尚維忠

摘要：伴隨人類社會(huì)的快速進(jìn)步與發(fā)展，所需消耗的資源能源量也愈來愈大。作為成本低、儲(chǔ)量大的一種清潔能源，核能現(xiàn)已引起了國際上的廣泛重視，近年來，還掀起了開發(fā)利用核能的一番熱潮。但核輻射性卻令操作人員無法近距離地安全管維核設(shè)施或者處置核廢料，所以主從機(jī)械手被廣泛用于完成這些任務(wù)。而伴隨時(shí)代的變遷，主從機(jī)械手也獲得了更加廣泛的應(yīng)用，而出現(xiàn)在人們的生活中。所以，針對(duì)主從機(jī)械手展開的課題研究，具有很明顯的現(xiàn)實(shí)意義，能夠代替人類在不適合出現(xiàn)的地方，完成相當(dāng)緊密而且復(fù)雜的操作。但是目前的主從機(jī)械手還有待改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以贏得更加廣泛的應(yīng)用。為此，本文主要從主從機(jī)械手出發(fā)，分析了相應(yīng)的關(guān)鍵部位，并且展開了結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作，希望有助于主從機(jī)械手的進(jìn)一步發(fā)展。

關(guān)鍵詞：主從機(jī)械手;模擬輔助;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在上世紀(jì)中期，伴隨核工業(yè)的發(fā)展所需，主從機(jī)械手應(yīng)運(yùn)而生。作為遠(yuǎn)距離操作技術(shù)之一，主從機(jī)械手基于人類的遙控操作，可以在人類無法接近、不能進(jìn)入，又或有害于人體健康的環(huán)境中，快速完成相當(dāng)復(fù)雜的操作。在世界上，首款主從機(jī)械手被用于安全地進(jìn)行核物質(zhì)的處置，以確保人類不受輻射帶來的威脅。而伴隨現(xiàn)代科技的快速進(jìn)步，主從機(jī)械手也日益豐富，并且被更加廣泛的應(yīng)用在各式各樣的生產(chǎn)乃至人類的生活當(dāng)中，比如需要人類實(shí)時(shí)干預(yù)的特定任務(wù)。在這樣的場合，主從機(jī)械手無可替代。但目前主從機(jī)械手在結(jié)構(gòu)方面，依然有上升的空間，急需加以優(yōu)化改善。

一、主從機(jī)械手的重要作用

在核工業(yè)，主從機(jī)械手獲得了十分廣泛的應(yīng)用。這種機(jī)械手主要用于遠(yuǎn)程操作設(shè)備，通常位處熱室或者用于維修設(shè)備、分離放射性元素中的同位素、高效去污等。而針對(duì)熱室以及放射性環(huán)境，還有人類無法直接靠近的各種有害、有毒、高危環(huán)境，通過主從機(jī)械手，則完全能取代人類的手臂，來完成所需的操作以及作業(yè)任務(wù)，以此來保護(hù)人類的身體健康，令人類免于遭受放射性危害，又或有毒物質(zhì)的不良侵害，所以主從機(jī)械手的防護(hù)作用很明顯。

伴隨全球核工業(yè)的不斷發(fā)展，核科學(xué)技術(shù)也愈發(fā)先進(jìn)，相應(yīng)需要處理的核廢料也日益增多，所以迫切需要通過一定的操作來妥善加以處理。而主從機(jī)械手自被開發(fā)出來以后，便以其諸多優(yōu)點(diǎn)，如良好的反饋力的性能、便捷操作、絕對(duì)自由、高安全小、穩(wěn)定、高效去污、舒適性等，而被十分廣泛地應(yīng)用在各式各樣的放射性環(huán)境內(nèi)。而主從機(jī)械手獲得了成熟、成功地廣泛應(yīng)用后，又促進(jìn)科研人員不斷努力地優(yōu)化、完善主從機(jī)械手的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而開發(fā)設(shè)計(jì)出來，可以同步達(dá)到功能需要以及人體工程學(xué)種種要求的更加先進(jìn)的主從機(jī)械手，以此來滿足快速提升的核工業(yè)快速發(fā)展所需。同時(shí)在新時(shí)代下，主從機(jī)械手還被推廣應(yīng)用在其他很多領(lǐng)域，因此也需要及時(shí)優(yōu)化其結(jié)構(gòu)。

