工业机器人结构设计与性能优化措施

刘志军 辛宏宇

(赤峰工业职业技术学院，内蒙古 赤峰 024000)

1 工业机器人结构设计中存在的问题

工业机器人的出现有效提升了工业生产的效率。由于受到设计和制造水平的限制，机器人在早期只是从事工业生产中某些单调、繁重和重复的长时间作业，灵活性不佳，智能化程度不高。为了适应工业生产的需求，也尝试了对机器人的结构进行优化设计，大多做法为通过增加机器人本体结构的刚度，减少机器人机械臂在载荷作用下发生的变形，以此来提高机器人的运动精度。而在以往要想提高机械臂的刚度，就需要增加机械结构的尺寸才能够达到目的。这种做法会直接增加机器人本体负载的重量，需要大功率伺服电机和大规格减速器才能够维持机器人的运动，不仅会消耗较多的资源，而且还会增加一定的成本。在机器人本体负载增加的情况下，势必会降低其运动速度，影响到机器人的作业效率，这与对机器人进行结构优化的初衷相背离。

为了解决机器人本体负载大的问题，采用重量较轻，刚性较差的结构，但在负载以及高速运动的作用下，就会导致机械臂出现一定的变形和挠度，在停止运动时，还会因为惯性的作用而导致自由振动。工业机器人是一种多关节机械手或多自由度的机器装置，每个关节的刚度是不同的，每个关节都可能会产生一定的转角误差，当机械臂发生变形和挠度时，在连杆的作用下会被逐渐放大，经过各个关节的累积最终在机器人的末端位置差生较大的误差，从而影响到机器人的作业精度。以上是以往机器人结构优化设计中面临的具体相关问题。因为受到各种因素的制约，从结构刚度、重量、动态特征以及振动等方面进行综合考量时，设计效果不太理想，这也是以后的结构优化设计需要重点考虑的问题。

2 工业机器人结构优化设计思路

在吸收以往经验的基础上，对机器人结构的优化设计，需要从运动学和动力学两个方面进行考虑。在结构设计中，应该充分考虑结构的尺寸、强度，零部件的材料、结构特征和尺寸大小等因素，然后与机器人的运行环境相结合，确保其在结构上能够更加紧凑和轻巧。为了满足现代化工业生产的需求，在对机器人进行结构优化设计时，不仅要考虑到静载荷条件下的受力、刚度等需求，还要满足动载荷条件下的性能需求。轻量化是现代化结构设计较为常用的理念，在机器人处于高速运转状态下时，连杆和关节的刚度会对机械臂的运动精度产生一定的影响，所以要对机器人本体结构件的受力进行优化设计，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结构件作为刚性体，然后再根据机器人的作业环境，经过计算后得出机器人结构件的优化结果。

3 工业机器人轻量化设计

经过传统结构设计经验的分析，可对机器人进行轻量化设计理念。经过轻量化设计的机器人，结构件的重量明显降低，在运动过程中可大大降低机械臂的运动惯性，提高机械臂的运动速度，机器人的定位精度和生产效率都可得到有效保证。轻量化设计还能够降低能源消耗，减少对环境的污染。在保证机器人基本功能稳定、可靠和安全的基础上，可采用轻量化材料以及结构拓扑优化的方式，提高机器人结构设计和性能的优化。

