车载液压机械臂结构分析及设计

现介绍机械臂的组成和分类，并在总结车载液压机械臂设计依据和性能要求的基础上，对其设计方案进行分析和确定。

1.机械臂的组成

机械臂系统一般由执行系统、驱动系统和控制系统三大部分组成。执行系统是可以将工作对象取放到目标位置处或对其进行操作的机械装置，由末端执行器、腕部、臂部和机座组成。其中，末端执行器是与工作对象接触以完成操作任务的装置。

腕部主要用来确定末端执行器的位姿(方位和姿势)和扩展机械臂的臂展，某些机械臂可以没有腕部而将末端执行器直接安装在臂部的末端。臂部一般由关节和连杆组成，是用以携带腕部与末端执行器，使末端执行器到达目标位置的部件。机座主要将整个机械臂机构与其他机构或地面连接在一起，是执行系统中相对固定并能承受相应的力的部件。驱动系统是机械臂系统的动力装置，用以向各个运动部件供给动力，动力源一般为液压、气压或电气。

液压驱动具有在一定的作业空间内提供大驱动力和驱动力矩的能力，调速简单平稳，能够实现无级调速，在安全阀的作用下还可简单有效地实现过载保护，已经被大多数车载机械臂所采用。气压驱动具有快速、气源方便、缓冲作用好、无污染等特点，但其工作压力偏低，功率重量比小，速度不易控制，噪音大，冲击大，一般用于驱动力较小、精度要求不高的场合。电气驱动的特点是电源方便，利用电动机产生力和力矩，功率重量比较大，信号传递迅速精准，响应快，效率高。

控制系统是机械臂的操控中心，控制驱动系统驱使执行系统按预定动作完成任务。

2.机械臂的分类

机械臂可以根据其坐标方式、驱动方式、

关节连接方式以及用途进行分类。

坐标方式是指机械臂在运动时所取的参考坐标系的形式，主要有直角坐标型、圆柱坐标型、极坐标型和关节型。

(1)直角坐标型机械臂通过在直角坐标轴上的移动来使末端执行器到达预定位置，这种动作使其形成一种“伸缩—伸缩—伸缩”的运动形式。其特点是结构相对简单，定位精度较高，运动轨迹由立方体首尾相连的直角边组成，直观性强，但所占空间较大而工作范围较小，且惯性大，灵活性差。

(2)圆柱坐标型机械臂是由直角坐标型机械臂机座位置的移动副改变成回转副而得来。圆柱坐标型机械臂的运动形式为“回转—伸缩—伸缩”。与直角坐标型相比，在相同的条件下所占空间较小，其他特点基本相同。

(3)极坐标型机械臂在运动中存在回转、仰俯、伸缩动作，工作空间可以形成一个球体，又称为球坐标型机械臂。该型机械臂的主要特点是结构紧凑，刚度好，具有较大的抓持能力，末端执行器活动灵敏、运动范围大，但结构较为复杂，运动精度较低，且运动控制困难。

(4)关节型机械臂的运动主要由旋转与回转两种形式组成，其特点是动作灵敏、通用性强，在相同的工作条件下运行范围最大，能够抓取靠近机座的工作对象，同时可拟合操作空间内的任意曲线。

根据驱动方式可将机械臂分为液压驱动、气压驱动、电力驱动、机械传动等类型。根据关节连接方式可分为串联结构、并联结构、混联结构型机器臂。串联型机械臂因其具有动作灵敏、通用性强等与关节型机械臂相似的结构特点，在工业领域中受到广泛应用。根据用途可将机械臂分为专用机械臂、通用机械臂两类。

3.车载液压机械臂的设计依据和性能要求

本课题所研究的对象——车载液压机械臂的设计参数如表 1所示 ，它的主要任务是使用专用夹持器夹持大小为准560×H900的工件进行转载作业。经调研发现，市场上没有能够完全满足公司转载工作要求的车载机械臂，要么最大臂展不够，要么最大转载能力满足不了需求。因此，需要专门设计一台这样的车载液压机械臂。

表1 机械臂的设计参数

车载液压机械臂所要完成的是重物转载工作，在其设计过程中不仅有设计参数的限制，还有特殊的工作性能要求：

(1)在质量条件满足的情况下，要有足够的刚度、强度，避免转载过程发生塑性变形，反复工作失去转载能力。

(2)由于其安装在车辆上，空间有限，设计时要尽可能实现结构紧凑、体积小。

(3)液压驱动不可避免地存在液压脉动频率，结构设计要避免发生共振现象，同时转载工作过程中不能出现明显的振动。

4.设计方案分析

本课题所研究的车载机械臂基本动作为：启动机械臂后，首先，机械臂整体旋转一定角度，使末端执行器转出车厢底板;然后，臂架伸展，同时使末端执行器下降，当末端执行器下降到一定高度后，末端执行器夹手张开，臂架前伸，夹手到达合适位置后夹紧工件，臂架携带末端执行器及工件上升，高度超出车厢底板后停止上升，臂架回转，使得工件处于车厢底板上方;最后，臂架前伸或后缩选择最优位置放置工件。

基于连杆机构为面接触的低副机构，具有接触面所受的压强小、能够承受较大的载荷、抵抗冲击能力强、组成连杆机构的各构件多为平面和圆柱面、便于加工制造、适应环境能力强、便于实现各种复杂的运行轨迹等特点。为实现上述基本动作，本课题选用连杆机构完成整体臂架系统的设计。比较各类机械臂的优缺点，考虑液压驱动的优点，本文所研究的对象将选用液压驱动方式的关节型机械臂。

在研究过程中发现：若使用摇臂钢索吊取工件进行转载，仍需要人工调整工件姿态及放置位置;若使用两个连杆组成臂架完成转载作业，虽然能完成转载工作，但臂杆要承受较大的应力，无形中增加了臂杆的壁厚，或者需要使用较贵的材料制作臂杆，并且两连杆的机械臂不能充分利用靠近机座的空间，造成了空间的浪费;四连杆机械臂也能完成公司的转载工作，但增加了控制难度，3 700 mm的最大臂展使用四连杆来实现，由于液压缸基本尺寸的限制，需要专门定制液压缸。因此，在研究过程中提出了两种三连杆结构的可行性方案，总体方案示意图如图1所示。

图1 方案示意图

1—机座 2—回转驱动装置 3—连杆1 4—连杆1驱动液压缸5—连杆2 6—连杆2驱动液压缸 7—连杆3驱动液压缸8—夹持器姿态控制液压缸 9—连杆3 10—夹持液压缸11—夹持器 12—转动关节

5.方案确定

以上两种方案均可满足公司的设计要求，但从车载液压机械臂设计的特殊工作性能要求考虑，方案二显然要比方案一更加合理，从方案示意图中便可看出，方案二在空间利用方面要优于方案一。方案一中由于连杆3驱动液压缸的限制，运动过程中连杆3和夹持器不能充分地接近机械臂机座，从而在转载结束时将工件放置在靠近机械臂机座的位置处，而方案二就不存在这样的问题。

此外，在后续的研究中发现，依据方案一所设计出来的液压型机械臂低阶固有频率较低，极易受外界激励作用发生共振现象。因此，在后续的研究过程中将依据方案二完成各项研究工作。