轻型臂的结构设计(共22页)

1、精选优质文档-倾情为你奉上第1章 轻型臂的结构设计1.1 引言本章将从用户的设计指标出发，首先确定轻型臂的构型及基本杆件参数；然后，结合绪论中当前轻型臂结构设计的特点，提出轻型臂的结构方案；在此基础上，设计轻型臂的关节驱动器和传动装置，对轻型臂的关键结构件进行强度分析。1.2 轻型臂的设计指标本文的预期目标是研制一款可折叠的轻型机械臂、手爪系统原理样机。表1-5是用户提出的设计指标，它是本文轻型臂结构设计的主要依据。表2-1用户设计指标Tab.2-1 Customers design index指标分类指标项目具体要求构型自由度数目4个臂杆2个尺寸完全伸展长度约1.5m可达工作空间以基座为中心

2、，半径约1.5m的1/4球体精度重复定位精度小于±4mm重量轻型臂重量不超过10kg手爪重量不超过0.5Kg末端负载大于2kg功率整机功率不超过55W1.3 轻型臂的构型选择根据设计要求，轻型臂具有四个自由度。对于串联的运动连杆，关节的数目等于要求的自由度数目，所以本文的轻型臂需要四个关节。对于大多数n(n6)自由度的机械臂，都是由最后的n-3个关节确定末端执行器的姿态，且他们的轴线相交于腕关节原点，而前面的3个关节用于确定腕关节原点的位置。采用这种方法设计的机械臂，可以认为是由定位机构及其后部串联的定向结构或手腕组成的。根据机器人学中的知识，可以知道这类机械臂具有封闭的运动学解。另

3、外，定位结构无一例外的采用这样一种简单的运动学构型：连杆转角为0°或者±90°，连杆长度不同，但连杆偏距都为0。按照前三个关节（定位机构）的设计形式，通常有以下类型的机械臂：笛卡尔型机械臂，圆柱坐标型机械臂，球面坐标型机械臂，SCARA型机械臂，关节型机械臂等。结合设计指标中对轻型臂的运动空间的要求，可以选择球面坐标型机械臂和关节型机械臂。比较球面坐标型机械臂和关节型机械臂，球面坐标型机械臂的前三个关节运动形式为：转动转动移动，而关节型机械臂的前三个关节运动形式为：转动转动转动。图 2-1 轻型臂构型Fig. 2-1 Configuration设计人员发现，对于同

4、样尺寸的转动关节和移动关节，转动关节所实现的运动空间要远大于移动关节。考虑极端情况，当使机器人具有相似的工作空间体积时，制作笛卡尔型机械臂（前三个关节均为移动关节）要比制作关节型机械臂（前三个关节均为转动关节）消耗更多的材料。另外，与其它构型的机械臂相比，关节型机械臂在工作空间内干涉最小，具有最优的结构31。所以本文决定采用关节型机械臂。关节型机械臂通常由腰关节大臂绕竖直轴旋转，肩关节大臂相对于水平面俯仰，肘关节小臂相对于水平面俯仰且关节轴线通常平行于肩关节，和位于操作臂末端的腕关节组成。最常见的腕关节构形有两个或三个正交的旋转关节组成。本文的轻型臂一共有四个自由度，前三个关节用于确定腕关节原

5、点的位置，所以腕关节只能有一个自由度。考虑到设计指标对轻型臂的可折叠性要求，腕关节采用俯仰的形式，且关节轴线平行于肘关节。综上，结合设计指标分析后，本文初步确定轻型臂具有四个旋转自由度，构型为旋转俯仰俯仰俯仰，如图2-1所示。1.4 轻型臂的基本杆件参数的确定1.4.1 臂杆长度的确定根据设计指标，轻型臂具有2个臂杆，完全展开后长度约1.5m，并且还要具备可折叠性。即满足以下约束条件： (2-1)式(2-1)中：为大臂长度，为小臂长度，为末端手爪长度。如图2-2、图2-3所示。图2-2 完全展开状态的几何构型 图2-3折叠状态的几何构型Fig. 2-2 Configuration when f