但目前的工業(yè)機(jī)器人往往采用的是示教工作模式的原理，僅僅適合一些有特定功能或者特定動(dòng)作的操作任務(wù)。例如，維修、維護(hù)核電站內(nèi)部的設(shè)備、完成高危實(shí)驗(yàn)室中的高復(fù)雜度操作、拆除、轉(zhuǎn)移危險(xiǎn)物品等。而現(xiàn)代機(jī)器人的視覺、高智能化的機(jī)器人的快速發(fā)展，也完全不足以取代人來進(jìn)行復(fù)雜多變的工作，并且按現(xiàn)場的實(shí)時(shí)情形，來成功做出適合的反應(yīng)。由此可見，主從機(jī)械手的作用便顯得愈發(fā)重要。而在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，往往按照用戶的基本要求、具體的操作范圍，來最后確定主從機(jī)械手的大小。然而，從最優(yōu)設(shè)計(jì)的方位來思考，則很容易得出在設(shè)計(jì)主從機(jī)械手內(nèi)部的結(jié)構(gòu)環(huán)節(jié)，往往并未滿足最優(yōu)設(shè)計(jì)要求。所以，很有必要出于改善應(yīng)用效果的目的，從最優(yōu)設(shè)計(jì)理念出發(fā)，基于先進(jìn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，在計(jì)算機(jī)工具的輔助下，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)主從機(jī)械手，從而促進(jìn)主從機(jī)械手的發(fā)展與推廣應(yīng)用。

二、關(guān)鍵性結(jié)構(gòu)及優(yōu)化措施

1、總體概況

本研究從某主從機(jī)械手出發(fā)，分析了夾鉗這一關(guān)鍵部位。先針對(duì)主從機(jī)械手，借助軟件Pro/E，創(chuàng)建了相應(yīng)的三維模型;再基于起吊極限能力下的典型工況，分析了主從機(jī)械手自身夾鉗的基本力學(xué)性能：最終，借助軟件Pro/E的靈敏度研習(xí)功能與設(shè)計(jì)優(yōu)化處理模塊，獲得了最優(yōu)設(shè)計(jì)的最終結(jié)果。經(jīng)過一番強(qiáng)度驗(yàn)證顯示，針對(duì)主從機(jī)械手，優(yōu)化的夾鉗結(jié)構(gòu)取得了合理、有效的結(jié)果，能夠提供給分析主從機(jī)械手的基本結(jié)構(gòu)乃至設(shè)計(jì)優(yōu)化工作一定的理論參考依據(jù)。

2、建模處理

在工程實(shí)踐中，主從機(jī)械手的具體應(yīng)用見圖1。針對(duì)主從機(jī)械手，創(chuàng)建三維模型的整個(gè)過程：首先，按照確定好的結(jié)構(gòu)大小尺寸，借助軟件Pro/E，來針對(duì)主從機(jī)械手，實(shí)施三維建模手段，詳見圖2;其次，借助Pro/E下的模塊Mechanica，來針對(duì)夾鉗這一關(guān)鍵部位，展開靜力學(xué)方面的分析研究，并且生成相應(yīng)的應(yīng)力云圖;最后，按照模型中的極限材料屈服值，來分析研究夾鉗結(jié)構(gòu)的具體靈敏度，并且從所得結(jié)果出發(fā)，來進(jìn)一步優(yōu)化、完善以上模型。

3、主從夾鉗的操作原理

在主從機(jī)械手中，作為末端執(zhí)行器之一，夾鉗主要用于直接操作工件或者對(duì)象，并且承載著負(fù)載的整體作用力。所以，從主從機(jī)械手的角度來看，夾鉗的安全穩(wěn)定性至關(guān)重要。為此。于夾鉗這一關(guān)鍵部位而言，相應(yīng)的工作原理如下：

在主動(dòng)臂端，通過手柄連桿的運(yùn)動(dòng)，來收放鋼絲繩。然后，鋼絲繩在穿墻組件的作用下，向從動(dòng)臂傳遞主動(dòng)臂端的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力。而從動(dòng)臂端則通過收放鋼絲繩，來驅(qū)使夾鉗拉放，并在夾鉗上發(fā)出開合動(dòng)作。同時(shí)，在主、從動(dòng)臂間，在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，如滑輪、滾輪、齒輪等的輔助下，通過鋼絲繩，向從動(dòng)臂傳遞主動(dòng)臂端的實(shí)時(shí)動(dòng)力及運(yùn)動(dòng)。

