果。在进行运动学分析时，可利用雅可比矩阵条件数来描述机构在运动空间中某一点的运动特性，并将其作为机器人的运动学评价指标。在进行动力学分析时，可将机械臂的惯量特性作为优化指标。利用机器人末端的速度、加速度和受力情況的动态特性方程来对动力学指标进行优化。

在轻量化和高速度的设计目标下，工业机器人连杆和关节的刚度对机械臂的运动精度影响越来越大。这时，需要分别考虑机器人本体结构件的受力情况，将受力较大、变形较大的结构件作为柔性体，受力较小和变形较小的机构件作为刚性体，建立机器人刚柔耦合动力学模型，根据工业机器人实际应用场合重点关注的要点，可以分别以整机质量、全局静刚度及静刚度一致性、低阶固有频率等作为优化目标，以应力和变形、低阶模态固有频率、整体质量等为约束条件对机器人结构件进行优化[1]。结合现代设计理论和方法，采用有限元方法和智能优化算法对机器人结构进行优化设计。根据应用场合的需要，可以选择单目标或多目标进行优化。

3  工业机器人轻量化设计

传统机器人的本体结构未经过轻量化设计，机械臂笨重，本体结构质量过大，导致需要大功率电机才能正常工作，从而耗费更多的能源，并限制了机器人负载以及工作环境。机器人本体经过轻量化设计后，结构件的重量大大减小，机械臂运动时的惯性也大大减小，在保证机器人的定位精度的条件下，可增加机械臂的运动速度，提高生产效率和安全性，降低了能耗，减少了环境污染。机器人轻量化的基本原则是在保证机器人基本功能的稳定、可靠和安全的前提下，通过结构拓扑优化和选择轻量化材料，达到减小机器人本体重量的同时，机械臂的刚度和强度满足设计要求。

3.1 轻量化材料

机器人本体结构的轻量化设计主要从两个方面进行：轻量化材料的应用和机器人本体结构的拓扑优化。机器人本体设计时首先考虑的是强度和刚度问题，因此，传统设计时，结构部件的材料多为强度和密度较大的金属材料，如各类铸铁、铸铝、合金钢等。这些材料密度大，并且力学性能还比一些新材料差，因此，这些材料并不是轻量化材料。

能够进行轻量化设计的材料需要满足以下的要求：①强度高：保证工作安全和使用寿命。②较大的刚度和强度：需要具有抵抗变形的能力。③较大的震动阻尼：需要材料吸收由于机械臂的启停而产生局部的振动。④密度小：减少传动部件的承受的负载和能耗。目前机器人常用的轻量化材料包括镁合金、铝合金、碳纤维复合材料和工程塑料等[2]。

镁合金材料以其轻质（密度为铝的2/3，不到钢的1/4）、高比强度等特点，是机器人本体结构最理想轻量化材料之一。但是镁合金材料的强韧性低于钢铁和铝合金材料，还不能完全替代[3]。

铝合金也是机器人本部结构常用的轻量化材料之一，其密度比镁合金略大，但远小于钢铁材料的密度，比强度也远高于钢铁合金，因此铝合金材料已成为在机器人本体材料应用最多的材料之一。

碳纤维复合材料是一种新型的高强度高模量复合材料。碳纤维材料的强度是钢铁材料的数倍，而其密度只有钢铁材料的1/6 ～1/4。从强度和密度来看，碳纤维复合材料无疑是最理想的轻量化材料，但是，由于碳纤维复合材料加工成型复杂，成本较高，因此，如何在成型工艺和成本上找到平衡点，是目前的研究热点。

3.2 结构拓扑优化方法

在机器人轻量化设计方面，拓扑优化方法已广泛应用于各种机器人的轻量化设计。常用的结构拓扑优化方法有：均匀化法、变密度法、渐进结构法、水平集法[4]、蚁群优化和有限元分析结合使用拓扑优化方法等。一般以机器人质量、惯量和刚度等为优化目标，进行多目标拓扑优化设计。

4  工业机械人动力学参数辨识

机械臂运动过程中，激振力实时变化，机械臂的姿态也实时变化，激振频率也实时变化。当激振力频率接近机器人本体的固有频率时，会产生共振现象，导致机械臂产生明显的抖动，降低机械臂的运动精度，减小结构件的疲劳寿命，易产生安全事故。因此，在工业机器人结构设计和优化过程中，需要对机械臂的动态特性参数进行分析和辨识。

