仿人双臂多自由度工业机器人设计

王颖丽1苏立辉2

摘要：在机器人的科研领域中，仿生类机器人一直是人们研究的重点项目，但由于生物的关节经过多年的进化，导致用机械结构模仿其运动的难度较高。为了解决当前工业机器人普遍存在的质量大、刚度弱以及肢体功能欠缺等方面的问题，科研人员通过对人类手臂的研究，根据人类手臂各关节的结构特点，使用并联关节模仿人类手臂的三个关节，研发出了仿人双臂多自由度工业机器人，其刚度更强、结构简单、肢体运动更加灵活，本文将对这种工业为机器人的设计进行分析。

关键词：多自由度；工业机器人；关节设计；整体设计

1引言

仿生机器人就是通过对人体的器官功能与身体结构进行模仿研发出来机器人，是目前机器人科研领域中的重点项目。现阶段的工业机器人主要使用金属材料制作基础结构，造成机器人的总体质量较大，而机器人的传动机构则大部分使用的是通过电动机带动减速器形成的单轴传动方式。这些工业机器人一般使用串联机构组成，在使用中存在较大的局限性。为了解决这些问题，我们需要研发使用并联机构的仿人双臂多自由度工业机器人，并将其进行应用与推广。

2串联机构与并联结构的对比

在工业机器人的设计中，使用串联机构的优势在于其结构简单，在控制方面实现的难度较小，但是这种机构的使用范围存在一定的局限性，造成这种情况的原因如下：第一，串联机构的结构刚度先对较弱。第二，结构在接近基座的关节上的负载偏大。第三，当机构处于高速运动状态时，各个关节产生的惯性更大。为了有效的解决串联机构存在的问题，科研人员将并联机构应用到工业机器人的设计中，相对与串联机构，并联结构的优势如下：第一，结构刚度更高，稳定性更强。第二，结构的承载能力显著提高。第三，具有更高的微动精度。第四，运动时产生的负荷相对较小。第五，在求解位置的过程中，串联机构更加容易正解，但反解的难度较高，而并联结构与其相反，正解难度小，而反解难度大。但是，由于在工业机器人在进行实时计算时需要计算反解，应用串联机构不利于计算能力的提升，应用并联机构则更容易计算反解。与此同时，在运动速度更高、荷载更大的应用环境下，应用并联机构的机器人比应用串联机构的机器人的优势更加明显，再加上人类的手臂上3个关节均具有多自由度的特点，在仿人工业机器人的设计中应用并联结构更有优势。

3仿人工业机器人的关节设计研究

3.1人体关节的特点

根据关节的结构与形状可以看出，人体关节的具体特点如下：第一，与肩关节连接的肌肉大部分坐落在躯干上，并没有坐落在肩关节上，这一特点能够使关节的结构更加紧凑，并且有利于关节质量的减轻，与此同时，由于关节不需要承载与其连接的肌肉带来的质量，有利于关节自身运动速度与承载能力的提高。第二，所有关节的运动速度、灵活度以及承载力的提高均需要异响重要的因素，就是骨骼中含有的钙元素，钙元素不仅能够在提高骨骼坚固性与韧性的同时不增加骨骼的质量，并且可以使骨骼的密度因承载面的不同而不一致。