6、ully deployed Fig. 2-3 Configuration when puckered暂不考虑关节角度的影响。显然，满足以上杆长约束条件的轻型臂，也满足设计指标对工作空间的要求。但是连杆长度不同，对轻型臂的可操作度具有很大影响38。可操作度被定义为，对于非冗余的机械臂，简化为。一个机械臂的可操作度值越大，其灵巧工作空间也越大，该机械臂的设计则越好。下面将以可操作度为优化目标，对连杆长度进行优化。建立如图2-4所示的轻型臂几何模型图2-4 轻型臂几何模型Fig. 2-4 Geometrical model of LWR 在基座坐标系中，手爪末端点的位置为 (2-2)式(2-2)中：

7、为大臂旋转角度，为大臂俯仰角度，为小臂俯仰角度，为末端手爪俯仰角度，为手爪的姿态。对式(2-2)求导，可得 (2-3)根据雅克比矩阵的定义31，得到，该四自由度轻型臂的雅克比矩阵。 (2-4)式2-4中： 所以该轻型臂的操作度 (2-5)利用Matlab的遗传算法工具箱寻求可操作度的最大值，设定好，的初值范围，以及杆长约束条件后，开始计算。迭代1000次之后的结果如图2-5、图2-6所示。图2-5 当前最佳变量值 图2-6变量之间平均差异Fig. 2-5 Currently best individual Fig. 2-6 Fitness value各个变量迭代终止后的结果为，进行取整后为，(

8、单位为毫米)。1.4.2 关节的转动范围和运动空间的确定在杆件的长度已确定的情况下，关节的转动范围将决定轻型臂的运动空间。关节的转动范围首先应保证轻型臂可折叠、可完全展开；其次，应满足设计指标中对轻型臂运动空间的最低要求，如图2-7、图2-8所示。 图2-7运动空间平面图 图2-8运动空间立体图Fig. 2-7 Work space in front and top view Fig. 2-8 Work space in isotropic view须满足以下约束条件： (2-6)式中：，为（）的最大值和最小值。结合以上约束条件，初步确定各关节的运动范围如下： (2-7)则轻型臂的运动空间，如

9、图2-9、图2-10所示。图2-9运动空间XOZ平面图 图2-10运动空间XOY平面图Fig. 2-9 Work space in XOZ Fig. 2-10 Work space in XOY1.4.3 关节的定位精度的确定设计指标中对轻型臂末端的定位精度提出了要求，即绝对定位精度为±10mm，重复定位精度为±4mm。这些精度要求都是针对轻型臂末端提出的，是各个关节的定位误差综合作用的结果。在设计时，难以直接针对轻型臂末端的定位精度进行设计，所以，需要将这些精度指标分配到各个关节上。假设各个关节的定位精度或定位误差相同，为，相当于各关节绕各自的轴线产生了一个微动，下面将利

10、用利用机器人微动理论31求解各个关节的定位误差。首先建立如图2-11所示D-H关节坐标系，D-H参数如表2-2所示。 表 2-2 D-H参数Tab. 2-2 D-H parameter关节变量范围1090°0-150o150o27160°00o150o36430°0-120o180o42000°0-120o180o图 2-11 D-H坐标系 Fig. 2-11 D-H coordinates则轻型臂的末端相对于基座坐标系的坐标变换矩阵为，其中， (2-8)若第个关节绕关节轴线即旋转，则相对于前一个关节，该关节的微动变换矩阵为 (2-9)此时，轻型臂的末端

11、相对于基座坐标系的坐标变换矩阵变为 (2-10) 式(2-10)展开时，忽略了含有微动矩阵相乘的高次项。所以， (2-11)将式(2-9)代入式(2-11)后，得 (2-12)式(2-12)中，图2-12 关节微动与手爪末端微动Fig. 2-12 Differential kinematics of joints and end manipulator如图2-12所示，手爪末端微动量为。通过在Matlab中计算得出，若为定值，当时，取最大值，此时，这就是由于关节的定位误差引起的轻型臂末端的定位误差。所以，设计指标中轻型臂末端的重复定位精度±4mm, 相当于关节的相对定位精度为

