一种模块化机器人臂设计，通过配置同轴扭矩合成模块实现了高效的扭矩-速度性能

《Engineering Science and Technology, an International Journal》：A modular-type robotic arm design having effective torque-speed performance as configuration of coaxial-torque synthesis modules

机器人臂设计中的高负载重量比与高速度性能优化。提出基于 coaxial-torque synthesis module (CoSMo) 的7自由度机械臂，通过扩展 coaxial 球形关节模块（E-CoSMo）和集中式模块化执行器（CoSMoA）实现扭矩合成与轻量化设计。两个原型分别验证高负载重量比（1.45）和高速性能（260°/s），并通过动力学分析与实验验证了其优于传统串联机械臂的性能。

　　本文探讨了一种基于共轴扭矩合成模块（CoSMo）的7自由度（DoF）机械臂的设计与实现，旨在提升其负载与重量比（payload-to-weight ratio）以及速度性能。随着机器人技术的不断发展，机械臂的应用范围也在不断扩大，从工业自动化到服务机器人、医疗设备，再到极端环境中的操作，这些应用场景对机械臂的性能提出了更高的要求。为了满足这些需求，研究团队设计了一种创新的机械臂结构，通过将两个子模块——扩展共轴球关节模块（E-CoSMo）和同心堆叠模块执行器（CoSMoA）——集成在一起，实现了高负载能力与高运动敏捷性的结合。

CoSMo-Arm的设计采用了共轴扭矩合成模块（CoSMo），这一模块由两个关键子模块组成。E-CoSMo是一种并联机构，可以驱动四个点中心旋转自由度（DoF），其结构设计使得所有执行器位于底座，从而减少了运动部件的质量和惯性。这种设计还允许在紧凑的空间内实现无限制的旋转范围，并且在特定工作空间中可以将轴向输出扭矩提升至单个执行器的四倍。而CoSMoA则是一种模块化执行器，具有易于维护和更换的特性，通过共享散热器实现高效的热管理，同时集中热源和质量，从而提升了系统的整体性能。

通过将E-CoSMo和CoSMoA模块结合，CoSMo-Arm能够实现高性能的负载与重量比。研究团队制作了两个原型，第一个原型强调高负载能力，而第二个原型则注重提升速度性能。第一个原型采用了无槽无刷直流（BLDC）电机和100:1的谐波减速器，而第二个原型则使用了低减速比的执行器，使得其速度性能得到显著提升。两个原型的总重量分别为18.1 kg和15.5 kg，其中第一个原型的负载与重量比达到了1.45，而第二个原型虽然负载与重量比较低，但通过降低减速比，实现了较高的速度性能。

在机械臂的运动学分析中，研究团队采用了一种基于闭合回路逆运动学（CLIK）的方法，以验证其运动特性。通过分析E-CoSMo与虚拟串联关节之间的关系，研究人员发现，E-CoSMo能够通过并联执行器的协同作用，实现较高的扭矩输出，同时保持较低的减速比，从而提升系统的敏捷性。这种设计使得机械臂能够在运动过程中有效合成扭矩，提高其负载能力。

此外，研究团队还进行了动力学分析，以验证机械臂的运动性能。通过建立简化动力学模型，研究人员发现，机械臂的并联结构能够有效减少运动部件的质量和惯性，从而提升系统的动态性能。同时，虚拟串联关节的分析方法使得研究人员能够将机械臂的动力学特性与传统串联结构进行对比，验证其在不同负载条件下的性能表现。

在实验验证部分，研究团队进行了多种测试，包括轨迹跟踪实验和负载测试。轨迹跟踪实验结果显示，CoSMo-Arm能够准确跟踪目标轨迹，验证了其运动学模型的有效性。负载测试则表明，CoSMo-Arm的负载能力显著优于其他类型的机械臂，尤其是在高负载情况下，其负载与重量比和运动能力均表现优异。

研究还指出，CoSMo-Arm的结构设计使其具备良好的模块化特性，能够灵活地调整执行器和传动系统以适应不同的应用场景。这种模块化设计不仅提高了机械臂的适应性，还降低了维护成本，使其在移动机器人系统中具有显著的优势。然而，研究团队也提到，随着机械臂结构的复杂性增加，维护和制造成本可能随之上升，因此未来的研究需要进一步优化设计，以提高其制造可行性、维护性和经济性。

总的来说，本文介绍了一种基于CoSMo模块的7自由度机械臂，其设计在负载与重量比和速度性能方面均表现出色，适用于多种应用场景。通过实验验证和理论分析，研究团队展示了该机械臂在动态性能、负载能力和运动灵活性方面的优势，为未来的机器人技术发展提供了新的思路和方法。