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优化机器人关节的设计思考

2023-05-30 14:49:43 Emily Newton 阅读:
设计人员必须从思考人们如何应用机器人开始。本文分析机械臂关节设计时需要考虑的主要事项...

机器人关节设计(robotic joint design)可能显著提升或妨碍相关机器的运行效率。对于执行各种不同任务的机器人(包括处理易碎物品或与人一起工作的机器人)来说更是如此。针对机器人关节如何协助机器实现各种功能方面,如果设计人员的考虑不够周全,就可能导致后续问题发生。设计人员将能够用透彻和深思熟虑的观点来获得最佳的结果。MdMednc

了解机器人整体用途和理想特性

设计人员必须从思考人们如何应用机器人开始。以下是在分析机械臂关节设计时需要考虑的主要事项:MdMednc

  • 方向:机器人如何在空间内移动,需要多大的物理区才能安全有效地执行任务?
  • 尺寸:机器人的总尺寸是多少?它有多少个关节?
  • 负载能力:机器人在执行一般任务时必须举起和搬运多少公斤的重量? 这些细节决定了关节的最小承载能力。
  • 速度:机器人在运行时移动速度有多快?用户是否会频繁更改其速度?或者速率基本保持不变?
  • 重量:重量减轻主要是在减小关节应力的同时如何提高机械臂的工作效率。例如,研究人员将机械臂的重量减少了10%,导致随后的应力降低了23%。
  • 占空比:占空比表示机器人相关的工作与不工作时间范围。机器人连续工作时间长度,对关节施加的应力大小以及所要求的性能一致性,都将影响机器人的关节设计。 
  • 工作温度:机器人的关节模块包含许多组件,如电机、齿轮系统、制动器、传感器和电缆。齿轮和电动制动器是两种可能的热源,在长时间持续运行时问题会变得更加严重。
  • 环境内的移动:机器人会停留在场所内的一个固定位置还是在周围移动?应用是否需要机械臂的垂直伸展或水平伸展?
  • 精度:机器人的关节设计必须考虑机器人重复动作的精度。这为设计人员如何出色完成工作所进行的选型提供了所需信息。 

选择最合适的类型

大多数机器人关节设计考虑的重点在于如何以最合理的成本获得最佳结果。有些人选择齿轮驱动的旋转轴,因为这样可以搭配较小的输入电机,从而降低功耗。选用这种方案可以降低前期成本,然而,由于齿轮磨损率很高,在解决该问题需要投入许多维修工作,因此维护费用通常高于其他选项。MdMednc

旋转机器人关节有一定的自由度,运动方式与人类肘部相似,大多数机器人手臂都有好几个。此外,有些机器还装配球形关节,从而能够围绕一个点向多个方向移动,类似于人类的肩膀。MdMednc

线性关节则沿单轴滑动。机器人制造商以毫米每秒为单位来表征其最大速度。MdMednc

规划关节的位置 

人们经常使用机器人进行仓库拣货作业。这种机器人通常有多个轴,末端带有夹具。在这些情况下,机器人关节允许设备接触和抓取物品,协助工人最大限度地提高生产率。依靠机器人进行拾取和放置任务或任何其他需要持续高性能作业的任务,意味着必须谨慎选关节的位置。MdMednc

肩关节通常是机器人操纵器上最大的关节,它决定了组件可以转动多少度。它通常位于机器人移动部分的底部。肩关节也会影响机器工作区域的大小。MdMednc

肘关节位于机器人执行器的中间,这是一个最重要因素,决定机器人能举起多重的重量,也在很大程度上影响机器的运动范围。如果机器人必须在受限的操作空间中工作,工程师可以限制肘关节的动作来满足这种需求。MdMednc

最后,腕关节是最接近执行器的工具端,对机器人使用的任何配件都有最大的影响。为了适应现代工业需求,有些腕关节可以移动360度。 然而,这些关节最容易受到环境振动的影响。MdMednc

确认最重要的功能

即使是最先进的机器人关节也有相应的权衡与折衷。参与机器人关节设计的人都必须与客户进行深入对话,了解开发机器人应用的必备属性。MdMednc

通过特定铰链改善机器人关节功能

了解某些关节设计的局限性,通常是克服这些问题并为确保人们以正确方式使用工业机器人而铺路的关键。韩国大邱庆北科学技术院(DGIST)的研究人员就是这样做的。MdMednc

他们认识到,有些关节可以举起重物,但很容易损坏。刚性销关节便是如此,因此对于机械臂可能从侧面受到冲击的应用来说,这是一个糟糕的选择。然而,这种关节类型却很常见,因为它能模仿人类的手指功能。硅胶制成的机械手更耐用,可以抓取异形物体,但不能举太重的重量。MdMednc

研究团队使用刚性连杆并将其连接到交叉弯曲铰链(CFH)而进行了设计折衷。CFH有两个呈X形排列的金属条,支持无摩擦操作,使其在某些方向弯曲,而在其他方向保持刚性。 MdMednc

使用CFH组件制作关节时,机器人手的减震能力提高了46.7%。这只手还可以抓住从一把小扇子到一盒纸巾的各种物品,并可以处理重达4公斤的产品。MdMednc

这个例子表明,人们在没有特定能力的情况下也并非一定要强求。然而,那些专门从事机器人关节的设计者,必须为客户设定准确的期望,同时花时间了解如何最接近具体目标。获得关于人们如何使用带有机器人关节的机器的详细信息,是设计时充分考虑使用者需求的最佳方式,同时对特定关节类型可以做什么和不能做什么也要持开放心态。MdMednc

如何以机器人关节设计取得最佳结果?

文中所列是机器人关节设计的一些原则,人们应该在整个过程中予以充分考虑。随着机器人关节在其用例中变得更加先进和多样化,设计者需要对这些基本原则进行扩展,并利用其实际经验持续为最佳实践实现优化。MdMednc

(原文刊登于EDN姊妹网站EEWeb,参考链接:How to Optimize Robotic Joint Design)MdMednc

责编:Ricardo
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