柔性关节机械臂刚度的研究

摘 要：随着科学技术的不断发展，柔性关节机械臂在我国各领域的应用范围也在不断扩大，而质量轻、体积小、能耗低等优点则是其快速发展的落脚点所在，为此本文就柔性关节机械臂刚度展开了具体研究，希望这一研究内容能够柔性关节机械臂的刚度优化带来一定启发。具备质量轻、体积小、能耗低等优点。

关键词：柔性关节机械臂；刚度；计算

结合人类社会的各种生产活动不难发现，柔性关节机械臂已经开始在多个领域实现世界范围内的广泛应用，机械加工、航天科技、焊接、农业机械等领域的柔性关节机械臂应用都属于这一应用的具体表现，而为了保证这种应用能够更好服务于我国经济与社会发展，正是本文就柔性关节机械臂刚度展开具体研究的原因所在。

1 柔性关节机械臂概述

对于柔性关节机械臂来说，其本身是为了较好满足柔性型机器人发展需求而诞生的，而结合柔性关节机械臂的相关定义，我们可以将柔性关节机械臂划分为弹性材料机械臂连杆柔性关节机械臂、刚性构成机械臂连杆柔性关节机械臂两种，本文的研究对象为刚性构成机械臂连杆柔性关节机械臂。对于本文所研究的柔性关节机械臂来说，谐波齿轮减速器和力矩传感器的应用是其柔性实现的主要原因，而想要保证柔性关节机械臂能够较好服务于相关柔性机器人，我们就必须重视柔性关节机械臂的刚度[ 1 ]。

对于很多领域的柔性关节机械臂来说，刚度是其主要结构技术指标，而这种刚度的保证则能够为柔性关节机械臂的动态耦合效应减轻、载荷与动应力降低带来较为有力的支持，不过由于一些应用于特殊领域的柔性关节机械臂本身对于质量有着较为严格的要求，这就使得很多时候柔性关节机械臂的刚度与质量要求往往不能够得到同时满足，这种情况下我们就需要进行这类柔性关节机械臂的刚度研究，并通过相关计算保证柔性关节机械臂的刚度能够得到较好优化[ 2 ]。

2 关节刚度计算

在本文就柔性關节机械臂刚度展开的研究中，笔者选择了安装在航天器外部的空间机械臂作为研究对象，这一柔性关节机械臂本身由关节、臂杆和前端执行器构成，配置有6个转动自由度且每个自由度设置为一个关节，肩部、肘部与腕部是这一关节的主要设置位置。而对于这类柔性关节机械臂的关节来说，电机与谐波减速器是其关节的具体构成，而为了较好就这一柔性关节机械臂刚度展开研究，我们就需要建立该柔性关节机械臂的臂杆刚度模型、关节刚度模型以及机械臂刚度模型[ 3 ]。

2.1 柔性关节机械臂臂杆刚度模型

2.2 柔性关节机械臂关节刚度模型

2.3 柔性关节机械臂刚度模型

除了上述刚度模型的建立外，为了能够较好完成本文就柔性关节机械臂刚度展开的研究，我们还需要创建柔性关节机械臂刚度模型，结合本文选择的柔性关节机械臂刚度，我们能够得出这一柔性关节机械臂受力为Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz，而通过对这一柔性关节机械臂肩部俯仰关节、肘部俯仰关节、腕部俯仰关节的力矩计算，柔性关节机械臂的变形计算，以及关节的扭转变形、臂杆的变形、臂杆的变形角、关节引起的变形、由臂杆引起的变形计算，我们就能够得出具体的柔性关节机械臂刚度模型，但由于受篇幅原因限制，本文不对这一模型进行具体描述。

3 计算实例

在取得柔性关节机械臂刚度模型后，我们就可以进行具体的柔性关节机械臂刚度优化，这一优化需要考虑关节优化配置、臂杆优化配置、关节与臂杆质量分配等内容。其中关节优化配置需要采用拉格朗日乘数法构造函数计算，而通过这一计算我们能够得出采用强度高密度小、轴向长度短、柔轮壁较厚的谐波减速器将较好实现关节优化；而在臂杆优化配置中，我们同样需要结合拉格朗日乘数法构造函数展开计算，这一计算能够得出臂杆应采用低密度高刚性材料的结论；而在关节与臂杆质量分配的计算中，我们需要结合上文求得的关节与臂杆质量分配展开具体计算，而这这一计算能够得出臂杆的直径应尽可能大这一结论。

4 结论

在笔者就柔性关节机械臂刚度展开的研究中，笔者以航天器外部的空间机械臂作为研究对象，并详细论述了柔性关节机械臂、关节刚度计算、计算实例等内容，希望这一内容能够为相关研究人员带来一定启发。

参考文献：

[1] 黄华.柔性关节机械臂的建模及控制研究[D].湖南工业大学，2014.

[2] 王海，周璇，夏小品，李晗.柔性关节机械臂的非线性控制策略研究[J].机械科学与技术，2014，（01）：22-26.

[3] 黎田.柔性关节机械臂及其运动学标定和振动抑制的研究[D].哈尔滨工业大学，2012.

[4] 顾义坤，倪风雷，刘宏.基于RENN的柔性关节机械臂自适应动态面控制[J].控制与决策，2011，（12）：1783-1790.

作者简介：

贾士周（1989-），男，汉族，河北邯郸人，河北工业大学研究生，研究方向：机械设计及理论。