牛曉蓉，李衛(wèi)國，全曉飛，閆秀芳，喬秀蕓

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院，呼和浩特 010051）

0 引言

工業(yè)機(jī)器人作為生產(chǎn)自動化設(shè)備，已經(jīng)在現(xiàn)代制造業(yè)中發(fā)揮著巨大的作用。但是近年來隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了服務(wù)制造業(yè)的范圍，被廣泛地應(yīng)用于非制造業(yè)領(lǐng)域，在人類生活應(yīng)用中不斷地擴(kuò)大。特種機(jī)器人技術(shù)主要是指非制造業(yè)中的各種先進(jìn)機(jī)器人及其相關(guān)技術(shù)［1］，特種機(jī)器人是替代人類在危險、惡劣環(huán)境下作業(yè)必不可少的工具。在不適宜人類的工作環(huán)境中或者對于不方便拿取、搬運(yùn)物品的老年人及殘疾人，取物機(jī)器人可以幫助人們完成抓取、轉(zhuǎn)移物品的工作。本文新設(shè)計一種取物機(jī)器人，以其整體機(jī)械結(jié)構(gòu)為研究對象，利用Pro/E軟件和ANSYS Workbench軟件，對于處于危險姿態(tài)下的機(jī)器人進(jìn)行了有限元靜態(tài)分析，以獲得其薄弱環(huán)節(jié)，為取物機(jī)器人的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計提供理論數(shù)據(jù)。

1 機(jī)器人的機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計方案

本文所研究的取物機(jī)器人設(shè)計目的是用于抓取、轉(zhuǎn)移物品的取物機(jī)器人。機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由底盤、平行架、夾手、套筒、伸縮臂、支架等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 取物機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)

由圖1可見，機(jī)器人的支架與底盤是焊接連接，平行架下端與底盤鉸接，伸縮臂與套筒連接，套筒則與平行架鉸接。套筒、平行架和底盤構(gòu)成了一個平行四邊形，利用平行四邊形中連桿與機(jī)架始終平行的特點(diǎn)，可以保證在運(yùn)動過程中被抓取物體的平穩(wěn)。另外，伸縮臂與套筒之間可相對運(yùn)動實(shí)現(xiàn)夾手伸縮量的微調(diào)。支架與平行架之間由鋼絲繩連接，通過固定在支架上的電動機(jī)帶動鋼絲繩拉動平行架收回直立。機(jī)器人夾取物品的受力情況與機(jī)器人未夾取物品的受力情況不同，為了確保安全及放置物品位置的準(zhǔn)確性，需要研究機(jī)器人夾取物品后機(jī)器人整體的應(yīng)力、應(yīng)變和位移情況，找出薄弱環(huán)節(jié)，為機(jī)器人的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計提供理論數(shù)據(jù)。

2 有限元模型的建立

有限元分析是為了檢驗(yàn)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計是否滿足強(qiáng)度及剛度要求，暫時不考慮機(jī)器人的控制，因此只對機(jī)器人進(jìn)行有限元靜態(tài)分析。

把Pro/E與ANSYS結(jié)合使用，利用Pro/E建?？焖?、準(zhǔn)確建模的特長，可以解決ANSYS建模能力不足的問題。首先利用Pro/E軟件建立了機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)三維實(shí)體模型；然后通過軟件之間的數(shù)據(jù)交換接口將三維實(shí)體模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench中。

在ANSYS Workbench軟件進(jìn)行分析時，必須對模型進(jìn)行必要的簡化，簡化成可以分析的模型。因?yàn)槿S實(shí)體模型包含的零部件較多，比較復(fù)雜。如果零件不經(jīng)簡化就全部直接導(dǎo)入ANSYS Workbench中進(jìn)行計算，會增加計算機(jī)的計算量并影響計算精度。在保證模型的結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量以及質(zhì)量分布的前提下，以及在綜合考慮機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的幾何特性與力學(xué)性能之后，對整體影響不明顯的倒角、圓角、工藝孔等結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化。另外，與銷軸采用過盈配合的零件，在ANSYS Workbench中進(jìn)行form a new part處理，使其成為一個整體部件；采用螺紋進(jìn)行固定連接的零件同樣進(jìn)行form a new part處理。除此之外，由于夾手部分包含多個氣缸，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，如果將夾手導(dǎo)入有限元進(jìn)行計算，夾手的有限元模型的網(wǎng)格劃分將會變得非常復(fù)雜，并且延長計算機(jī)的運(yùn)算時間和影響計算精度，因此，用遠(yuǎn)端載荷代替夾手的自重和物體重力，這個力將作用于夾手與伸縮臂的連接處。簡化后的模型如圖2所示。

