文丨胖仔研究社

编辑丨胖仔研究社

前言

对于狭长空间内的装配作业，由于其操作空间狭窄，作业环境复杂多变，存在着如工件摆放、定位困难，以及作业效率低、安全风险大等诸多问题。

随着我国制造业向高质量发展转变，对于工业机器人的需求日益增加。为了更好地满足工业生产需要，将机器人应用于工业生产领域成为必然趋势。

随着技术的不断发展与进步，近年来出现了多款用于工业领域的机器人，如：3-RPS、6-RPS、RPS+等。

由于工业生产过程中的一些特殊要求，在狭长空间内需要对工件进行装配作业时，必须保证工件的定位精度与装配精度。

重载调姿装配

由于本设计为狭长空间内的重载调姿装配机器人，故其具有较大的体积及质量，需要满足狭长空间内的调姿装配需求。

本设计采用可调角度关节臂作为机器人的运动执行机构，能够实现六自由度的运动控制，末端执行机构与车体固定，在车体旋转时，通过安装在车体上的可调角度关节臂控制末端执行机构完成相应的动作。

本设计采用了单轴结构设计方案，并选用了单轴转台作为机器人运动执行机构。单轴转台具有很高的传动效率及较好的刚性，能够满足机器人调姿装配时对关节转台传动效率及刚性方面的要求。

但考虑到狭长空间内调姿装配作业时，装配工件空间相对较小，因此该单轴转台结构较为紧凑，且其可调整角度较小，故需设计一种多轴转台机构。

由于在狭长空间内调姿装配时需要将装配工件固定在车体上，故需设计一种具有一定刚性并能够适应不同变形条件下作业要求的多轴转台机构。多轴转台机构以其具有较大的行程及刚度等优势被广泛应用于工业生产中。

本设计采用了一种具有较大行程且可实现各轴可独立转动、具有一定刚性并能适应不同变形条件下作业要求的多轴转台机构。

根据调姿装配任务要求，本设计对多轴转台进行了结构设计及选型计算。根据多轴转台机构各轴间所受旋转力矩及电机输入扭矩之间的关系，可将该机构设计为一种两级减速器传动结构。

该两级减速器传动结构能够使多轴转台机构各轴间所受旋转力矩相互抵消，同时利用电机输入扭矩的大小能够调节两级减速器之间的传动比，以满足多轴转台机构对传动比的需求。

根据多轴转台机构各轴间所受旋转力矩和电机输入扭矩的大小，可选用两种型号的减速器对多轴转台机构进行传动比计算。两种减速器均能够实现对多轴转台机构各轴间所受旋转力矩及电机输入扭矩的大小进行调节。

为满足在狭长空间内进行调姿装配作业时，各轴可独立转动的需求，本设计采用了一种具有一定刚性的四杆滑块机构作为多轴转台的传动执行机构。

结构设计

整体结构及工作原理：本机器人为单关节串联结构，其中，左、右端各有一个平行四边形的夹爪，两夹爪均通过连接杆与电机相连，电机通过连接杆驱动两夹爪带动机器人转动。

由于机器人是为狭长空间内作业而设计，因此机器人的两个夹爪尺寸要分别与其相适应，为了使夹爪在狭小的空间内自由转动，必须使其在不与其接触的情况下能够转动。本机器人采用单电机驱动，电机分别安装在左右两个夹爪上。

通过在电机两端分别安装一对螺旋弹簧作为动力输入端，通过螺旋弹簧提供的弹力驱动两夹爪与电机相连的两个平行四边形夹爪。在空间狭小的空间内，由于两夹爪的尺寸较大，所以需要提供足够大的驱动力。为解决这个问题，采用了双电机驱动。

运动学正、逆解：由于机器人是为狭长空间内作业而设计，所以其运动学正解问题非常重要。

通过对机器人进行运动学分析和建模得到了以下结论：机器人末端执行器相对于机器人本体坐标系绕其中心旋转一个角度，在直角坐标系中该角度为零；

机器人末端执行器相对于机器人本体坐标系绕其中心旋转两个角度，在直角坐标系中该角度为零。基于上述运动学分析结果，利用MATLAB软件对机器人进行了运动学仿真。

动力学仿真：为验证运动学正解结果的正确性，采用动力学仿真软件ADAMS对机器人进行了动力学仿真，可以看出仿真得到的末端执行器位置曲线与理论分析结果一致。

静力学分析

本文通过有限元软件ANSYSWorkbench对调姿装配机器人进行静力学分析，为了避免机器人在工作过程中出现应力集中现象，并对模型进行优化，采用网格划分、施加约束和载荷的方法。

连杆末端的应力和变形量均小于其材料屈服强度。连杆末端的变形主要是由电机及安装在连杆上的柔性关节产生的弹性变形引起的，因此，通过合理分配材料和优化结构设计，可提高连杆末端的刚度。

