多关节液压机械臂结构设计*

曹金玲，罗 迎

(榆林学院 能源工程学院，陕西 榆林 719000)

机器人系统主要由机械结构、传感器系统、控制系统和信息处理系统等部分组成[1]。机器人的研究内容涉及许多方面，主要包括机械结构设计、体系结构设计、电子电路各种接口设计、运动学建模、动力学建模、机器人仿真平台研制、移动机器人定位、路径规划、环境建模和多个传感器的信息获取及融合技术等[2-4]。机器人的机械结构形式选择和设计非常重要。就机器人结构而言，机器人在各种领域和场合，特别是在极端条件下(如深海中)，开展丰富而具创造性的工作是很困难的[5-7]。而多关节机械臂则具有动作灵活、运动惯性小和通用性强等特点[8]，液压驱动控制的机械臂在低速和重载环境下有不可替代的作用，为此本文介绍了液压机械臂的体系结构设计和机械结构设计等内容。

1 液压机械臂的体系结构及机械结构设计

机器人的体系结构通常也称为机器人控制器的体系结构，是指把感知、建模、规划、决策和行动等多种模块有机结合起来，从而在静态、动态环境中完成目标任务的机器人结构架构。目前，机器人的体系结构主要有3种：慎思式体系结构、基于行为的反应式体系结构和混合式体系结构[9]。

慎思式体系结构是基于功能分解的体系结构，按照“感知-建模-规划-执行”的模式来实现机器人的学习和控制，如图1a所示。基于行为的反应式体系结构不依赖于规划，而是将感知直接映射为动作，即机器人在整个动作空间是按照行为来分解，如图1b所示。其典型的机械结构如图2所示。

图1 机器人体系结构

图2 液压机械臂的机械结构图

2 液压机械臂总体方案设计

机械臂的架构框图如图3所示。

图3 机械臂的架构框图

机械臂由本体、制动器、控制器以及内、外传感器等构成。在控制器作用下，利用液压驱动，按相应顺序，在规定的时间和速度下实现本体结构运动轨迹，且内传感器对本体关键点的位移和速度进行采样，超出误差阈值时发出警告并采取规定动作，从而在动作实现的条件下保证了精度。

执行机构包括手部、手腕、手臂、立柱和行走机构等部件。手部采用夹持式，由手指(或手爪)和传力机构所构成。手指运动形式为回转型，传力机构多由连杆式、斜杆式和滑槽连杆式等结构组成。关节部分则全部用销联接。典型的滑槽连杆式手部结构受力示意图如图4所示。

图4 滑槽连杆式手部结构受力示意图

3 液压机械臂试验设计

3.1 设计要求及技术参数

机械臂的手指为夹持器，执行动作为抓紧和放松；要抓紧的工件直径为80 mm，工件质量为8 kg，材质为45号钢；放松时2爪最大距离为110～120 mm，1 s抓紧，夹持速度为20 mm/s；由液压缸提供动力。

3.2 机械臂伸缩液压缸结构验算示例

伸缩缸采用某系列液压缸，伸缩缸剖面如图5所示，尺寸系列初选伸缩缸径和活塞杆直径分别为100和60 mm。进行必要的简单计算。选取P=0.4 MPa，驱动力F为：

F=PπR2=0.4×106×3.14×(0.052-0.032)=

2 010 (N)

测得手腕质量为50 kg，设计加速度a=10 m/s2，则惯性力F1为：

F1=ma=50×10=500 (N)

考虑活塞等的摩擦力，设定摩擦因数k=0.2，则摩擦力Fm为：

Fm=kF1=0.2×500=100 (N)

惯性力和摩擦力的合力F0为：

F0=F1+Fm=600 (N)

由于F0

液压机械臂其余工作机构(包括平衡、导向和升降等运动形式实现)的结构设计与伸缩缸类似，不做过多赘述。

图5 伸缩缸剖面示意图

3.3 液压控制系统

驱动系统方案设计：采用叶片泵供油压，动作顺序从原位开始，依次为升降臂下降→夹持器夹紧→升降臂上升→底座快进回转→底座慢进→手腕回转→伸缩臂伸出→夹持器松开→伸缩臂缩回；待工件加工完成后，伸缩臂伸出→夹持器夹紧→伸缩臂缩回→底座快退(回转)→底座满退→手腕回转→升降臂下降→夹持器松开→升降臂上升原位停止→准备下次循环。

在综合考虑各液压缸的换向回路、调速方式、缓冲回路和系统可靠性等因素后，绘制液压系统如图6所示。

图6 机械臂液压系统简图

从图6可以看出液压系统动作顺序控制原理。例如要完成降臂上升动作，待手部夹紧动作完成后，由控制器发出信号，使得7YA和2YA通电，压力油经阀21右位，经阀23进入液压缸下腔，上腔油液经阀24，阀21右位回油箱。升降速度由阀24调节。

4 结语

上述内容是对液压机器人机械臂的结构设计研究。试验设计结果表明，所采用的设计原理可靠，设计流程规范，基本达到了设计要求。设计中出现了机构稳定性问题，为此需要在接下来的工作中进行仿真计算，优化设计参数，提高系统在非结构化环境下的鲁棒性，并降低设计成本。

[1] 张培仁，杨兴明.机器人系统设计与算法[M].合肥：中国科学技术大学出版社，2008.

[2] 冯毅.摆动式机械手机构运动与PLC控制的研究[D].沈阳：沈阳工业大学，2011.

[3] 江应国.注塑机下料专用机械手的设计与研究[D].赣州：江西理工大学，2009.

[4] 寿庆丰.一种多指多关节机械手爪[J].浙江大学学报，1999(3):43-47.

[5] 李晓旭，王玉林.自动供料机械手的设计及其运动分析[J].西安工业大学学报，2010,1(23)：25-29.

[6] 沈小强，臧华东，李洪群.系统中搬运机械手的本体结构设计[J].现代机械，2010(4)：32-34.

[7] 高羽翯，张虎，宋遒志.外骨骼助力机器人结构设计及动力学仿真[J].新技术新工艺，2013(5)：43-46.

[8] 李明，栗全庆.基于PLC的液压搬运机械手设计[J].机床与液压，2009,37(8)：100-103.

[9] 何芹，原政军，姚龙元.用于方形物件装卸液压机械手的设计[J].机床与液压，2010，38(18)：38-40.

*榆林学院校级科研项目(14YK25)

陕西省教育厅科学研究项目(14JK1858)