3.2仿人手臂中肩的设计

在进行仿人手臂设计时，肩关节与腕关节的设计是十分关键的环节，这两个关节设计直接影响到仿人手臂的精度、灵活度以及承载能力。并联机构的精度高、刚度强，并且结构紧凑、动态性能好，其驱动系统能够设计在距离运动本体较远的位置。球面三自由度并联机构的运动平台可以具备3个转动自由度，应用这个平台可以实现与肩关节相似的3类运动，将这种球面并联机构应用在仿人手臂的肩关节设计中，能够使关节的结构更加紧凑，电机能够直接驱动运动杆，减少复杂的齿轮运动，简化传动系统、提高运动精度。人体的肩关节能够实现旋转与环转、外展内收、以及屈伸三类旋转动作，而并联球关节具有第三个旋转自由度，能够模仿出人体手臂的三类旋转动作，这种机构中的，所有支链均由一个带环形导轨的移动副PC以及两个转动副R组成。在3条支链中，所有6个转动副的轴线交汇在一点，这个交汇点可视为整个机构的中心点。滑块只能在环形导轨上围绕中轴线转动，其刚体运动为一个转动轴线沿Z轴，过中心点，从运动学的角度看，移动副PC相当于转动副RZ，这个副RZ的轴线与导轨的中轴线重合。在设计3自由度并联结构的仿人肩关节时，可以使用2个行星轮与1个中心轮代替移动副，3个行星轮由3个电机驱动，通过协同运动带动圆弧形连杆转动，利用连接杆末端的铰链使平台运动，实现3个方向的旋转运动。

3.3仿人手臂中肘关节的设计

在人体的手臂中，肘关节能够完成小臂的旋转与屈伸两种动作。为了设计出仿人手臂中的肘关节，需要使用2自由度的并联机构，这种并联机构的原理如图1所示：

图12自由并联机构原理图

其中包括B2、B3两个驱动关节，关节的转动能够带动C点相对位置的变化。在β2与β3的角度固定后，A2、A3与C点形成一个三角形。在C点运动时，L1与L2也随之运动，并且受到C点的控制，同样被β2与β3控制。按照这种原理设计的2自由度并联机构，为了考虑关节的承载能力，可以将机构中的旋转副更换为平动副，并由2个电缸驱动，实现屈伸和旋转的综合动作。

3.4仿人手臂中腕关节的设计

在人体的手臂中，腕关节能够完成上下摆动与屈伸两种动作。在进行工业机器人设计时，需要绕Y轴与Z轴2个自由度转动。在进行机构设计时，需要具有2个旋转自由度，利用电机来驱动小齿轮旋转运动，小齿轮的旋转能够带动半圆形大齿轮的旋转，再通过连杆与其中间的润滑槽带动直杆绕Y、Z轴产生旋转运动，连杆与球形关节连接，以确保连杆能够自由运动，另一端则安装早机器人末端的执行器上。

4仿人工业机器人的整体设计研究

根据人类身体的结构与比例，我们可以计算出以下结果：上肢与身高比值约为0．452，肘骨与尺骨长度之和与上肢长度的比值约为0．75，肘骨长度与尺骨长度的比值约为1．19，上臂长度、前臂长度与手掌长度的比约为1．42：1．2：0．38。也就是说，如果一个人的身高为1.4米，其是上臂长度应为25.5厘米，小臂长度应为21.5厘米，手掌长度为6.8厘米。手臂的三动杆在机构空间模型中具有较强的灵活性，各项同性指标值较高，能够到达较大的空间，机构灵活度更好。在设计仿人双臂多自由度工业机器人时，需要根据人体各部位的比例参数确定一下长度，其中上臂长度51厘米，前臂长度43厘米。设计仿人双臂多自由度工而已机器人的目的是完成高精度的动作，一些复杂的动作靠一条手臂通常无法完成，在设计时，需要采用双臂协作机制，模仿人体结构特点，将两条仿人手臂连接在刚性较好的底座上。

5结束语

综上所述，仿人双臂多自由度工业机器人能够帮助人类完成复杂而精细的工作，在对其进行设计的过程中，需要掌握串联机构与并联结构的区别，采用合理的机构设计仿人双臂多自由度工业机器人。

参考文献

[1]王奉文,侯月阳,贺亮,卢山.3D双臂空间机器人广义雅克比矩阵推导与运动学特性分析[J].载人航天.2016(01).

[2]刘哲,李铁军.七自由度打磨机器人操作臂运动学分析[J].自动化技术与应用.2016(04).

[3]张博,梁斌,王学谦,李罡,陈章,朱晓俊.双臂空间机器人可操作度分析及其构型优化[J].宇航学报.2016(10).

[4]黄梁松,姜如康,姜雪梅.七自由度带电作业机器人逆运动学求解方法研究[J].自动化技术与应用.2013(04).