12、7;4/52.941±0.0756o。这里作保守的估算，确定设计时关节的重复定位精度为±0.05o。1.5 轻型臂的结构设计方案1.5.1 整体设计方案整体设计方案关节模块化。依据绪论1.3节的分析，轻型臂关节的结构主要有两种形式，即机电集成式模块化关节和分离式关节。分离式关节关节虽然具有响应快、重量轻、可以将前三个关节的驱动电机置于基座下面等优点，但是由于线绳通过滑轮在臂杆内部缠绕复杂，并且需要考虑线绳的张紧和定期更换问题，且难以实现大减速比。所以本文不宜采用此种设计方法。而模块化关节集关节驱动、减速、传感系统于一体，集成度较高，既减小了动力传递路径，又可以就近采样传感期

13、信号，可靠性较高32。关节模块化设计的最大优点在于能够最大限度地减少关节结构的差异，提高设计效率和加工效率，增强关节零部件之间的互换性，易于调试和检修49,50,51。所以本文将采用关节模块化设计思想进行轻型臂的结构设计。同时，充分考虑关节之间的差异性，根据关节负载能力的不同，将四个关节按结构不同分为两组。其中腰关节和肩关节的结构相同，肘关节和腕关节的结构相同。1.5.2 传动机构方案传动机构方案低功率，高减速比，大力矩输出。第2.2节中设计指标对轻型臂的整机功率的有严格的限制，所以驱动器的功率和力矩输出也间接受到了制约，这与各关节的大力矩输出产生矛盾，所以，本文将选用大减速比的传动机构来解决

14、这个问题。通常情况下，只采用一种减速装置实现大的减速比是不切实际的，实际设计中经常采用多种减速装置串联的方式，逐级减速。机器人常用的减速机构有谐波减速器、RV摆线针轮减速器、蜗轮蜗杆、滚珠丝杠、齿轮系、同步带、线绳传动等。本课题的设计指标对整机质量有严格的限制，所以这里不宜采用RV摆线针轮减速器。滚珠丝杠用于将旋转运动转换为直线运动，涡轮蜗杆尺寸重量较大且润滑复杂，线绳传动必须考虑线绳的张紧且需要定期更换，所以这里均不能采用。所以这里可用的减速机构有谐波减速器、齿轮系、同步带。1.5.3 关节结构方案关节结构方案垂直式结构。关节的结构主要包括驱动装置和传动装置。驱动装置这里假设为电机。在设计关

15、节的传动机构时，应结合关节的结构形式，考虑传动机构的布置形式。为实现大减速比传动，本文的传动装置首先应包括谐波减速器和行星减速器，然后结合关节的结构形式再选用其它类型的传动装置如齿轮系、同步带等。关节结构可视为由两部分组成输入端和输出端，驱动装置所在的部分为输入端，谐波减速器所在的部分为输出端，输入端和输出端的轴线可以平行也可以垂直。另外，关节是否需要制动器应视关节输出端所承受的最大转矩能否够克服传动装置的最大静摩擦力。制动器应始终保持与电机同轴。关节结构方案一关节结构方案二关节结构方案三关节结构方案四图2-13 关节结构方案Fig. 2-13 Schemes of joint structu

16、re如图2-13所示，这里一共提出四种关节结构方案（蓝色虚线所示为关节大致轮廓，红色实线所示为动力传递路径）。方案一，与美国“勇气号”火星车上搭载的轻型臂的关节结构类似，输入端与输出端的中心轴线平行并且同轴，这种方案结构简单，动力传递路径短，但在长度方向尺寸较大，也无法实现电气中心孔走线。方案二，输入端与输出端的中心轴线平行但不同轴，而是保持一个偏置，这里通过一个同步带将输入端与行星减速器连接起来，这种方案的长度方向尺寸比方案一小，但动力传递路径也比方案一长，同样不利于电气中心孔走线。方案三，输入端与输出端的中心轴线垂直，这里通过一对轴线垂直的齿轮来实现运动方向的转换。这种方案的动力传递路径长

17、度和方案二相等，可以实现电气中心孔走线，但高度方向尺寸较大。方案四，输入端与输出端的中心轴线垂直，并且输入端与行星减速器保持一个偏置，这里通过一个同步带将输入端与行星减速器连接起来，通过一对轴线垂直的齿轮来实现运动方向的转换。这种传动装置最多，结构最为复杂，动力传递路径最长，但结构紧凑，尺寸适中，并且有利于实现电气中心孔走线。四种结构方案的优缺点如表2-3所示。比较四种结构方案，重点考虑外形尺寸，结构是否紧凑，以及能否实现中心孔走线，本文选择结构方案四。表 2-3 四种关节结构方案比较Tab. 2-3 Comparison of four schemes of joint structure方

