Int. J. Intelligent Systems Technologies and Applications, Vol. ???, Nos. ???, 2011 1
A New Hybrid Machine Design For A 6 DOF Industrial Robot Arm
Abstract: Industrial robot arms are an essential part of automated manufacturing and are used due to the facts that they are highly repeatable; can be calibrated to be sufficiently accurate and they eliminate human error. They automate tasks such as component assembly; welding; light machining; spray painting; etc. The industrial serial robot arm architecture is by far the most ubiquitous in modern day manufacturing, as their technology is highly refined in its current state; the machine architecture provides extreme dexterity and it has a large useful workspace. This architecture however does have some problems, first the machine mass distribution is not efficient as that mass is spread throughout the arm, and the arm itself contains significant inertia. The primary reason for this lies in the location of the motors and gearboxes. A secondary effect of this mass distribution is that it leads to inaccuracy and dynamic vibration problems. This journal paper focuses on the design of a novel robotic arm design having a hybrid nature. It is labelled as hybrid due to the fact that its architecture departs from both the classic definitions of Serial Kinematics Machines (SKMs) and Parallel Kinematics Machines (PKMs). The primary goal of its design was to merge the advantages of the 2 architectures, i.e. a large workspace to footprint ratio which is found in serial robots, and the low inertia of a parallel robot resulting in increased speed. Serial and parallel robots are complementary, and as such, these design goals cannot coexist in a single robot architecture. To realise the objectives mentioned, 2 unique mechanisms had to be created so that a full complement of 6 DOF (degrees of freedom), could be attained. Comparatively, once the design goals are met, this hybrid mechanism would be better than any industrial robot used in industry.
Keywords: Parallel kinematics, serial kinematics, hybrid machine, 6 DOF.
Introduction
What characteristics classify a machine as either a PKM or SKM? A serial kinematics architecture is one in which each driven axis follows its predecessor in an open ended curve with straight lines connecting the joints, or where each motor and gearbox is positioned at or close to the joint it controls. A parallel kinematics architecture on the other hand fixes location and arrangement of the driven axes, one for each DOF of the robot, at the stationary robot base. A number of linkages are then connected from the driven axes to the robot end effector, these form closed kinematic chains. Two examples are the 3 DOF Delta (shown below) and the 6 DOF Hexapod.
Figure 1 PKM and SKM
Serial kinematic machines find widespread use in industry, which include automotive, aerospace and nuclear power production plants. Some of the reasons for this are that the technology is mature, refined and has been rigorously tested, in addition to the versatility of the architecture to accomplish any programmable repetitive task. However the serial robot does have a few limitations which lead to the development of specialized PKMs and their adoption in a few industries, most notably the packaging of items, where speed or throughput and
Copyright copy; 2010 Inderscience Enterprises Ltd.
accuracy are paramount. PKMs themselves have severe disadvantages, and their attributes are generally complementary to SKMs. PKM architectures greatest strengths are speed, stiffness and accuracy whereas SKM architectures are characterized with a large useful workspaces, greater dexterity and versatility.
Improving the robotic tools used in manufacturing automation is one path to advancing manufacturing processes and this can be achieved through merging the advantages of both types of industrial robot architectures. The core focus of this paper is the presentation of potential solution to attaining this goal. The objective is to create a robot platform, that can satisfy most of industryrsquo;s demands like the SKM can i.e. being versatile, having a large workspace combined with a minimal machine footprint. In addition to that we want to add some of the advantages of a PKM, i.e. a significantly reduced inertia leading to higher speeds and lower energy consumption and greater accuracy. A hybrid machine design architecture is the only way to combine these advantages. With the increase in automation and flexible production in industry, newer applications demand greater performance capabilities from industrial robots. In their respective rights both pure serial and pure parallel industrial robot architectures have disadvantages, which cannot be overcome on their own. Hybrid structures on the other hand which aim to combine the advantages from both architectures, provide a means to achieve a greater potential for improvement.
To summarize this machine design is:
Important: because faster more accurate industrial robots are essential for product manufacturers to improve product quality and throughput.
Innovative: as a novel machine design concept capable of 6 DOFs, which has a light machine moving mass, a large useful workspace with greater accuracy and repeatability, and will use less energy than current serial robot technologies. A reduced energy consumption will result in a decreased carbon footprint making this robot more environmentally friendly.
Opportune: since no current industrial robot manufacturer has at this moment a robotic solution that this design can provide.
