2013年12月第41卷第23期

机床与液压

MACHINETOOL＆HYDＲAULICS

Dec.2013Vol.41No.23

DOI：10．3969/j.issn.1001－3881.2013.23.026

六自由度串联机器人结构设计及有限元分析优化

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陈祝权，梁晓合，林粤科，王念峰

（1.广州机械科学研究院有限公司，广东广州510700；

2.华南理工大学精密装备与制造技术广东省重点实验室，广东广州510640）

摘要：介绍一种六自由度工业机器人机械结构的设计，包括电机、减速器的选型，各关节部件基体及其他零件的设计。将设计好的机械结构模型导入有限元分析软件进行静态分析和模态分析，进而对模型结构进行优化。经优化，机器人结构在静力学、运动学及动力学方面均符合设计要求。该设计结构简单稳固，各零部件加工及安装方便，且增加了机器人的可重构性。

关键词：工业机器人；结构设计；有限元分析中图分类号：TH39文献标识码：A文章编号：1001－3881（2013）23－097－5

StructuralDesignandOptimizationof6AxesSerialＲobot

CHENZhuquan1，LIANGXiaohe2，LINYueke1，WANGNianfeng2

（1.GuangzhouMechanicalEngineeringＲesearchInstituteCo．，Ltd．，GuangzhouGuangdong510700，China；

2.GuangdongProvinceKeyLaboratoryofPrecisionEquipmentandManufacturingTechnology，

SouthChinaUniversityofTechnology，GuangzhouGuangdong510640，China）

Abstract：Akindofsixaxesindustrialrobotmechanicalstructuredesignwasintroduced，includingtheselectionofmotorandre-ducer，thedesignofpartsineachjointunit．Themechanicalmodelwasputintothefiniteelementanalysissoftwaretomakethestaticanalysisandmodalanalysis，thenthemechanicalstructurewasoptimized．Therobotstructureiscompletelyconformedtothedesignre-quirementsinstatics，kinematicsanddynamicsaftertheoptimization．Thisdesignhassimplestructure，thepartsmachiningandtheinstallationareconvenient，whichmaketherobotmorereconfigurable．

Keywords：Industrialrobot；Designofstructure；Finiteelementanalysis

工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造

［1］

业重要的自动化装备。发展机器人产业对提高一国制造业的国际竞争力具有重要战略意义。近二十年来，机器人技术发展非常迅速，各种用途的机器人在

［2］

各个领域广泛获得应用。

目前，工业机器人正呈现出爆发式增长态势，世界各地纷纷掀起使用工业机器人热潮。中国也不例外，工业机器人的市场需求量日益增加。据IFＲ统计：中国工业机器人市场空间巨大，年增长率超过30%。中国将会在2014年成为全球工业机器人需求量最大的市场，为我国工业机器人的发展提供了良好

［3］

的机遇和巨大的发展空间。

当前世界主流的工业机器人以四、五、六自由度串联型和并联型机器人为主。其中，六自由度串联工业机器人各关节主体零件大多采用复杂形状大铸件，其余零件小而多。一体式的主体零件增强了部件乃至整机的刚度，并且以铸造成形优化了工件质量与重

心，但不规则形状增加了精加工时定位装夹的麻烦。另外，相连两轴的电机往往安装于同一轴部的主体零件上，使得各零部件装配及维修不方便，且整个机器人可重构性降低。

为了克服现有技术存在的不足，作者设计一种六自由度串联工业机器人机械结构，包括传动方案的确定，电机、减速器的选型，各关节部件的基体及其他零件的设计。并将设计好的机械结构模型导入有限元分析软件进行了静态分析和模态分析，进而对模型结构进行了优化，为机器人的控制提供优良的硬件基［4］

础。经优化设计，该机器人各零部件加工及安装方便，结构稳固，并具备较高的机械可重构性。

1机器人结构设计

1.1六自由度串联机器人机构原理

六自由度串联机器人是由6个构件和关节组成的空间机构，其运动都是由电机驱动经各种机械传动装置减速后驱动负载。

图1为六自由度串联机器人基本构型图，包括

收稿日期：2013－08－27

基金项目：广州黄埔区科技计划项目重大专项（201230）；广州市科技计划项目（2013J4300008）

作者简介：陈祝权（1987—），男，工学学士，工程师，主要研究方向为机器人学。E－mail：chenzhuquan@gmeri.com。