18、案一方案二方案三方案四传动装置2种3种3种4种结构紧凑外形尺寸中心孔走线××1.5.4 电气走线方案电气走线方案电气中心孔走线，接口处靠弹簧插针实现电气连接。因为轻型机械臂多安装于移动的平台上，工作于复杂的环境中，外部走线容易与环境接触导致磨损，也可能受到外界干扰，并且外部走线也限制了关节的转动范围。而内部走线则没有以上缺点，如果关节电路与底层处理器之间采用高速串行通信，则关节中心孔内的电气线缆的数目会大为减少，中心孔直径也会相应的减小。1.5.5 传感系统方案传感系统方案机电集成和智能化，关节内集成多种传感器及其信号处理电路。除了需要传统的位置传感器用来实现基本的位置控制

19、之外，还应从轻型臂自身以及人的安全角度出发，考虑轻型臂的柔顺性。而为了实现轻型臂的主动柔顺性，就必须使其具备一定的力感知功能。本文将设计一种关节力矩传感器，为轻型臂的柔顺性控制创造基础。为减少关节的传感器信号在传输过程中受到干扰，应将传感器的信号处理电路集成在关节内部，经过信号处理、A/D采样后串行输出。1.6 模块化关节的结构设计1.6.1 关节负载能力的估算设计指标对轻型臂的重量和负载提出了要求，即轻型臂自身重量不超过10kg，末端手爪重量不超过0.5Kg，末端负载要大于2kg。下面将结合以上指标，对各个关节的输出转矩进行估算。首先作出以下两个假设。假设1：轻型臂的各部分重量如下，腰关节、

20、肩关节重量相同，为1kg；肘关节、腕关节重量相同，为0.9 kg；大臂重量为0.5kg；小臂重量为0.4kg；末端手爪重量为0.5kg；末端负载为2kg。假设2：各个关节的重心在各自的旋转轴线上；大臂和小臂在长度方向截面相同且质量均匀，即其重心在几何中心上；末端操作器与负载的重心重合；末端操作器与腕关节的重心在水平方向的距离为120mm。 图2-14 关节受力简图Fig. 2-14 Schematic diagram of force on LWR如图2-14所示，轻型臂完全伸展开，匀速运动至（或者静止）在水平方向时，通过计算得，肩关节所受转矩，肘关节所受转矩。表 2-4 所计算的各关节力矩T

21、ab. 2-4 Calculated joint Torgue腰关节肩关节肘关节腕关节水平方向关节力矩61.6 Nm61.6 Nm26.1 Nm26.1 Nm关节承受最大力矩67.8 Nm67.8 Nm28.7 Nm28.7 Nm考虑到关节在加减速时的惯性力、连杆牵连运动产生的哥氏力的影响，关节所受最大力矩应为1.1倍。这里，基于关节模块化设计思想，腰关节所受转矩的大小与肩关节相同，腕关节所受转矩的大小与肩关节相同。各关节所受最大力矩如表2-4所示。1.6.2 关节驱动器的选型一般说来，对于负载小于100 kg的机械臂，应优先考虑电动驱动器。目前，在机器人中，应用比较广泛的电动驱动器包括永磁直

22、流伺服电机，永磁同步交流伺服电机，无刷直流电机和步进电机。与永磁直流伺服电机相比，无刷直流电机具有高可靠性、高效率、免维护、无噪声、高速度范围、容易散热等优点；另外，无刷直流电机的成本和控制复杂程度要低于永磁同步交流伺服电机，并且不会像步进电机那样出现失步，所以这里选用直流无刷电机作为驱动器。设计指标中对轻型臂的整机功率提出了要求，即不超过55W。作为轻型臂的主要功率消耗元件，无刷电机的功率应当受到限制。本文中的轻型臂具有四个关节，每个关节有一个电机。考虑到其它功耗原件，所以单个电机的功耗最好不要超过13 W。本文选用瑞士Maxon公司的开发的EC-max系列无刷直流电机，腰关节和肩关节的电机

