CN113733159B - 一种小臂展机器人大臂的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种小臂展机器人大臂的设计方法。本发明所述的一种小臂展机器人大臂的设计方法包括：基本参数确认，根据需求确定大臂的有效长度，对二轴关节、三轴电机和三轴关节进行选型，根据所述二轴关节、三轴电机和三轴关节的外形分别确定包覆圆；大臂外形判断；外形参数确定；对外形参数或基本参数进行修正，设计所述三轴电机和三轴关节之间的传动结构，根据所述传动结构的中心距对外形参数或基本参数进行调整修正；对大臂的整体结构进行设计，并对设计完成后的大臂整体方案进行确认。本发明所述的一种小臂展机器人大臂的设计方法具有设计高效且设计出的大臂结构紧凑的优点。

Description

一种小臂展机器人大臂的设计方法

技术领域

本发明涉及机器人领域，特别是涉及一种小臂展机器人大臂的设计方法。

背景技术

工业机器人在先进制造技术领域中扮演着极其重要的角色。六轴机器人具有6个可以相对转动的关节，相对转动的关节称为“轴”，轴臂的旋转运动由每个轴关节中的电机和减速机驱动实现，所述轴臂的总长构成该机器人的臂展长度。六轴机器人的大臂通常由二轴关节驱动并相对一轴轴臂转动，其另一端与三轴轴臂通过三轴关节转动连接，使三轴轴臂能相对所述大臂转动。为降低机器人质心，提高稳定性，通常将三轴关节中的三轴电机后置，即将三轴电机设置在大臂臂体的中段部位上。此时三轴电机通过传动机构驱动所述三轴关节中的三轴减速机转动。

通常情况下，所述大臂为直臂结构，具有走线方便、加工简单等优势。目前，工业机器人向着微小型方向发展，并将服务于人类活动的各个领域。微小型机器人的臂展空间通常较小，电机、减速机结构过于紧凑，需要合理布局防止出现干涉、内部走线困难、运行角度受限等问题。而在具体设计中通常由于各零部件尺寸较大，臂展较短无法达成直线设计。因此为便于进行布局，目前大多数厂家都会对机器人的大臂进行折弯设计，即将三轴电机的安装位置向外凸出形成折弯角，从而满足电机、减速机安装的空间需求。现设计方法为，有经验的技术人员根据电机、减速机的型号大概给出大臂的折弯角度，再根据大臂的有效臂长在计算机上设计出二维或三维模型的初始模型。接着，技术人员在计算机上进行轴关节的模拟安装，并根据干涉等情况对大臂的折弯角度进行反复调整，在不断地尝试过程中得到最优结果。但这种设计过程中需要技术人员积累大量的设计经验，且设计过程费时费力，难以得到最紧凑的大臂结构设计方案。

发明内容

基于此，本发明的目的在于，提供一种小臂展机器人大臂的设计方法，其对折弯型大臂的主要尺寸设计提供了标准化的设计方法，具有设计高效且设计出的大臂结构紧凑的优点。

一种小臂展机器人大臂的设计方法，所述方法包括如下步骤：

步骤S1，基本参数确认，根据需求确定大臂的有效长度L1，对二轴关节、三轴电机和三轴关节进行选型，分别以所述二轴关节、三轴电机和三轴关节的旋转轴轴心为圆心，根据所述二轴关节、三轴电机和三轴关节的外形分别确定包覆圆，所述包覆圆的半径分别记为R2、R31和R32；

步骤S2，大臂外形判断，计算L_总＝k1*R2+2*k2*R31+k3*R32，其中k1、k2、k3为空间预留系数并分别与所述二轴关节、三轴电机、三轴关节对应，当L_总≤L1时，所述大臂设计为直臂结构，所述二轴关节、三轴电机和三轴关节的旋转轴轴心位于同一直线上，即可根据已有设计方法进行设计；当L总>L1时，所述大臂设计为折弯型结构，所述三轴电机的旋转轴轴心设置在所述二轴关节和三轴关节之间并位于所述大臂的折角顶点处，需进行下一步骤；

步骤S3、外形参数确定，将所述二轴关节和三轴关节的旋转轴轴心设置在所述大臂的两端，其距离为有效长度L1，确定所述二轴关节旋转轴轴心到所述三轴电机旋转轴轴心的距离L2，和所述三轴关节旋转轴轴心到所述三轴电机旋转轴轴心的距离L3，使L2、L3满足L2≥k1*R2+k2*R31、L3≥k3*R32+k2*R31；

步骤S4、对外形参数或基本参数进行修正，设计所述三轴电机和三轴关节之间的传动结构，根据所述传动结构的中心距对外形参数或基本参数进行调整修正；

步骤S5、对大臂的整体结构进行设计，并对设计完成后的大臂整体方案进行确认，当方案符合设计要求时则完成大臂的整体设计，当方案不符合设计要求时，对所述k1、k2、k3进行调整修正后回到步骤S3中。