圖2 取物機(jī)器人簡化后模型

在ANSYS Workbench中進(jìn)行有限元分析之前，首先需要選定材料。機(jī)器人的底盤、支架和伸縮臂等均采用鋁合金材料，其材料屬性如表1所示。選擇這樣的材料因?yàn)槊芏刃。铱筛鶕?jù)實(shí)際需要調(diào)整在上面安裝的機(jī)構(gòu)的位置。

根據(jù)前面對機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的介紹可知，在進(jìn)行靜態(tài)分析之前需要在底盤上添加固定約束模擬機(jī)器人不行走時的情況。用彈簧代替鋼絲繩以實(shí)現(xiàn)對平行架的拉動作用。另外，對于其他相對運(yùn)動關(guān)系的關(guān)節(jié)，根據(jù)實(shí)際情況均采用Revolute連接。網(wǎng)格的劃分對有限元靜態(tài)分析來說是一項(xiàng)很重要的工作，將對分析結(jié)果產(chǎn)生重要的影響。機(jī)器人的有限元網(wǎng)格劃分的最終效果如圖3所示，共計7527單元，39162節(jié)點(diǎn)。

表1 機(jī)器人材料屬性

圖3 機(jī)器人有限元網(wǎng)格劃分圖

當(dāng)機(jī)器人的平行架前傾到最遠(yuǎn)的位置且伸縮臂向前伸至最遠(yuǎn)時，機(jī)器人處于最危險的姿態(tài)，如圖4所示。因此選擇研究該姿態(tài)在重力、負(fù)載作用下的應(yīng)力、應(yīng)變和位移情況，進(jìn)而找到機(jī)器人的薄弱環(huán)節(jié)。

3 有限元靜態(tài)分析結(jié)果

利用ANSYS Workbench計算得到處于危險姿態(tài)時機(jī)器人的應(yīng)力、應(yīng)變和位移云圖如圖5～圖7所示。

圖4 機(jī)器人的危險位姿

圖5 機(jī)器人的應(yīng)力圖

由圖5、圖6可以看出，最大應(yīng)力、變形發(fā)生在伸縮臂與套筒前端的連接處，最大節(jié)點(diǎn)等效變形為3.5858E-5 mm，最大節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力為2.5154 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服極限 120 MPa，強(qiáng)度滿足設(shè)計要求。同時也可以確定伸縮臂與套筒前段的連接處是薄弱環(huán)節(jié)，需要進(jìn)一步的優(yōu)化和改進(jìn)。由圖7可以看出，取物機(jī)器人處于危險姿態(tài)，并且在伸縮臂前端施加10 N的力后，最大位移發(fā)生在伸縮臂的前端，其值為0.1224 mm，經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，該值滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)論

在確定取物機(jī)器人的設(shè)計方案后，利用Pro/E軟件對取物機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)體建模，并且通過ANSYS Workbench軟件對其進(jìn)行了有限元靜態(tài)分析，得到了機(jī)器人的應(yīng)力、應(yīng)變和位移圖，分析結(jié)果表明，在研究過程中所設(shè)計的強(qiáng)度與剛度都滿足了設(shè)計要求，并找到了薄弱環(huán)節(jié)，為機(jī)器人的進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)提供了理論依據(jù)。此次設(shè)計的取物機(jī)器人可以用在不適宜人類的工作環(huán)境中，或者幫助不方便拿取、搬運(yùn)物品的老年人及殘疾人完成拿取、轉(zhuǎn)移物品的工作。特種機(jī)器人在農(nóng)業(yè)、食品加工、建筑、醫(yī)療、服務(wù)和娛樂等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用，具有著廣闊的市場前景。取物機(jī)器人的研究也會為人們的生活提供方便與快捷，對人類社會的發(fā)展產(chǎn)生影響。

圖6 機(jī)器人的應(yīng)變圖

圖7 機(jī)器人的位移圖

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