基于碳纤维机械臂的轻量化研究应用

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机器人技术经过数十年的发展,已经成为高新科技技术发展和产业发展的重要基石,同时也不断地拓宽机器人的应用领域。从航空航天、工业生产、农业、物流、汽车、海洋勘测到家庭服务、医疗等领域都有它的参与。

由于节能减排和产业升级的需求,也对机器人的应用提出更高的要求和标准,比如工作速度和工作精度的提升,这些要求可以提高机器人的工作效率,节约能耗。为了满足机械臂的具体工作需求,在传统设计中多采用刚度、强度比较好的金属材料,但金属材质往往会导致机械臂结构体积增加、材料消耗过多。

这样不仅会加剧机器人的能源消耗,而且也会使其在应用场合受到限制,同时还与当今机械臂对于轻质量、高强度、高速度、高精度的诉求相违背。碳纤维复合材料具有高比强度和高比模量,可以提高机器人的经济性、节能性而研究其在满足工作性能指标时进行轻量化设计具有重要的科学意义和工程实用价值。

德国宇航中心(DLR)发布的第三代轻型机械臂(LWR III)LWRIⅢI采用仿人手臂的七自由度冗余设计,其主体结构采用曲面造型,外壳大部分零件使用CFRP,整体重量为13.5Kg,能承受15Kg负重。

kinova研发的JACO机械臂,关节转角最大为90°,整机连杆部分完全采用碳纤维设计,关节部分采用铝合金材料,自重5.5Kg,负载为2.4Kg,最远可达空间984mm。其减重同时有效降低能耗,平均功率仅为25W。

在国内方面,以江苏博实为某厂商定制的碳纤维机械臂为例,该碳纤维复合材料机械臂总长1.2m,宽150mm,壁厚5mm,整只机械臂的总重量仅有4kg,相较传统金属材质的机械臂重量有了非常明显的提升,并且这种轻量化效果对工业机器人的操作精度具有明显的改善。

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