Relevant: as it is necessary to provide industry with better tools that ca
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一种新型六自由度工业机器人臂混合机的设计
文摘：工业机器人臂是自动化制造的重要组成部分，由于其具有高度的可重复性，可进行校准以达到足够的精度，因而被应用于工业机器人。 他们自动化的任务，如组件组装；焊接；轻机械加工；喷涂等。工业串行机器人手臂结构是目前最普遍的现代机器人体系结构。 因为他们的技术在当前状态下高度完善的；机器结构提供了极大的灵活性，它有一个很大的有用的工作空间。然而，这种架构确实存在一些问题。首先，机器质量分布效率不高，因为质量分散在整个手臂上，而机械臂本身包含着明显的惯性。主要原因是电机和变速箱的位置。这种质量分布的一个次要影响是它导致不精确和动态振动问题。这篇论文的重点是设计一种新型的具有混合性质的机器人手臂。它被称为混合结构，因为它的架构与串行运动机械(SKMS)和并行运动机械(PKMS)的经典定义不同。其设计的目的是将这两种结构的优点结合起来，即串行机器人的工作空间与足迹的比例很大，而并联机器人的低惯性导致了增量。串行机器人和并行机器人是互补的，因此，这些设计目标不能共存于一个机器人体系结构中。为了实现上述两个独特机制的目标必须创造一个完整的6自由度才可以达到。相比之下，一旦设计目标达到，这种混合机构将比任何工业机器人的使用都要好。
介绍
将机器归类为PKM或SKM的特点是什么呢？串联运动学结构是指每一驱动轴跟随其前驱体在一条连接关节的直线的开放式曲线中的运动学结构，或者是每一电机和变速箱都是正位的结构或接近其控制的接头处。另一方面，一种并行运动学结构在固定的机器人基础上确定了驱动轴的位置和排列方式，即机器人的每一自由度的位置和排列。然后，一系列的联系就会被连接起来。 CTED从驱动轴到机器人末端执行器，形成封闭的运动链。两个例子是3自由度三角洲(如下所示)和6自由度六足。
图1 PKM和SKM
系列运动机械广泛应用于工业领域，包括汽车、航空航天和核电站。造成这种情况的原因之一是该技术已经成熟、完善，并且已经成熟。经过严格的测试，除了架构的多功能性外，还可以完成任何可编程的重复任务。然而，串行机器人确实有一些限制，导致了专用pkm的发展和它们在少数工业中的应用，其中最显著的是物品的包装，在这些领域中，其中速度或吞吐量和准确性是最重要的。PKM结构最大的优点是速度、刚度和精度，而SKM结构的特点是有大量有用的工作空间、更大的灵活性和通用性。
改进用于制造自动化的机器人工具是推进制造过程的一条途径，这可以通过结合两种类型的工业机器人的优点来实现。这篇文章的核心重点是提出实现这一目标的潜在解决方案。目标是创建一个机器人平台，可以像SKM那样能满足大多数行业的需求，即多功能，有一个大的工作空间和最小的机器占用。此外，我们要添加一些PKM的优点，即惯性导致显著降低 以更高的速度，更低的能耗和更高的精度。混合机械设计体系结构是将这些优势结合起来的唯一途径。随着工业自动化和柔性生产的增加，较新的应用对性能上对工业机器人的能力提出了更高的要求。纯串行和纯并行工业机器人在各自的性能上都存在着各自的不足，这些缺点是无法单独克服的。另一方面，混合结构的目的是将两种架构的优点结合起来，为实现更大的改进潜力提供一种手段。
总结一下这台机器的设计是：
重点：因为更快、更精确的工业机器人对于产品制造商提高产品质量和吞吐量至关重要。
创新之处：作为一种新颖的机器设计理念，它可以达到6自由度，它有一个轻型机运动质量，一个大而实用的工作空间，具有更高的精度和可重复性，而且所用的能量比目前的串行机器人技术更少。减少能源消耗将导致减少碳排放，使这个机器人更环保。
时机：因为目前还没有工业机器人制造商能提供这样的机器人解决方案。
相关：因为有必要为业界提供更好的工具，以提高他们的制造能力，这正是这个设计能够完成的。
图2典型的混合机器
工业机器人的全球市场数据
要理解为什么机器人创新和投资是重要的，就必须认识到当前工业机器人的市场前景，因为
