再设计：让机器人拥有灵巧的手臂

    机器人总是这么一个奇特的存在，影视中万能，现实中呆萌。你想象中的机器人能力超群，上天入地，无所不能。或是颜值爆表，温柔体贴，善解人意。但现实中，他们大多是这样的：

图1 现实中的工业机器人

    应用最广泛、最成熟的是工业机器人，主体就是机械手臂。

    或是这样的：

图2 现实中的服务机器人

    最近发展很快的服务机器人，能端茶递水、打扫卫生。

    最多是这样的， 亮相2015世界机器人大会的日本美女机器人，用柔软的硅胶做成皮肤，外貌酷似真人，具有眨眼、微笑、皱眉等65种不同的面部表情，并且可以像真人一样发声、对话和唱歌，是当前仿人类机器人中的巅峰之作。据称，这款女性机器人可在医院从事护理患者的工作。

    关于机器人，一个流行的话题是机器人终究会统治世界，奴役人类，经典影视作品如《终结者》。

    机器人统治世界？个人总觉得还很遥远。说点不遥远的，机器人取代人力，替代生产线上从事简单、重复、高强度劳动的工人正在成为现实。

    在制造业成本飙升的压力下，采用机器人降低成本已经成为不少企业的选择。由于机器人可以全天候生产，而且生产精度高，废品率大幅降低，这大大提高了生产效率，适应了工业转型升级的需要。据了解，售价为三十余万元人民币的机器人投入使用后，通常几年的时间就可收回成本。

    机器人目前在结构化工作环境下做程序化、规定性动作，真正需要灵巧性的环境，机器人捉襟见肘。某专家表示，机器人用来触碰世界的双手的发展速度不及它们“大脑”中的计算机。机器人的“大脑”正以极快的速度发展，高性能和不断下降的价格就是体现。最大的问题是完成工作所用的手臂。

图3 典型工业机器人

    典型的工业机器人一般是由机座、腰部、大臂、小臂、腕部和手部联接而成，这种机器人结构简单，控制容易，响应快，成本低，在工业中应用最广泛。其中臂部相当于人的大臂小臂，是主要执行部件，带动腕部和手部按一定轨迹运动。机器人的主要运动是由臂与腕的运动来实现的，臂部运动用于完成主运动，腕部运动用于调整手部在空间的姿态。

    基于突破性的铸造工艺和工程仿真技术，安世亚太联合苏氏集团，对机器人手臂进行再设计，在刚度、强度保持不变的情况下，大大提高了手臂的轻便型、灵活性、精度和可靠性，同时，减重后电机的驱动功率要求更低，使运营能耗大幅降低。

机器人大臂结构再设计

图4 机器人大臂结构再设计

    采用精铸铝合金结构代替钢板焊接结构，基于对结构强度/刚度的要求而改变各部位材料厚度及加强筋结构形式，大臂质量由126.1Kg减小到50.25Kg，减重达60%，大幅度减低机器人驱动功率，节省用户使用成本，再设计结构的静强度指标（屈服强度安全系数和抗拉强度安全系数等）与原始结构保持基本一致，动/静刚度均有提高，从而有助于提高定位精度、对编程轨迹的跟踪精度、以及系统稳定性等关键性能指标。再设计结构摒弃了所有容易产生失效问题的焊接部位，极大提高了整个大臂结构在长期运行条件下的可靠性。

机器人小臂结构再设计

图5 机器人小臂结构再设计

    采用精铸铝合金结构代替钢板焊接结构，基于对结构强度/刚度的要求而改变各部位材料厚度及加强筋结构形式，小臂质量由79.9Kg减小到43Kg，减重达46%，在结构静强度指标上，再设计结构强度的安全系数分别比原始结构有较大幅度的提高，静刚度与固有频率比原始结构有提升，从而有助于提高系统稳定性、减小定位时的超调量、缩短达到稳定状态的时间等关键性能指标，提升机器人的使用性能。与机器人大臂一样，摒弃了所有容易产生失效问题的焊接部位，整个小臂结构在长期运行条件下的可靠性将会得到极大的提高。
    经过再设计的机器人手臂，重量减少了很多，操控精度、稳定性和可靠性得到了极大的提升，使得整个机器人的动作更加灵巧、精准，同时，减重后电机的驱动功率要求更低，这样成本和能耗也更低了，可以在更多的领域发挥作用。这就是再设计的魅力，为任何一个工业品的质量提升和创新打开了一扇巨大的窗户。