强度和刚度是机器人结构设计优化中需要重点考虑的因素，只有在满足这两项要求的基础上，才能够满足机器人的作业需求和功能的发挥。轻量化材料主要是相对于传统材料而言，从字面理解轻量化材料即为重量轻，重量轻主要是因为材料本身的密度小，在结构设计中能够减少传动部件的受力和能耗。此外轻量化材料还具有强度高、刚度大、震动阻尼大的特点，较高的强度能够满足机器人在工业生产中的劳动需求，保证生产运行的安全性，刚度大可避免结构件发生变形，震动阻尼大可吸收机械臂启停产生的局部振动。比较常见的轻量化材料有镁合金、铝合金、碳纤维复合材料和工程塑料等，由于每种材料的密度、强度、韧性以及加工工艺等不同，所以在实际应用时，应该根据结构件的位置以及其所承受的载荷等因素，综合考虑选择哪种材料，以达到最佳的结构设计优化效果。在机器人结构优化设计中采用轻量化设计理念，因为每种轻量化材料的性能参数不同，所以需要合理选用材料，确保机械臂的刚度、强度、韧性等性能参数都符合作业要求。可采用拓扑优化的方法，将轻量化材料的分布作为优化的对象，在均匀分布材料的设计空间中找到最佳的分布方案，确保轻量化设计能够达到理想的效果。

4 工业机器人机械臂振动参数分析

机器人在作业的过程中，根据工艺流程的不同，机械臂的姿态、激振力、激振频率都会实时发生变化，当机械臂的激振力频率与机器人本体的固有频率接近时，就会产生共振现象，由此加剧机械臂的抖动，不仅会降低机械臂的运动精度，还会缩短结构件的使用寿命，增加安全事故发生的频率。所以在对机器人结构设计和性能优化时，应该对机械臂的动态特征参数进行分析和辨识。由于解体测量和CAD方法都有一定的局限性，计算出的参数存在一定的偏差，所以一般都采用整体辨识法。整体辨识法为让机器人按照预设的轨迹运动，对需求测量关节的驱动力矩和关节转角采集信息，然后通过计算得出惯性参数。因为这种方法机器人的运动状态与实际工作状态一致，所以计算结果与实际值会更加接近，为结构设计和性能优化提供更具参考价值的数据信息。

5 工业机器人机械臂振动抑制方法

工业机器人在运动过程中，机械臂发生振动会直接影响到作业的精准度，所以在结构设计和性能优化中要解决机械臂振动问题。机械臂振动的根源主要来源于关节上的电机，在电机的速度和加速度发生变化时，就会导致机械臂产生振动。如果没有激励条件，在阻尼作用下，机器人结构件的振动会逐渐消失。对于机械臂振动的控制方法主要有被动控制、主动控制和轨迹规划等。被动控制方法主要是在柔性机械臂上增加耗能或者储能装置来实现振动抑制，这种方法具有较好的稳定性，但是适应性和鲁棒性相对较弱；主动控制是指根据机械臂振动的力或力矩大小以及方向，在机械臂适合的位置施加一种大小相同但方向相反的力，从而实现振动抑制的目的；轨迹规划主要是从轨迹和速度规划的角度实现振动抑制，轨迹规划在一定优化限制中可归属于对加速度的优化，将加加速度作为约束条件，可提高轨迹精度。通过利用新材料和功能材料也可以起到机械臂振动抑制的功能，主要有压电材料和新型复合材料，压电材料包括压电纤维、压电晶体和压电聚合物等，这类材料具有较宽的频率响应范围，响应速度快，动态性能好，重量轻，安装方便等优点，在被动控制、主动控制和混合控制中应用，可取得较好的振动抑制效果。

6 结语

工业机器人是我国工业生产向智能化、数字化和网络化方向发展的典型代表，传统的工业机器人仅能够从事简单的机械性作业，智能化水平较低，在结构上占地面积较大，机械结构不够灵活，无法完成较为精密的加工作业。机电设备的应用是促进工业生产水平的重要驱动力，所以为了满足工业生产的需求，工业机器人在结构和性能方面需要不断地改进和完善，不仅要适应现代化工业生产的需求，还要领先于现代工业生产技术，在结构设计和性能优化方面具有一定的前瞻性，由此才能够促进工业生产水平的快速发展。工业机器人技术融合了多学科的知识，所以在结构设计和性能方面的优化还需要从多种学科角度综合分析，在根本上提升工业机器人的工作性能和工作效率，为促进我国机器人产业的发展提供助力。