推机器人研发的是市场经济。市场研究将限于过去两年，因为2011年还没有统计数据。2009，工业机器人的销量比前一年下降了约47%，其中工业机器人的销量约为6万台。这是自1994以来的最低水平。收入减少了39%达到三十八亿美元，但包括软件、外围设备和系统工程的费用，市场估计为一百二十亿美元。汽车工业占全年供应总量的36%，电气/电子工业占18%，橡胶和塑料工业占10%，食品和饮料工业占10%和 5%.自1960以来，销售的机器人总数超过23万台，国际机器人联合会(IFR)估计，全球工业机器人的总数量到2009年底，约为1 021 000至1 300 000台。
与前一年同期相比，工业机器人的销量在2010年头9个月翻了一番。刺激经济复苏的主要原因是对生态友好型生产和产品的需求、提高生产力以提高在全球市场上的竞争力以及在不断上升的消费市场中的市场份额。
2010强复苏的主要驱动力是汽车制造商和电子行业。此外，塑料工业进行了机器人投资，因为轻量化产品的趋势增加了对塑料的需求。据预测，在2011年和2013年之间销售的进一步增长将恢复，平均每年约10%达到10万多套。
根据用户的需求和需求确定的未来潜力
工业机器人在发展中的工业中有着巨大的潜力：制药、化妆品、医疗器械和食品饮料工业。金属和太阳能工业仍然有机会，机器人在其中的应用仍然远远落后于汽车行业。由于下列进步，中小型公司，甚至小型贸易公司，即木匠商店和车库，现在都能够使用工业机器人：
1.更容易操作和用户友好的编程，方便机器人自动化。
2.基于机器人视觉的优化质量控制
3.小而快速的机器人正在制造区域内的封闭空间中操作。
4.由于传感器技术的改进，不需要安全栅栏
5.这些系统现在正在以较低的成本销售。
6.需要更大的灵活性，这是因为缩短产品生命周期和缩短产品上市时间。
7.提高全球竞争力
8.遵守有关健康和安全的环境条例和劳动法
9.降低能源、运营和资本成本
10.提高产品质量、一致性和产出率
11.减少材料浪费提高产量
因此，工业机器人将永远是一个市场。它可能受到了全球经济衰退的严重打击，但它有望反弹，在接下来的2-3年里实现销售和收入之前的水平。
主流工业机器人结构的详细比较
根据Bruzzone的说法，等平行运动学结构在增加稳定性和臂刚度方面比较好。此外，由于减少手臂弯曲，该架构具有很高的重复性，它可以额外发挥其由于高刚度的闭环运动产生的力。
塔索拉等人提到，PKM的发动机定位在固定的基础上，这是大多数机械手产生惯性位移速度的原因，尤其在末端执行器处更大。罗认为pkms在闭环结构的多个支腿之间具有末端效应载荷分布的优点，它可能是同轴的，但这取决于机器的配置。
串行机器人中的每一个环节不仅要支持其连杆和电机的质量，还要支持其前面所有连杆和驱动单元的质量，因此与PKM相比，惯性是连续的。这种较高的惯性限制了串联机器人的动态性能和加速度。
串联机器人结构中各环节的挠曲误差是相加的，和效应导致的臂端挠曲误差比PKM大。串联结构中的所有误差都具有一般的加性和放大效应，其中包括制造误差、齿轮间隙、滞后等。PKM机器人的多臂结构具有平均所有误差的作用，采用大位移柔顺关节可以进一步减小误差。这可以改善PKM的误差平均效应，在某些情况下还可以提高微米定位精度。PKM对温度不敏感，能耗低，制造成本低，可靠性高。它们提供了良好的设计变化，允许设计者扩展他们的创造力和概念化的机器，不同的架构，远远超过他们可以做的串行拓扑结构。pkms的占用空间与工作区的比率往往更大，这是最显著的缺点。这是由于电机的定位和由此产生的配置。有一些例外，但大多数设计占用了一个大的工作领域。此外，PKM的性能在很大程度上取决于其几何形状，因此，在他们的发展过程中优化设计已成为必要。
末端执行器上的有效载荷变化对机器的性能有很大的影响。这是由于机器移动质量与有效载荷的比率明显低于SKM。大而复杂的运动学和动力学模型也使得控制比在串行机器上困难得多。大多数PKM研究都是在六自由度的机器上进行的，它们有一个小的有用的工作空间，这个工作空间充满了设计上的困难，它们的前向运动是一个非常困难的问题。另一方面，五自由度并联机构的运动学可以描述为封闭形式。此外，六自由度并联机构的奇异性也不是全部都能找到。 是的，但这些都是快速鉴定的PKM，有五个多的自由度。正是由于这些原因，不到6个DOF的PKM在工业应用中越来越受到关注。
机械设计中的新颖性
该机器的概念结构使用多个三杆机构，一个独特的同心变速箱和灵巧的手腕。该机器将模仿一个典型的串行机器人的6自由度(自由度)运动，并将有一个等效的足迹和工作空间。此外，所有六台电机及其相关变速箱都有固定的空间位置，通过这些连杆和变速箱，它们将扭矩传递到预定的轴上。 可显着地减少动臂的惯性。使用高强度、重量轻的复合材料连杆可以进一步减小惯性。为了研究这个解决方案的可行性，还需要做大量的研究，但是这确实代表了一个可行设计的第一次迭代。