本发明所述的一种小臂展机器人大臂的设计方法，抛弃传统通过折弯角度进行大臂设计的流程，改为利用包覆圆及有效长度进行折弯大臂的设计，大幅降低了对技术人员设计经验的要求，且该设计步骤更为高效，设计的大臂在布局无干涉的情况下结构更为紧凑。

进一步地，在步骤S1中，所述包覆圆需将所述二轴关节、三轴电机或三轴关节完全包覆在内，所述包覆圆的半径为在其最小值的基础上增加5-10mm。保证包覆圆将所述二轴关节、三轴电机或三轴关节完全包覆在内。

进一步地，在步骤S3中，所述L2和L3的数值应尽可能小。由于在L1确定的情况下，L2与L3越大，其大臂综合结构尺寸越大，且重心偏移量会更多，故要求L2与L3应该尽量小。为了降低二轴电机负载，要求使所述L2尽可能的小，以保证大臂结构重心偏下，降低电机所需要的转矩。

进一步地，所述k1、k2、k3的取值如下：

当所述空间预留系数对应的关节或电机在运转过程中，有与机器人本体发生碰撞的风险时，其取值范围为1.5-2；

当所述空间预留系数对应的关节或电机有特殊结构设计或加装部件或过线，且在运转过程中所述特殊结构设计或加装部件或过线有碰撞风险时，或当所述空间预留系数对应部位需预留作业空间时，其取值范围为1.1-1.5；

当所述空间预留系数对应的关节或电机无上述风险且无需预留作业空间时，其取值范围为1-1.1。

所述取值在保证大臂运转不发生碰撞的情况下，能使L2、L3避免尺寸过大造成不必要的结构冗余，提高大臂的结构紧凑性。

进一步地，所述对大臂整体方案进行确认包括:确认大臂结构整体未出现干涉、确认有充足的过线位置和作业空间和确认有足够的二轴关节与三轴关节的转角空间，当符合上述条件时，则完成大臂的整体设计。对大臂运转中的关键部位进行确认，保证大臂设计的合理性。

进一步地，所述设计方法还包括步骤S6：结构优化，对设计得到的大臂进行强度校核并设置加强筋。所述结构优化可进一步提高大臂的强度。

进一步地，若需要对大臂的整体结构进行调整，则返回步骤S5中，若无需对大臂的整体结构进行了调整，则完成大臂的结构优化设计。进一步提高大臂的紧凑性。

进一步地，所述结构优化利用有限元进行力学仿真。利用有限元进行仿真能反映特殊部位对大臂强度产生的影响，分析结构更准确。

进一步地，在步骤S4中，所述L3修正确定后，需对所述传动结构进行强度校核。保证传动结构的强度。

进一步地，所述传动结构为同步带结构或齿轮结构。所述传动结构简单紧凑，便于设计。

为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。

附图说明

图1为所述一种小臂展机器人大臂设计方法的流程示意图；

图2为大臂外形判断的示意图；

图3为案例中大臂有限元仿真云图；

图4为本案例中大臂的加强筋结构。

具体实施方式

请参阅图1-2，图1为所述一种小臂展机器人大臂设计方法的流程示意图；图2为大臂外形判断的示意图。本发明公开了一种小臂展机器人大臂的设计方法，该机器人为三轴电机后置、二轴电机与减速机同轴直连的结构其设计步骤包括：

步骤S1，基本参数确认，根据需求确定大臂的有效长度L1，对二轴关节、三轴电机和三轴关节进行选型，分别以所述二轴关节、三轴电机和三轴关节的旋转轴轴心为圆心，根据所述二轴关节、三轴电机和三轴关节的外形分别确定包覆圆，所述包覆圆的半径分别记为R2、R31和R32。优选地，所述包覆圆需将所述二轴关节、三轴电机或三轴关节完全包覆在内，所述包覆圆的半径为在其最小值的基础上增加5-10mm。

步骤S2，大臂外形判断，计算L总＝k1*R2+2*k2*R31+k3*R32，其中k1、k2、k3为空间预留系数并分别与所述二轴关节、三轴电机、三轴关节对应，当L_总≤L1时，所述大臂设计为直臂结构，所述二轴关节、三轴电机和三轴关节的旋转轴轴心位于同一直线上，即可根据已有设计方法进行设计；当L_总>L1时，所述大臂设计为折弯型结构，所述三轴电机的旋转轴轴心设置在所述二轴关节和三轴关节之间并位于所述大臂的折角顶点处，需进行下一步骤。