23、型号分别为EC-max-22-和EC-max-16-。这两种型号的无刷电机的额定电压相等，都是24V，有利于简化电源电路的设计。单个电机的功率都不超过13 W，四个电机的功率总和为40W，为其它电气元件预留了一定的功率储备。1.6.3 关节传动比设计假设传动机构的效率总为，则各关节总的减速比为。计算得各关节的传动机构总减速比如表2-6所示。表2-6 所计算的各关节传动比Tab.2-6 Calculated reduce rate of every joint腰关节肩关节肘关节腕关节传动机构总减速比113951139569746974按照传动机构方案和关节结构方案，关节的传动路径为：电机>

24、同步带>行星减速器>交错齿轮>谐波减速器。下面将选择这些传动机构。1.6.4 同步带传动的设计按照关节结构方案四，输入端与行星减速器中心轴线之间存在一个偏置距离，需要通过一个同步带传动装置将无刷电机输出轴与行星减速器输入轴连接起来。本文选用SDP/SI公司的同步带和带轮，带型为MXL。其中腰关节和肘关节的同步带型号分别为A 6G16M和A 6G16M，基准长度为81mm和71mm。腰关节带轮的型号为A 6A15M020MXL10，主从带轮的齿数都为20；肘关节带轮型号为A 6A15M017MXL08，主从带轮的齿数都为17。本文的同步带传动效率。1.6.5 行星传动的设计按照

25、关节结构方案四，从动带轮输出作为行星减速器的输入。本文选用Maxon公司的GP 16 A-和GP 16 A-型号的行星减速器，这两种行星减速器的减速比分别为24:1、19:1，最大额定转矩都为0.15N·m，都采用脂润滑，最大传低效率都为81%。1.6.6 交错齿轮传动的设计 图2-16圆锥齿轮传动 图2-17冠齿轮传动Fig. 2-16 Taper gear transmission Fig. 2-17 Crown gear transmission在方案四中，输入端与输出端的中心轴线垂直且相交，需要通过一对轴线垂直的齿轮来实现运动方向的转换。常见的传动方式是圆锥齿轮传动，但是圆锥

26、齿轮传动比较低（单级减速比一般为36），且安装调整麻烦，工作时轴向力较大。本文采用另外一种传动方式冠齿轮传动。冠齿轮传动中的小齿轮为标准圆柱齿轮，大齿轮为端面齿轮。由于小齿轮轴向可以自由定位，所以传动装置安装方便；另外，冠齿轮具有传动比大的优点（单级减速比可以达到40）；而传动效率则保持在98%左右，不会受到传动比影响。所以这里采用冠齿轮传动方案。本文选用瑞士ASS AG公司生产Cylkro系列冠齿轮。其中，主动齿轮和从动齿轮的齿数分别为13和65，模数为0.5。1.6.7 谐波传动的设计谐波减速器由于具有传动比大（单级减速比为50-300），承载能力高，传递单位扭矩的体积和重量小，齿面磨损小

27、且均匀，传动平稳，传动效率高，传动精度高，回差小等优点，在当今的机器人的传动机构中获得广泛应用。按照3.2节中的电气中心孔走线方案，本文选用德国Harmonic Drive公司生产的HFUS系列谐波减速器，该系列谐波具备大中心孔结构，有利于电气中心孔走线。其中，腰关节所选谐波减速器的型号为HFUS-17-100-2A-GR，肘关节所选谐波减速器的型号为HFUS-14-100-2A-GR-SP。最大平均转矩分别为39Nm和11Nm，减速比都为100:1，并且都采用油润滑。计算表明，25oC温度下，两种谐波减速器的传动的效率约。1.6.8 制动器的选型为防止轻型臂在静止或者断电后，关节发生转动，需