在夾鉗結(jié)構(gòu)中，基本的操作原理見圖3，相應(yīng)的設(shè)計(jì)要求：首先承載力應(yīng)足夠強(qiáng);其次，強(qiáng)度足夠;最后，在強(qiáng)度要求達(dá)到的前提下，控制結(jié)構(gòu)最完善。

4、力學(xué)分析

于夾鉗而言，主要選用不銹鋼材料06Crl9Nil0（304），相應(yīng)的基本屬性如表l所示。

為了算出準(zhǔn)確的材料極限屈服值，通常選取1.2～1.5的安全因數(shù)，并根據(jù)夾鉗的具體使用特點(diǎn)，確定1.3是安全因數(shù)。而針對(duì)主從機(jī)械手，在分析相應(yīng)結(jié)構(gòu)、進(jìn)行優(yōu)化之前，應(yīng)驗(yàn)證夾鉗基于既有尺寸，能不能達(dá)到最大應(yīng)力在屈服強(qiáng)度之下的要求。

首先，在起吊載荷最大時(shí)，分析夾鉗的受力情況，再從夾鉗實(shí)際工況出發(fā)，在模型受力處施加夾鉗所承受的載荷，并分析在工作時(shí)夾鉗的受力情況。而夾鉗與相應(yīng)工件的摩擦作用，能抵消工件自重，來提升與夾鉗有關(guān)的起吊工件，具體作用原理見圖4?；诖耍瑒t可以算出在起吊值最大為80kg時(shí)，每側(cè)的夾鉗正壓力是222N。

同時(shí)，還從靜力學(xué)角度分析了夾鉗的力學(xué)原理：向夾鉗夾指施加計(jì)算載荷，在腕關(guān)節(jié)，大致設(shè)定具有6個(gè)方向自由度類型的全固定約束，且設(shè)定夾指和夾鉗本體相互之間是銷釘連接結(jié)構(gòu)。在Pro/E下的模塊Mechanica中，分析夾鉗結(jié)構(gòu)靜力學(xué)，具體的網(wǎng)格模型見圖5，相應(yīng)的應(yīng)力云圖則見圖6。

圖6顯示，在夾鉗結(jié)構(gòu)內(nèi)，臂桿受力最危險(xiǎn)，主要是由于經(jīng)由兩側(cè)臂桿向夾指傳遞夾緊力以完成夾緊任務(wù)。具體的最大夾鉗應(yīng)力是220MPa，要比材料極限屈服值263.8MPa小，能達(dá)到使用要求。然而，針對(duì)這樣夾鉗的既有設(shè)計(jì)有冗余問題，必須優(yōu)化夾鉗結(jié)構(gòu)大小、用料，以便在熱室工作環(huán)境中，最小化夾鉗尺寸、最優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

5、優(yōu)化夾鉗結(jié)構(gòu)

在設(shè)計(jì)過程中，具體的優(yōu)化步驟如下：針對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題，創(chuàng)建數(shù)學(xué)模型，以有效的優(yōu)化算法，從設(shè)計(jì)目標(biāo)出發(fā)，借助計(jì)算機(jī)軟件，生成最優(yōu)設(shè)計(jì)值。而圖6顯示，在主從機(jī)械手中，關(guān)鍵的夾鉗結(jié)構(gòu)和所用材料間卻有冗余。所以可以本著優(yōu)化設(shè)計(jì)原則，借助有限元法，來優(yōu)化設(shè)計(jì)夾鉗結(jié)構(gòu)，以達(dá)到使用強(qiáng)度，并且最小化結(jié)構(gòu)尺寸。

5.1 數(shù)學(xué)建模

先通過數(shù)學(xué)手段，化實(shí)際問題為數(shù)學(xué)模型，再以有效的優(yōu)化算法，及時(shí)求解模型。而在這里可將優(yōu)化設(shè)計(jì)夾鉗結(jié)構(gòu)的工作抽象成一個(gè)代表性的優(yōu)化模型。

（1）變量設(shè)置。X下有n個(gè)變量，分別表示各個(gè)夾鉗設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)：