本案还给出空间预留系数的推荐值，所述k1、k2、k3的取值如下：

当所述空间预留系数对应的关节或电机在运转过程中，有与机器人本体发生碰撞的风险时，其取值范围为1.5-2；

当所述空间预留系数对应的关节或电机有特殊结构设计或加装部件或过线，且在运转过程中所述特殊结构设计或加装部件或过线有碰撞风险时，或当所述空间预留系数对应部位需预留作业空间时，其取值范围为1.1-1.5；

当所述空间预留系数对应的关节或电机无上述风险且无需预留作业空间时，其取值范围为1-1.1。

所述特殊结构设计为电机或减速机本身根据实际使用情况而进行的额外延伸结构设计，比如电机刹车、接线头或缠绕半径过大的电机线绕线等非常规结构布置。所述作业空间多为便于电机或减速机安装而预留的螺丝孔扳手位。

步骤S3、外形参数确定，将所述二轴关节和三轴关节的旋转轴轴心设置在所述大臂的两端，其距离为有效长度L1，确定所述二轴关节旋转轴轴心到所述三轴电机旋转轴轴心的距离L2，和所述三轴关节旋转轴轴心到所述三轴电机旋转轴轴心的距离L3，使L2、L3满足L2≥k1*R2+k2*R31、L3≥k3*R32+k2*R31。所述L2和L3的数值应尽可能小，优选情况下可根据上述公式取得最小值。

步骤S4、对外形参数或基本参数进行修正，设计所述三轴电机和三轴关节之间的传动结构，根据所述传动结构的中心距对外形参数或基本参数进行调整修正。所述L3修正确定后，需对所述传动结构进行强度校核。所述传动结构为同步带结构或齿轮结构。

步骤S5、对大臂的整体结构进行设计，并对设计完成后的大臂整体方案进行确认，确认内容包括确认大臂结构整体未出现干涉、确认有充足的过线位置和作业空间和确认有足够的二轴关节与三轴关节的转角空间等。当符合上述条件时，则完成大臂的整体设计。当方案符合设计要求时则完成大臂的整体设计，当方案不符合设计要求时，对所述k1、k2、k3进行调整修正后回到步骤S3中。

步骤S6、结构优化，对设计得到的大臂进行强度校核并设置加强筋。所述结构优化为利用有限元进行力学仿真，在得出大臂模型的应力和变形云图后，采用图像识别或其他手段去的变形云图主要的变形等线，在改线的方向和垂直方向建立加强筋，而非采用传统的米字形加强筋，更符合折弯型大臂的强度需求。若需要对大臂的整体结构进行调整，则返回步骤S5中，若无需对大臂的整体结构进行了调整，则完成大臂的结构优化设计。

下面给出实际案例辅以说明：本案例以一款小臂展六轴机器人设计思路为例，验证上述设计方法的合理性：

1、参数确认。本机基于初步电机负载转矩选型计算以及机器人运动学规划，初步确定大臂的有效长度L1为220mm。二轴关节中，二轴电机为200W伺服电机，标准尺寸为60mmX60mm正方形，二轴减速机最大半径为45mm，故二轴关节部分设定包覆半径R2为50mm。三轴电机采用100W电机，标准尺寸为40mmX40mm正方形，将三轴电机部分设定包覆半径R31为40mm。三轴关节中，三轴减速机最大半径为42mm，故三轴减速机部分设定包覆半径R31为50mm。

2、大臂外形判断。依据上述公式，代入各包覆圆半径的数值，由于二轴部分为电机安装位，此处需要过线并且预留电机安装的作业空间，故取系数为1.2；三轴电机同理需要过线并且预留电机安装的作业空间，故取系数为1.1；三轴减速机位置不需要固线，但四轴本体在转动过程需要预留空间防止碰撞，其中依据四轴结构初步确定安全距离为100mm，故取系数为2，得到：

1.2*50+2*1.1*40+2*50＝248>L＝220

根据上述结果判定此时需要按折弯形式设计大臂。

3、外形参数确定。

按照三个轴心距离进行三角形的三边确认，得到如下约束条件：

L2>1.2*55+1.1*40＝104

L3>2*50+1.1*40＝144

按照设计准则，初定参数L2＝105，L3＝145；

4、对外形参数或基本参数进行修正。

本案例中，三轴电机与减速机通过同步带传动，由于同步带为标准件设计，最终同步带设计中心距为146.5(具体设计参照同步带标准设计，此处不详细介绍其选型计算)，同时同步带安装需要一定空间作为安装和调整，故将L3修正为150mm。

5、对大臂的整体结构进行设计，并对设计完成后的大臂整体方案进行确认。按照上述基本设计参数进行大臂的整体结构设计，完成后，确认整个大臂结构是否会出现干涉、过线位置不足、作业空间不足等情况，适当修正大臂结构；