混合机器设计一般由串行和并行机械部分串联连接而成，人们可以清楚地识别出整个机器的组成部分。 如图2所示。这些混合设计的目的是通过在最有必要的地方定位一个特定的体系结构，从而提取每个拱的最佳特征来改进机器人操作器。典型的2和3自由度PKM被用作组件的构建块。SKM组件用于需要大范围运动，或不太复杂或不存在PKM解决方案的情况。这种机器设计的新颖之处在于，在平行或串行的性质上没有明显的区别，因此它描述了一个真正独特的混合机。它有一个完整的6自由度，一个大的有用的工作空间和最小的惯性，这将导致显着的节能。为了说明这台机器的质量和节能潜力， 介绍了该领域2家领先厂商生产的几种现代工业机器人的具体情况。
工业机器人最重要的技术指标是它的触角和在该距离处的最大有效载荷。另外，对于上面所示的串行型机器人，总质量也是很重要的，因为粗糙。 这个质量的60-80%是机器运动质量。这意味着负责移动机器人z轴(垂直轴)的马达必须移动这个质量(60-80%取决于机器人)。这只是一个电机，这将是最高额定电机(功率和扭矩)的机器人。其余的2台用于定位末端执行器，将相应地进行缩放，并且仍然需要被高度评价才能承载指定的有效载荷和质量的链接和电机变速箱组合为了简化计算，并进行有效的比较，考虑1000公斤的串行机器人，这是完全可信的，就像上面图3右下角所示的IRB 7600系列一样。 重量为2450公斤。此外，我们将限制我们的比较，只是第一个电机，但这种设计的好处将过滤到剩余的电机-变速箱组合。对于这个机器人来说，机器移动的质量 在600至800公斤的范围内。移动这个质量所需的能量是巨大的，考虑到一个自动化工厂运行10-25台这样的机器人，每周7天，并且停机时间最小，能源成本和碳足迹就会消耗殆尽。 我很震惊。现在，把它与混合设计进行比较，它的覆盖范围、有效载荷和总质量都与这个系列机器人相同。机器移动质量预计将达到30-50%或300-500公斤，如 所有的质量都集中在汽车变速箱的组合是固定的空间。此外，将有额外的质量优化，因为使用的链接不再像他们那样强大，因为串行机器人，因为他们不携带极限的质量。这将大大节省能源和减少碳排放，而且随着全球减少碳排放的努力，这种设计超过了目前任何系列机器人工业的设计。此外，如果我们使用相同的马达，我们可以更进一步，或者移动得更快，或者在一定程度上增加速度和速度。这大大增加了机器人的吸引力。
机器人制造商的产品指南有许多机器人解决方案，其中一些有机构，试图最小化手臂的惯性。图4显示了其中的两个产品，其他制造商也有类似的设计。他们用控制臂来重新安置马达，把它们放在离机座更近的地方。其效果是将转矩降到最小。 对z轴惯性的贡献，使机器人速度更快，并提高其承载能力。然而，这些设计只能最大限度地减少特定马达的质量贡献，因为它现在仍在移动，它更接近机座。本课题的设计完全消除了静止质量/惯性问题，将所有的电机变速箱组合固定在一个静态空间位置，同时保持一台等效的机器的脚印、触觉和灵巧。没有一个主要的制造商有一个产品是这样的能力，提供同样的优势，这种混合设计固有的。
图4机器人制造商试图通过使用控制臂来最小化惯性
设计说明
该机器的目的是实现驱动从电机和变速箱位于一个位置(固定的基础，使它类似于并行结构)到目标轴位于其他地方， 通过一系列齿轮和重量轻的连接机构。实现这种驱动传递的两种方法是通过刚性连杆和非刚性连杆驱动传递机制。非刚性连接选项将需要使用齿带或链条。然而，这种选择限制了机器的承载能力和受力能力，但它提供了提高机械手速度的功能。对于需要在大型工作区中放置轻量级对象的应用程序，此选项将是合适的。本文将重点介绍一种采用刚性连杆机构的设计方法。这里所示的图纸是平台的一个快速原型。所有环节和齿轮都是激光切割从2D Perspex和组装成三维结构。为了解决没有斜齿轮的问题，齿轮齿的尺寸足够大，使它们能够在90度处啮合(其节圆在90度处切线)。这是相当好的工作，即使齿轮现在有点接触，而不是线接触，对于一个工作模型，这是足够的。大部分的绘图将说明这一点，但必须记住，他们代表的是斜面齿轮，这将工作得非常好。
设计将自下而上进行描述。
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