考虑到电机的质量、驱动力矩和各部分材料的弹性模量，利用ANSYSWorkbench对该机器人进行静力学分析，计算得到电机在负载作用下的输出力矩、加速度和受力情况。

机器人各部件所受的最大应力均小于材料的屈服强度，但在电机驱动力矩最大时，该部件的应力集中现象较为明显，为了提高电机的刚度和降低电机对机器人的影响，可在连杆上增加一个小臂套，在电机与连杆之间增加柔性关节。

由此可知，随着柔性关节转角的增大，其位移量也随之增大，但该柔性关节所受载荷相对较小。

由于在调姿装配机器人中电机与柔性关节均安装在连杆上，且柔性关节具有一定的阻尼作用，因此在柔性关节所受载荷较大时，可以适当减小电机的转速或减小驱动扭矩，从而避免出现应力集中现象。

本文还通过ANSYSWorkbench对该机器人进行了动态分析，在电机驱动扭矩达到最大时，连杆末端的位移也较大，且在运动过程中有轻微的晃动现象，但通过动态分析可知，该机器人所受最大应力和变形量均小于其材料的屈服强度。

考虑到在狭长空间内，机器人的运动不受限制，因此可以适当提高柔性关节的转动角度，从而提高其刚度。

动力学仿真分析

在装配过程中，机器人在调姿过程中的受力情况十分复杂，对机器人进行动力学仿真分析能更好地了解机器人的运动特性和受力情况。

根据机械臂的设计要求，利用MATLAB软件对机器人的末端执行器进行动力学仿真分析。

对机器人的末端执行器进行运动学分析，可以看出，当X轴与Z轴方向平行时，末端执行器的运动轨迹与所期望的运动轨迹基本吻合；

当X轴与Z轴方向垂直时，末端执行器的运动轨迹偏离期望的运动轨迹。因此可以推断出，末端执行器在空间内的运动轨迹。

该软件可用于研究机械臂在各种工况下的动态特性，包括速度、加速度、冲击等性能，以及通过改变机械臂各关节的驱动力矩来优化机器人动力学性能。

将ADAMS软件得到的运动学结果与MATLAB软件得到的动力学结果进行对比分析。可以看出，ADAMS得到的运动学逆解结果与MATLAB得到的运动学逆解结果基本吻合，误差在允许范围之内，说明ADAMS软件计算出的运动学结果是正确可靠的。

从图10可以看出，两个仿真结果吻合度较高，证明了动力学仿真方法具有一定正确性；两个仿真结果可以看出，机器人末端执行器在调姿过程中受到了较大冲击。

应用前景及发展趋势

随着社会发展和科技进步，工业机器人的应用范围越来越广泛，目前主要应用于航空航天、汽车制造、电子电器等行业。

由于空间狭小和作业对象的多样性，机器人的应用还面临着很多问题，其中之一就是在狭小空间内装配复杂零件时，容易出现卡滞、定位不准等问题，这也是制约机器人在狭小空间内使用的重要因素之一。

除此之外，在狭小空间内操作存在一定的危险性，因此需要机器人具有良好的安全性。针对这些问题，国内外学者开展了大量的研究工作，提出了许多解决方法。

利用滑模控制对机器人的末端执行器进行驱动，在保证轨迹精度的同时可以提高机器人系统的响应速度。

此外，还可以采用干扰观测器来对干扰进行估计，从而减少机器人的不确定性。目前，针对狭小空间内机器人作业问题，主要有两种解决方法：

一是将机器人本体改造为可移动的空间段，扩大机器人作业范围；二是采用智能控制算法，如模糊自适应控制算法、基于滑模控制的位置环控制器等，提高机器人在狭小空间内作业的适应性。

随着机器人技术的发展和进步，未来针对狭小空间内的重载调姿装配机器人将向以下几个方向发展：①结构上变轻变薄；②功能上增加智能识别、辅助操作、多轴协调等功能；③智能化程度更高。

笔者观点

综上所述，随着人们生活水平的提高和社会的进步，人们对产品质量和服务的要求越来越高，而工业机器人作为一种高度智能化、自动化的自动化生产设备，其发展具有重大意义。

但目前国内工业机器人的应用主要集中在低端市场，高端市场仍主要被国外企业所占据，工业机器人的高端应用市场主要集中在汽车、航天、军工等领域。

对于工业机器人产业来说，我国仍处于起步阶段，未来将会迎来高速发展期。随着我国企业对工业机器人应用水平的不断提高，其所生产的产品质量和服务水平也将不断提高。

此外，随着人工智能技术在工业机器人中的不断应用，机器人产业也将迎来新的机遇和挑战。

参考文献

1.王瑞生：面向机器人的智能控制算法研究，《西安理工大学学报（自然科学版）》，,28(6）：33-34。

2.黄庆文：基于机器视觉的物流系统导航，《中国物流与采购》，,12(1)：67-68。

3.王飞：基于视觉的大型仓储货架路径规划与轨迹跟踪控制，《工业工程技术》，,24(2)：37-39。

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