6、结构优化。对于上述大臂设计，需要基于强度考虑对大臂进行加强。

如图3所示，对其进行有限元仿真，其形变云图出现近似平行的等位移线，改线与水平位置夹角约为60度，故设计加强筋角度为60度、150度，如图4所示。

本发明所述的一种小臂展机器人大臂的设计方法，抛弃传统通过折弯角度进行大臂设计的流程，改为利用包覆圆及有效长度进行折弯大臂的设计，大幅降低了对技术人员设计经验的要求，且该设计步骤更为高效，设计的大臂在布局无干涉的情况下结构更为紧凑。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，则本发明也意图包含这些改动和变形。

Claims (9)

1.一种小臂展机器人大臂的设计方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤S1，基本参数确认，根据需求确定大臂的有效长度L1，对二轴关节、三轴电机和三轴关节进行选型，分别以所述二轴关节、三轴电机和三轴关节的旋转轴轴心为圆心，根据所述二轴关节、三轴电机和三轴关节的外形分别确定包覆圆，所述包覆圆的半径分别记为R2、R31和R32；

步骤S2，大臂外形判断，计算L_总＝k1*R2+2*k2*R31+k3*R32，其中k1、k2、k3为空间预留系数并分别与所述二轴关节、三轴电机、三轴关节对应，当L_总≤L1时，所述大臂设计为直臂结构，所述二轴关节、三轴电机和三轴关节的旋转轴轴心位于同一直线上；当L_总>L1时，所述大臂设计为折弯型结构，所述三轴电机的旋转轴轴心设置在所述二轴关节和三轴关节之间并位于所述大臂的折角顶点处，需进行下一步骤；

步骤S3、外形参数确定，将所述二轴关节和三轴关节的旋转轴轴心设置在所述大臂的两端，其距离为有效长度L1，确定所述二轴关节旋转轴轴心到所述三轴电机旋转轴轴心的距离L2，和所述三轴关节旋转轴轴心到所述三轴电机旋转轴轴心的距离L3，使L2、L3满足L2≥k1*R2+k2*R31、L3≥k3*R32+k2*R31；

步骤S4、对外形参数或基本参数进行修正，设计所述三轴电机和三轴关节之间的传动结构，根据所述传动结构的中心距对外形参数或基本参数进行调整修正；

步骤S5、对大臂的整体结构进行设计，并对设计完成后的大臂整体方案进行确认，当方案符合设计要求时则完成大臂的整体设计，当方案不符合设计要求时，对所述k1、k2、k3进行调整修正后回到步骤S3中。

2.根据权利要求1所述的一种小臂展机器人大臂的设计方法，其特征在于：在步骤S1中，所述包覆圆需将所述二轴关节、三轴电机或三轴关节完全包覆在内，所述R2、R31和R32的取值分别为在其最小值的基础上增加5-10mm。

3.根据权利要求1所述的一种小臂展机器人大臂的设计方法，其特征在于：在步骤S3中，所述L2＝k1*R2+k2*R31，L3＝k3*R32+k2*R31。

4.根据权利要求3所述的一种小臂展机器人大臂的设计方法，其特征在于，所述k1、k2、k3的取值如下：

当所述空间预留系数对应的关节或电机在运转过程中，有与机器人本体发生碰撞的风险时，其取值范围为1.5-2；

当所述空间预留系数对应的关节或电机有特殊结构设计或加装部件或过线，且在运转过程中所述特殊结构设计或加装部件或过线有碰撞风险时，或当所述空间预留系数对应部位需预留作业空间时，其取值范围为1.1-1.5；所述特殊结构为电机或减速机的额外延伸结构；

当所述空间预留系数对应的关节或电机无上述风险且无需预留作业空间时，其取值范围为1-1.1。

5.根据权利要求1所述的一种小臂展机器人大臂的设计方法，其特征在于，所述设计方法还包括步骤S6：结构优化，对设计得到的大臂进行强度校核并设置加强筋。

6.根据权利要求5所述的一种小臂展机器人大臂的设计方法，其特征在于：对步骤S6，若需要对大臂的整体结构进行调整，则返回步骤S5中，若无需对大臂的整体结构进行了调整，则完成大臂的结构优化设计。

7.根据权利要求6所述的一种小臂展机器人大臂的设计方法，其特征在于：所述结构优化为利用有限元进行力学仿真。

8.根据权利要求1所述的一种小臂展机器人大臂的设计方法，其特征在于：在步骤S4中，所述L3修正确定后，需对所述传动结构进行强度校核。

9.根据权利要求8所述的一种小臂展机器人大臂的设计方法，其特征在于：所述传动结构为同步带结构或齿轮结构。

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