X=[x1，x2，…，xn]T

（2）數(shù)學(xué)目標(biāo)函數(shù)。選取最小的F（X）目標(biāo)函數(shù)，來算設(shè)計(jì)X。

F（X）=[f（x1），f（x2），…，f（xn））]T

（3）各種約束。

①數(shù)學(xué)幾何約束。按夾鉗結(jié)構(gòu)大小及連接基本部件的要求，來限制各夾鉗設(shè)計(jì)變量的極限限取值。

其中，Cimin、Cimax分別表示xi的允許上、，單位mm。

⑦物理應(yīng)力約束。在達(dá)到夾鉗強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，按夾鉗的使用要求，創(chuàng)建以下約束條件：

≤lim

其中，表示設(shè)計(jì)變量下最大的夾鉗應(yīng)力，單位MPa;lim表示材料的極限屈服值，單位MPa。

5.2 靈敏度

鑒于設(shè)計(jì)參數(shù)不一樣時(shí)，往往帶給模型的影響也不盡相同，故此必須分析夾鉗各設(shè)計(jì)變量的靈敏度。在靈敏度曲線中，有顯示不同設(shè)計(jì)變量影響夾鉗應(yīng)力的情況，以著重關(guān)注具有大幅影響的設(shè)計(jì)變量。在具體優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的過程中，針對(duì)臂桿寬，展開了靈敏度分析，需要的取值是7～8mm，得出的分析結(jié)果詳見圖7。

圖7顯示，在固定載荷、材料等時(shí)，在選定范圍更改臂桿寬時(shí)，相應(yīng)的夾鉗受力也會(huì)改變。通過靈敏度分析，得出臂桿寬最優(yōu)取值是7.1～7.9mm。

5.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)過程

材料極限屈服值263.8MPa，基于以上數(shù)學(xué)模型，展開靈敏度分析，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)變量值7.1～7.9mm，具體的優(yōu)化目標(biāo)：應(yīng)力在屈服極限值（263.8MPa）下。

經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后，臂桿寬以7.1mm最優(yōu)，以197.12MPa為最大應(yīng)力，比屈服極限小，與優(yōu)化設(shè)計(jì)要求相符，具體的應(yīng)力云圖詳見圖8。

圖8顯示，經(jīng)過優(yōu)化夾鉗結(jié)構(gòu)后，應(yīng)力最大值197.12MPa，比優(yōu)化前應(yīng)力最大值220MPa小。在優(yōu)化前后，臂桿寬分別為7.5mm、7.1mm。所以，借助Pro/E下的模塊Mechanica，針對(duì)主從機(jī)械手，來優(yōu)化設(shè)計(jì)關(guān)鍵的夾鉗結(jié)構(gòu)，能在達(dá)到強(qiáng)度要求的基礎(chǔ)上，縮小結(jié)構(gòu)尺寸、節(jié)約材料、縮減質(zhì)量、降低結(jié)構(gòu)體系的最大應(yīng)力。故此，這樣優(yōu)化夾鉗結(jié)構(gòu)十分科學(xué)，具有指導(dǎo)意義。

6、主從機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

作為機(jī)器人的末端抓手，機(jī)械手的應(yīng)用越來越廣泛，對(duì)其控制的要求也越來越高。與人類操作計(jì)算機(jī)以前發(fā)送的控制指令相比，機(jī)械手的時(shí)間，直觀，靈活的運(yùn)動(dòng)。因此，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了自行開發(fā)的全驅(qū)動(dòng)靈巧機(jī)械手的主從控制系統(tǒng)極為重要，其控制流程圖下圖8所示。

6.1 硬件設(shè)計(jì)

控制器分為兩個(gè)部分，主手控制器和從手控制器。在設(shè)計(jì)中將二者功能集中，同時(shí)滿足主從控制需求的硬件電路，并且設(shè)計(jì)電路能夠滿足機(jī)械手工作環(huán)境要求。主從控制器在使用時(shí)根據(jù)需要進(jìn)行取舍，主要功能包括AD/DA/IO/CAN接口及輔助電路。

1）multiFLE控制器，根據(jù)實(shí)際情況選用給型號(hào)的控制器，采用AVRATMEGA128單片機(jī)作為主處理器，能夠在16MHZ的頻率下，對(duì)于大量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。配套NorthSTAR圖形化集成開發(fā)環(huán)境，純代碼開發(fā)環(huán)境。

