刘保江
河北工程大学 河北省邯郸市056004
摘要：本文主要探究移动机械人双臂结构设计以与运动仿真。研究过程中，以机器人双臂工作原理及构型为切入点，从摆臂设计、尺寸、夹紧装置、结构轻量化这几方面出发，设计机械臂结构，并进行运动仿真，验证了该机器人双臂结构模型正确性，与机器人设计要求相符。
关键词：移动机器人；双臂结构；结构设计；运动仿真
随着智能化时代来临，人们科技与生活水平逐渐提高，机器人作为新时代产物，从初期的仅能应用于工厂的重复机械动作机器人，到借助传感器感知外界信息做出行为的机器人，再到拥有学习能力、可进行复杂任务的机器人，广泛应用于各个行业，获得了良好效果。为了能够提高机器人柔顺性与灵活性，有助于机器人与障碍运动，则应当扩展为双手协调控制，设计双臂结构，以此将移动机器人作用充分发挥出来。
一、机器人双臂原理与构型
1.工作原理
机器人双臂结构某种程度上可将其看作单臂协同工作，两者之间存在依赖关系，彼此能够通过传感器分享数据，且控制器之间可实现通信，使得一个臂能够及时反映另一个臂的动作轨迹决策与规划，实现双臂协调工作，与人体双臂协调类似。
2.构型
机械臂形状对于移动机器人工作具有重要影响，为保证机械臂在物体抓取后能够判断所处位置，将其移动至指定地点，机械臂构型对于其行动自由度具有重要影响。因此，在机器手臂设计中，可根据七度自由划分理论进行划分，接近人体手臂构型，可模仿人体手臂运动[1]。
二、移动机器人双臂结构设计
1.摆臂设计
测量移动机器人底盘获得以下数据，L1为640mm；L2为370mm，r为70mm,R为150mm,B（车体宽度）为677mm，G为600N[2]。
通过以下公式分析机器人越障高度：
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通过（3）式可求出α，将其带入（2）式中，即可计算出机器人跨越最大高度障碍为300mm。
2.尺寸
移动机器人是为人服务，在设计双臂中尺寸模型为重要考虑因素，可从人体力学出发，综合考虑人的外形尺寸与关节转角，保证各部分比例协调。本文考虑移动机器为人服务，结合亚洲人身材比例特点，便于人机交互，设置机器人初始尺寸：初始身高为1.78m，肩宽为0.48m，头部高度为0.23m，小臂为0.26m，大臂为0.34m，手腕为0.10m，为保证机器人最佳效果，其尺寸模型并不确定，可在一定区间内上下浮动[3]。
3.夹紧装置
（1）夹持器。在工件上夹持器夹紧力作为机械臂手部设计依据，应当对其方向、大小、作用点进行计算分析，对工件手指夹紧力公式如下：
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其中，K1为安全系数，根据机械手设计及工艺要求确定，一般为1.2-6，该设计去安全系数1.6；K2为工件情况系数，易被惯性力影响；K3为方位系数，可结合工件位置、形状及手指选择。结合上述公式带入数据，即可获得该工件夹紧力为80N。
（2）蜗杆参数。基本参数为z1（齿数）为1，m（模数）为1，d1（分度圆直径）为18mm，q（直径系数）为18，螺纹长度为18mm。计算驱动力公式：
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通过计算后取值为980N。蜗杆圆周力为27.22N，电机功率约为4W。
（3）蜗轮参数。基本参数为z2（齿数）为40，m（模数）为1，d2（分度圆直径）为40mm。
4.结构轻量化
在移动机器人设计中，通过轻量化能够将其应用到探索世界、工业加工及军事勘察中，为人们提供全面服务，且在国际市场与高新技术带动下，移动机器人应用愈发广泛，我国市场上一系列符合人们需求的机器人大规模开放，需通过材料、电机等实现轻量化设计。
（1）材料选择
为实现机械臂轻量化结构设计，科学选择机械臂材料十分重要[4]。当前市场中机械臂框架材料多应用铝合金，其中以2A12铝合金为主。但是，经过试验后发现2A12铝合金仍存在一定缺点，较低的屈服强度导致利用2A12铝合金进行机械设计具有良好固溶处理塑性，而7075-T6铝合金则具有导电导热性好、质量轻、强度高、可延展性抢的特点，两者对比见表1。
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根据表1可知，两种铝合金性能相同下，即弹性磨量与泊松比相同，7075-T6铝合金密度小于2A12铝合金，且屈服强度高于2A12铝合金，可见，7075-T6铝合金能够提高屈服强度的同时将机械臂重量降低，因此该机械臂结构应用7075-T6铝合金。
（2）电机选择
电机选择中需考虑电机类型、关节承受最大角速度与力矩，估算电机应用功率，按照最佳方式选择参数，电机通常低速工作下力矩较小，无法达到机械臂力矩需求，因此，需要为电机添加减速器，使其能够在低速运转中也能有大力矩产生，选择拥有减速功能的进步电机。
（3）拓扑轻量化
拓扑优化是将优化区域划分为多个小区域，对部分小区域进行优化，即按照优化方法与设计方案，将分割的小区域中将某些区域去除，应用剩余区域表达最优拓扑结构。在应用相对密度法时，设计区域划定密度为变化树脂，其可在0-1内变动，为1的单位密度则保留草料，0的单位密度则将材料删除，以获得最佳结构材料分布。机械臂拓扑优化前最大应力值为34.85MPa,优化后35.58MPa，变化不大，在材料允许应力内；大臂位移又花钱最大值0.1798mm，优化后为0.2013mm，为可接受误差内；质量优化前为2.10kg，优化后1.78kg，减重效果显著。
三、运动仿真
利用MATLAB的仿真功能，在Robotics toolbox环境下进行双臂机器人数学模型建立，分析运动轨迹。
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并且，通过ADAMS机械臂运动仿真，使用Solid Works构建双臂三维模型，保存为文件，在ADAMS中将双臂数据文件导入其中，在其中重新构建约束关系，创建运动副与约束副。并且，在机械臂末端添加驱动，在关节位置零部件添加驱动函数，定义好约束与驱动后，即可仿真检测，整体时间3s，步长300，双臂工作中底座假设旋转电机不动，即可获得在坐标系中双臂加速度、速度与位移曲线图。结果表明该机械臂运动稳定，加速曲线具有波动，表明物体抓取中实现双臂瞬间减速。
总结：综上所述，随着科技的不断发展，移动机器人与人的关系愈发密切，广泛应用于工业加工、野外探索中。为进一步提高机器人效用，则可设计双臂机器人，相较于单臂实现了双手协调控制，促进了系统柔顺性提高，实现机器人稳定工作。
参考文献：
[1]高国华,郑玉航,王皓.双臂三自由度柔性连续体机器人的运动分析及实验研究[J].北京工业大学学报,2020,46（05）:448-455.
[2]张玉林,陈勇林.基于ROS平台的移动机器人运动分析与仿真[J].机器人技术与应用,2018（05）:37-41.
[3]魏永乐,房立金.带柔索双臂巡检机器人运动学建模与仿真[J].辽宁工程技术大学学报（自然科学版）,2018,37（02）:389-395.
[4]陶永奎,李骏,龙传猛,邢瑞泽.移动机器人的双臂结构设计与运动仿真[J].机电工程技术,2017,46（11）:71-76.
简介:刘保江（2000年6月），性别男，民族汉，学生，河北工程大学，研究方向:智能制造，单位所在省市:河北省邯郸市，邮编:056004（邯郸市丛台区的）