28、要在电机上安装制动器。本文选择 Autotronics公司的BF-4电磁制动器，该型号电磁制动器的最小制动转矩为74.1mNm，可以同时满足两种关节的电机的制动要求。产品数据表明，在28V电压下，该制动器可以在7ms内将电机抱死。1.6.9 关节结构件的设计为了达到既满足强度要求，又能降低自身重量的目的，本文的结构件材料主要选用7075T6超硬铝合金（相当于国内新牌号7A09，旧牌号LC9），T6表示对7075铝合金进行固溶热处理并人工时效后的状态。该材料的密度为 2.8g/cm3；温度为25°C时，拉伸强度572Mpa，屈服强度503Mpa，延伸率11；且耐蚀性较好，热处理可强化3

29、3。关节的结构件主要包括电机、制动器和传动机构的固定件、轴承支座、转接件、联结件、线缆保护件、间隙调整件等。结构设计的基本原则是：在满足功能要求的前提下，强度足够，易于加工且公差容易保证，互换性好；装配时间隙可调，便于拆装，外观漂亮、成本适当等。图2-20腰关节结构及结构件 图2-21肘关节结构及结构件Fig. 2-20 Main parts of base joint Fig. 2-21 Main parts of elbow joint图2-20所示为腰关节（肩关节）的结构及主要结构件，图2-21所示为肘关节（腕关节）的结构及主要结构件。下面将对模块化关节的关键结构件进行了强度校核34。图

30、2-22腰关节关键结构件的强度分析Fig. 2-22 FEA of key parts of base joint图2-23肩关节关键结构件的强度分析Fig. 2-23 FEA of key parts of shoulder joint图2-24肘关节关键结构件的强度分析Fig. 2-24 FEA of key parts of elbow joint图2-22为腰关节关键结构件的强度分析。这里重点分析了腰关节的五个零件电机支座、转接支座、谐波支座、谐波空心轴、刚轮输出转接件。其中，除了谐波空心轴的材料为45钢调制外，其它零件的材料均为7075T6超硬铝合金。图2-23为肩关节关键结构件的强

31、度校核。肩关节的谐波空心轴、刚轮输出转接件的结构、受力与腰关节完全相同，所以本文只分析了其余三个零件。图2-24为肘关节关键结构件的强度校核。腕关节与肘关节结构相同，对应的结构件受力方向也相同，但腕关节结构件的受力要小于肘关节中对应的结构件。所以本文认为，只要肘关节的结构件满足强度要求，腕关节对应的结构件也必然满足强度要求。显而易见，结构截面变化较大的地方，容易导致应力集中，最大应力往往发生在这些地方，这些地方应该设计倒角、圆角或者加强筋。从图2-22、图2-23、图2-24的应力分布云图上可以看出，所有零件的最大应力都不超过250MP，远小于材料屈服强度。由此可见，本文所设计的关节结构件的强

32、度是足够的。1.6.10 关节力矩传感器的设计具有丰富的传感器是当今轻型机械臂技术的一个重要特点。当轻型臂工作于未知的环境下时，单纯的位置控制已经无法满足轻型臂的要求。出于安全问题考虑，大多数轻型臂都安装了力传感器，它赋予了轻型臂一定的外力感知能力，是实现轻型臂柔顺控制的基础。相对于末端多维力/力矩传感器，关节力矩传感器以其结构简单、精度高等优点，在轻型臂中获得大量应用35,36。其中，DLR设计的十字梁式关节力矩传感器是性能较好且应用较为成熟的一种。关节力矩传感器的基本设计思想是：弹性体对于所测方向上的力应具有较高的灵敏度，而对于非测量方向上的力应该非常不灵敏。灵敏度是传感器输出相对于所测力

33、的增益，所以，高的灵敏度容易获得高的信噪比；线性度好。线性度越好，越容易应用；刚度损失小。力矩传感器不应因为弹性应变而发生较大的刚度缺失，否则会增大关节柔性，使系统动力学特性变坏；量程足够且需过载保护。关节实际承受的最大力矩应在关节力矩传感器的量程之内；另外，力矩传感器应设计有过载保护结构，以防止弹性体结构发生强度失效；传感器结构对称，只由一个零件组成，且加工容易（装配体会导致较大的回滞）。此外，对传感器信号调理电路的要求是：输出稳定，能抑止漂移；且分辨率较高。关节力矩传感器一般安装于谐波减速器输出端，这样设计的好处在于：谐波减速器的减速比较大、反向驱动的效率很低。作用在输出端的外力只相当小的