2）機(jī)器手舵機(jī)硬件選擇，舵機(jī)是轉(zhuǎn)向的控制機(jī)構(gòu)，具有體積小、力矩大、外部機(jī)械設(shè)計(jì)簡單、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，無論是在硬件設(shè)計(jì)還是軟件設(shè)計(jì)，舵機(jī)設(shè)計(jì)是控制部分重要的組成部分。在實(shí)際控制中控制電路板接受控制信號(hào)，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，選用Dynamixel AX-12+是機(jī)器人專用舵機(jī)，采用金屬齒標(biāo)稱扭力13kg以上，RS485串口通信，具有位置反饋，而且還具有速度反饋與溫度反饋功能的數(shù)字舵機(jī)，一般來說可以將來信號(hào)線連接至單片機(jī)的任意引腳，對(duì)于51單片機(jī)需通過定時(shí)器模塊出PWM才能進(jìn)行控制。

3）多功能調(diào)試器，舵機(jī)相關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì)和調(diào)試需要使用多功能調(diào)試器來完成，本次設(shè)計(jì)需用UP-Debugger多功能調(diào)試器，運(yùn)行模式為Servo模式，根據(jù)需要可以切換工作模式。

6.2 軟件設(shè)計(jì)

盡管主手和從手控制器在硬件上使用相同的控制器，但它們?cè)谲浖蠀s有很大不同。主手控制器主要完成主手電位器的數(shù)據(jù)采集和相應(yīng)開關(guān)按鈕的I / O輸入，并通過這些數(shù)據(jù)將CAN總線實(shí)時(shí)發(fā)送到從手控制器。從控制中有許多工作要做，其中從控制是一個(gè)由主控制數(shù)據(jù)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)控制量組成的閉環(huán)系統(tǒng)。由于實(shí)際機(jī)械手系統(tǒng)存在嚴(yán)重的非線性，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的變化十分敏感，因此傳統(tǒng)的PID算法很難同時(shí)考慮控制精度和控制速度。模糊控制策略被應(yīng)用于PID控制器的設(shè)計(jì)中，它不僅具有傳統(tǒng)PID控制器的優(yōu)點(diǎn)，而且具有模糊控制的智能特性。模糊PID算法被用作控制系統(tǒng)的算法，即將模糊控制與常規(guī)PID控制相結(jié)合，利用模糊推理和判斷的思想，根據(jù)誤差E和誤差變化率島，并將其存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，并通過查找表方法在控制過程中讀取數(shù)據(jù)。

三、結(jié)語

綜上所述，隨著現(xiàn)代科技的快速發(fā)展，極大地推動(dòng)了主從機(jī)械手的發(fā)展。同時(shí)，人們也針對(duì)主從機(jī)械手，提出了更高的要求。所以，需要認(rèn)真分析主從機(jī)械手的基本結(jié)構(gòu)，以更好地通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，提升其整體工作性能及操作的可靠性，以更加廣泛應(yīng)將其應(yīng)用在極限環(huán)境下的工作中，贏得更加光明的應(yīng)用前景。而在主從式機(jī)械手中，夾鉗部位的作用十分關(guān)鍵。為了更加精確地作業(yè)、順利完成高質(zhì)量的任務(wù)，則尤其應(yīng)從主從機(jī)械手出發(fā)，著重優(yōu)化、改善夾鉗結(jié)構(gòu)，以促進(jìn)主從機(jī)械手的進(jìn)一步發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]陳忠凱.主從機(jī)械手夾持力感伺服系統(tǒng)控制研究[D].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2015.

[2]陳凱文.主從異構(gòu)遙操作機(jī)械手雙向伺服控制策略研究[D].吉林大學(xué)，2018.

[3]龔文.力反饋仿人機(jī)械手主從控制系統(tǒng)研究[D].東南大學(xué)，2018.

[4]黃偉彬.基于超聲電機(jī)的多自由度主從機(jī)械手的研究[D].福建工程學(xué)院，2019.

[5]賴勇.一種主從式機(jī)械手末端的定位精度研究[D].東華大學(xué)，2017.

[6]張中.一種主從遙控機(jī)械手的設(shè)計(jì)與力學(xué)分析[D].東華大學(xué)，2017.