机器人动力学参数辨识方法可分为解体测量方法、CAD 方法以及整体辨识方法。解体测量是把机器人本体结构进行拆解，测量拆解零部件质心等参数，再根据计算公式求出惯性参数值。该方法的缺点是无法考虑实际运动时各个关节摩擦、变形的影响，因此会导致较大的力矩偏差;CAD 方法是根据机器人3D 模型，由软件自动计算出相关参数。该方法的缺点同样是无法考虑实际运动时各个关节摩擦、变形的影响;整体辨识法是指对工业机器人进行运动测试试验，根据预先设定的运动轨迹，操作机器人沿轨迹运动，采集待测量关节的驱动力矩及关节转角，通过辨识模型和辨识算法求解出惯性参数。由于该辨识方法中的机器人工作状态与实际工况完全一致，因此辨识结果与实际值更加接近。

5  工业机器人机械臂振动抑制

随着工业机器人应用的要求不断提升，对机器人的运动精度要求越来越高，机械臂在运动过程中的振动问题也亟待解决。工业机器人机械臂振动的根源在于运动的激励装置。机器人的振动来自于机器人每个关节上运行的电机。机器人的运动是由电机驱动的，电机速度和加速度的变化就是机器人运动的变化，即产生振动。在没有激励的条件下，在机器人的结构件阻尼的作用下，振动会逐渐衰减，经过一段时间后，最终停止下来。振动控制理论与技术可分为被动控制和主动控制。被动控制、主动控制和轨迹规划是机器人振动抑制的主要方法。

5.1 被动控制

工业机器人机械臂的被动控制是在柔性机械臂上增加耗能或储能的装置来实现振动抑制。被动控制原理简单，稳定性好，但适应性和鲁棒性较弱。常用的被动控制方法有阻尼法（在结构上加入弹性阻尼材料）和刚度变化法。

5.2 主动控制

主动控制方法则采用有效的控制策略和方法对振动进行反向抑制或补偿间隙，实现振动的抑制。根据机械臂振动检测信号，设计一种控制策略，控制在机械臂上施加的力或力矩的大小和方向，使得与振动的方向相反，从而实现振动的抑制。常用的主动控制方法有 PID 控制、自适应控制、手指输入整形法、变结构控制、預测控制等。

5.3 轨迹规划

轨迹规划方法是通过从轨迹和速度规划的角度来实现振动抑制。轨迹规划包括轨迹曲线优化和速度与加速度的优化。轨迹规划中的约束条件包括最大关节加速度、最大关节加加速度以及关节输入信号的频率成分等。机器人轨迹曲线的优化取决于工作任务要求，需针对特定工作任务进行优化限制。加速度优化是改善机器人振动特性的重要影响参数。轨迹规划在一定优化限制中可归属于对加速度的优化当中。将加加速度作为约束条件，提高了轨迹精度。

5.4 新材料和功能材料

目前，在机器人机械臂振动控制方面，还有通过使用新材料和功能材料来实现振动抑制。这些新材料和功能材料主包括：压电材料和新型复合材料。压电材料是指具有压电效应的材料，主要分为压电纤维、压电晶体、压电聚合物和压电陶瓷等。压电材料具有频率响应范围宽、响应速度快、动态性能好、重量轻、加工安装方便、分布式加工好等优点。利用压电材料进行振动控制方法主要包括：被动控制、主动控制、主/被动混合控制。被动控制方法利用正压电效应将振动变形产生的机械能转化为电能，利用外部电路消耗的电能实现振动的抑制，但柔性差，控制效果不理想。主动控制是利用压电效应、电能转化为机械能，通过机械变形和运动来抑制振动，这种控制方法具有很强的适应性和灵活性。主/被动混合控制结合了主动控制和被动控制的特点，通过在普通阻尼材料中加入压电材料来实现振动控制，具有较强的鲁棒性、灵活性和适应性。

6  结束语

综上所述，工业机器人结构设计及性能提升需要全面地从运动学、动力学分析、结构优化设计、轻量化设计、动态特性分析与参数辨识、振动抑制等方面进行系统化的分析、设计和优化，才能从根本上提升机器人工作性能和工作效率，对促进我国机器人产业发展产生重要影响。

参考文献：

[1]岳士岗，余跃庆.多杆柔性机器人杆与关节耦合效应及优化设计[J].北京工业大学学报，1997，23（4）：49-56.

[2]于成涛，张静旖，吴英彪.机器人轻量化材料应用的研究进展[J].新材料产业，2019：41-45.

[3]丁辉.镁合金材料在机器人轻量化上的应用浅析[N].中国建材报，2017（003）.

[4]姚屏，林源，汤勇，曾琴. 结构拓扑优化方法及其机器人轻量化应用现状及发展[J].机电工程技术，2018，47（11）：117-122.