34、一部分向前传递，使得谐波减速器之前的机构对外加力矩不敏感。若力矩传感器安装于谐波之前，将不便于检测关节所受的动态力矩；力矩传感器安装于减速器后面，可以避免传动机构摩擦力矩的不确定度对力矩传感器的输出产生影响；力矩传感器可以作为机械接口，与臂杆或者其它模块化关节联结。设计目标：？所设计的腰关节（肩关节）力矩传感器如图2-25所示。它的具备以下结构特点：轮辐式结构。内轮缘3通过螺栓与谐波减速器输出端联结，外轮缘4通过螺栓与臂杆或者下一个关节联结，内轮缘和外轮缘之间有四个应变梁2和四个保护梁1；四个应变梁2呈十字分布。每个应变梁上铣出一个矩形槽，作为弹性体，用来感受应变；矩形槽底部厚度不同，传感器的

35、灵敏度和量程不同；四个保护梁1呈十字分布。保护梁在周向有一段0.4mm的切口；径向有两个同轴光孔，内轮缘上的光孔直径为3mm，外轮缘上的光孔直径稍大，为3.08mm。保护销5直径为3mm，通过过盈配合嵌在内轮缘上的光孔中。当关节承受转矩在力矩传感器量程之内时，保护销5与外轮缘上的光孔不接触；当关节承受转矩超过力矩传感器量程时，保护销5与外轮缘上的光孔接触，保护作用生效。应当注意，该保护结构不仅能提供转矩方向的过载保护，而且可以提供弯矩方向上的保护。注：肘关节（腕关节）的力矩传感器结构与腰关节（肩关节）力矩传感器结构类似，最大区别在于弹性体尺寸即矩形槽底部的厚度不同。图2-25 腰关节力矩传感器

36、结构Fig. 2-25 Structure of torgue sensor of base joint 表2-16所示为两种关节的力矩传感器在最大转矩下的应力、应变分析。结果表明，该种结构的力矩传感器，最大应力、应变均发生在矩形槽中部区域。腰关节（肩关节）承受最大转矩67.8MPa时，最大应力为174.304MPa，最大应变为2.27410-3；肘关节（腕关节）承受最大转矩28.7MPa时，最大应力为70.078MPa，最大应变为0.91510-3。表2-16力矩传感器的有限元分析Tab.2-16 FEA of torgue sensors腰关节（肩关节）力矩传感器肘关节（腕关节）力矩传感器

37、有限元模型节点应力云图节点应变云图表2-17、表2-18所示分别为腰关节（肩关节）、肘关节（腕关节）的力矩传感器在不同转矩下的应力、应变分析。对于腰关节（肩关节），在力矩传感器上依次施加10Nm、20Nm100Nm的转矩，结果表明，关节力矩传感器所受转矩每增加10Nm，应力增加约25.71MPa，而应变增加约0.34×10-3。关节力矩传感器所受转矩增大至100Nm时，最大应力值为257.086 MPa，低于材料的破坏强度。对于肘关节（腕关节），在力矩传感器上依次施加5Nm、10Nm50Nm的转矩，结果表明，关节力矩传感器所受转矩每增加5Nm，应力增加约12.21MPa，而应变增加约

38、0.16×10-3。关节力矩传感器所受转矩增大至50Nm时，最大应力值为122.087 MPa，低于材料的破坏强度。以上分析说明此种结构的关节力矩传感器的线性度较好，刚度和强度也较好。 结果转矩最大应力值/MPa最大应变值/10-35Nm12.2090.15910Nm24.4170.31915Nm36.6260.47820Nm48.8350.63825Nm61.0440.79730Nm73.2520.95635Nm85.4611.11640Nm97.6701.27545Nm109.8791.43550Nm122.0871.594表2-18肘关节在不同转矩下的应力Tab.2-18 St

39、ress in diverse joint torges 结果转矩最大应力值/MPa最大应变值/10-310Nm25.7090.33520Nm51.4170.67130Nm77.1261.00640Nm102.8341.34150Nm128.5431.67760Nm154.2522.01270Nm179.9602.34780Nm205.6692.68390Nm231.3773.018100Nm257.0863.353表2-17腰关节在不同转矩下的应力Tab.2-17 Stress in diverse joint torges 图2-26力矩传感器(后视图) 图2-27加工后的力矩传感器Fig

40、. 2-26 Back view of torgue sensor Fig. 2-27 Machined torgue sensor实际应用时在每个应变梁的矩形槽背面贴上两个应变片，由于每个力矩传感器具有四个应变梁，所以一个力矩传感器用了八个应变片。如图2-26所示，两个相隔180o的应变梁上的四个应变片构成一路全桥，所以，一共形成两个全桥电路全桥X和全桥Y。两路全桥从设计方法上来说是一种冗余设计，可以提高力矩传感器的可靠性。此外，更为重要的是，这两路全桥输出正交，其代数平均值能在一定程度上抵消谐波减速器输出的力矩波动37。这也是力矩传感器的应变梁之所以采用十字形分布的重要原因。为了实现系统的

41、低功耗和低漂移，本文采用了德国BLH公司的SR-4型微型高阻金属应变片。这种应变片的阻值高达5K，应变系数为2.06%，其特点是灵敏度高、功耗比较低、漂移小，有很好的温度稳定性。另外，作为一个结构件，力矩传感器还具备其它功能。如图2-27所示，在力矩传感器背面内侧，设计了一圈螺纹孔，用于联结传感器信号处理电路板（上面还有电位计）；力矩传感器的外侧还设计有机械限位，主要是限制关节转动范围，防止其超出电位计（电位计是单圈的）测量范围。1.7 轻型臂臂杆及连接件的设计串联机器人由关节和连杆组成。轻型臂的结构除了模块化关节，还有将其连接起来形成机械臂的结构件，例如基座、臂杆等，如表2-19所示。表2-

42、19臂杆和连结件设计Tab.2-19 Desin of arms and connectors零件CAD 模型注释基座底部与平台的联接，顶部与轻型臂的腰关节联结，承受较大的倾覆力矩。顶部有电气接口板，中部开有电缆出口。大臂两端的法兰用于联结肩关节与肘关节，内部中空以供走线；两端有电气接口板。肘部联结件肘部联结件用于联结肘关节和小臂，与肘关节联结端有电气接口板。小臂两端的法兰用于联结肘部联结件与腕关节，内部中空以供走线；两端有电气接口板腕部联结件腕部联结件用于联结腕关节和手爪，与腕关节联结端有电气接口板。表2-20所示为臂杆和连接件的强度分析。由分析结果可以看出，这些零件所受最大应力均小于100

43、MPa，远小于7075T6铝合金的材料的屈服强度，所以，这里认为这些结构件的强度是足够的。表2-20臂杆和连结件的有限元分析Tab.2-20 FEA of the arms and connectorsCAD 模型节点应力云图注释腕部联结件主要承受支撑力F=4N和倾覆力矩M=0.48Nm;最大von Mises应力为1226Pa,最大von Mises应变为1.36×10-3；危险点位于拐角处的圆柱面相贯线附近。小臂承受载荷包括支撑力F=12.4N,倾覆力矩M=0.48Nm以及自身重力；最大von Mises应力为623Pa，最大von Mises应变为0.81×10-5；

44、危险点位于靠近腕关节的一侧的臂杆的上部。肘部联结件主要承受支撑力F=15.4N和倾覆力矩M=28.7Nm；最大von Mises应力为85.8 MPa，最大von Mises应变为1.12×10-3；危险点位于靠近腕关节法兰与圆柱的连结处及圆柱面相贯线处。大臂承受载荷包括支撑力F=23.8N,倾覆力矩M=28.7Nm以及自身重力；最大von Mises应力为21.7MPa，最大von Mises应变为0.28×10-3；危险点位于靠近肩关节的一侧的臂杆的上部。基座主要承受压力F=49N和倾覆力矩M=67.8Nm；最大von Mises应力为76.0 MPa，最大von Mises应变为0.99×10-3；危险点位于顶部法兰内侧及电缆出口孔左右两端。1.8 轻型臂系统的电气连接第2.5.4节确定了轻型臂电气内部走线的设计方案。电气内部走线涉及两个问题关节的内部走线结构设计和系统的电气连接结构设计。1.8.1 关节内部中心孔走线